1 引言

    RFID(Radio Frequency Identification)射頻識別是一種非接觸式的自動識別技術(shù)，它通過射頻信號自動識別目標(biāo)對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)。RFID的硬件組件包括RFID標(biāo)簽、識讀器和天線，用于識別和捕捉RFID標(biāo)簽中的數(shù)據(jù)；系統(tǒng)中還有主機，用于運行處理數(shù)據(jù)的應(yīng)用程序，并連接網(wǎng)絡(luò)。RFID標(biāo)簽分為被動標(biāo)簽、主動標(biāo)簽和半主動標(biāo)簽，近距離電子防丟報警器是一種類似于主動標(biāo)簽的應(yīng)用。主動電子標(biāo)簽內(nèi)裝有電池，一般具有較遠(yuǎn)的閱讀距離。

    在日常生活中，人們由于種種原因會遺忘或丟失重要的東西，近距離電子防丟報警器就是針對這種情況設(shè)計的，把主機(識讀器)帶在身上，子機(RFID標(biāo)簽)放在需要監(jiān)測的物品上，當(dāng)子機離主機超過一定距離時，主機報警提示。這樣可以減少遺忘或丟失物品對人們造成的各種損失和不便。選擇芯片的原則是成本低、附加線路簡單和差錯率低?？紤]到上述因素，本文采用臺灣義統(tǒng)公司(Etoms Electronics Corp)．)設(shè)計生產(chǎn)的8位SoC微控制器ET44M210和300MHz的ET13X340A和ET13X330A無線通信芯片進行設(shè)計、編程和實驗。

    2 射頻識別技術(shù)

    2．1 射頻識別的基本原理

圖1 射頻系統(tǒng)的組成

    射頻識別通過無線傳送的數(shù)據(jù)來檢測和識別帶有標(biāo)簽的物體。這需要一個標(biāo)簽、一個識讀器、還需要天線(耦合設(shè)備)，如圖1所示。圖1中的基本單元可適用于幾乎全部的射頻識別方案。天線既要安裝于RFID標(biāo)簽上，也要安裝于識讀器一端。識讀器通常連接到主機和其他具有必要智能的識備，用以進一步處理標(biāo)簽數(shù)據(jù)并采取各種行動。

    在識別過程中，識讀器首先發(fā)送射頻信號以激活標(biāo)簽。標(biāo)簽是一個微型的無線收發(fā)裝置，其內(nèi)存中保存有數(shù)據(jù)，當(dāng)識讀器查詢時它會發(fā)送內(nèi)存中的數(shù)據(jù)給識讀器。無線射頻識別的一個關(guān)鍵因素是數(shù)據(jù)的傳輸轉(zhuǎn)換，它發(fā)生在RFID標(biāo)簽與識讀器之問，稱為耦合(Coupling)。耦合通過天線進行。在大多數(shù)無線射頻識別系統(tǒng)中，耦合可利用電磁波(反向散射)，也可以利用磁(感應(yīng))。利用磁感應(yīng)的無線射頻識別系統(tǒng)讀取的范圍很小，只有幾厘米的范圍。利用電磁波反向散射的無線射頻識別系統(tǒng)可以讀取較遠(yuǎn)的范圍，具體的范圍大小取決于識讀器與RFID標(biāo)簽雙方天線的尺寸和識讀器的功率。本文采用的芯片基于電磁波反向散射原理。

    2．2 多標(biāo)簽同時識別技術(shù)

    RFID系統(tǒng)的一個優(yōu)點就是多個目標(biāo)識別。在射頻識別系統(tǒng)工作時，在讀寫器的作用范圍內(nèi)，可能會有多個射頻標(biāo)簽同時存在。在多個讀寫器和多標(biāo)簽的射頻識別系統(tǒng)中，存在著兩種形式的碰撞方式：一種是同一標(biāo)簽同時收到不同讀寫器發(fā)出的命令，另一種是一個讀寫器同時收到多個不同標(biāo)簽返回的數(shù)據(jù)。第一種情況在實際應(yīng)用中要盡量避免，本文主要考慮實際系統(tǒng)中最容易出現(xiàn)的情況，即一個讀寫器和多個標(biāo)簽的系統(tǒng)。在由一個讀寫器和多個射頻標(biāo)簽組成的系統(tǒng)中，存在著兩種不同的基本通信形式：從讀寫器到射頻標(biāo)簽的通信和從射頻標(biāo)簽到讀寫器的通信。從讀寫器到射頻標(biāo)簽通信時，讀寫器發(fā)送的數(shù)據(jù)流同時被所有標(biāo)簽接收，而這些信息是由一個無線電廣播發(fā)射機發(fā)射的，這種通信方式也稱為無線電廣播。從射頻標(biāo)簽到讀寫器的通信也稱為多路存取，即在讀寫器的作用范圍內(nèi)有多個射頻標(biāo)簽的數(shù)據(jù)同時傳送給讀寫器。無線電通信系統(tǒng)中多路存取一般采用以下方法把不同的信號互相分開：空分多路法(Space Division Multiple Access，SDMA)、時分多路法(Time Division Multiple Access，TDMA)、頻分多路法(Frequency Division Multiple Access，F(xiàn)DMA)、碼分多路法(Code Division Multiple Access，CDMA)。本文采用時分多路法對多個標(biāo)簽進行識別，讀寫器控制采用輪詢法。

    3 硬件組成

    3．1 硬件設(shè)計

    系統(tǒng)接收和發(fā)射部分采用臺灣義統(tǒng)公司設(shè)計生產(chǎn)的ET44M210微處理器和ET13X340／330300MHz無線通信芯片，搭建近距離無線通信平臺。RFID標(biāo)簽部分(子機)由微處理器ET44M210和發(fā)射模塊ET13X340A組成，識讀器部分(主機)由微處理器ET44M210和接收模塊ET13X330A組成。每個子機發(fā)射的信號都有唯一的編碼，主機可通過該編碼對相應(yīng)的子機進行識別和監(jiān)測。由于子機采用主動電子標(biāo)簽，內(nèi)有電池為自身提供能量。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 報警器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

    3．2 ET44M210微處理器

    ET44M210 CPU 采用精簡指令集結(jié)構(gòu)(RISC)，外接6MHz的晶振，內(nèi)部最快可倍頻至48MHz。除條件轉(zhuǎn)移指令需要二個時鐘周期外，所有指令只要一個時鐘周期。在芯片內(nèi)部整合了USB，串行周邊控制界面(SPI)，16位模數(shù)轉(zhuǎn)換等功能。CPU供電電壓3．6V～5V，內(nèi)部擁有16KBROM，1．3KB RAM，42個I／O口。3．3 ET13X340A 300M發(fā)射芯片該芯片是CMOS電路，集成度高，芯片集成了參考放大器，相位檢測器，回路過濾和電壓放大器等。芯片采用鎖相環(huán)技術(shù)穩(wěn)定輸出的信號頻率。芯片是雙排16腳，以ASK方式調(diào)制輸入芯片的數(shù)據(jù)，最大調(diào)制的數(shù)據(jù)傳輸速率是76．8Kbps。芯片的工作電壓3．6～5V，工作電流lOmA，等待時電流2uA。請注意晶體Y1的頻率是4．92188MHz。發(fā)射模塊與外界的連線非常簡單，只需要接人VDD(3V)，GND，MOD和ENB。MOD是數(shù)據(jù)信號輸入端，只要有串行數(shù)據(jù)輸入MOD，發(fā)射模塊就把數(shù)據(jù)調(diào)制后經(jīng)天線發(fā)射出去。ENB是芯片工作狀態(tài)控制端，當(dāng)輸人為“0”時，芯片處于工作狀態(tài)，為“1”時芯片處于等待狀態(tài)。由于這二個狀態(tài)的工作電流大小懸殊，因此可以通過控制ENB，節(jié)約電能。

    3．4 ET13X330A接收芯片

    該芯片是24腳的芯片。芯片采用CMOS電路，集成度更高。整個芯片集成了前置低噪聲放大器，預(yù)除器，混頻器，相位檢測器，中頻限幅放大器，峰值檢測器等。接收芯片需要外接振蕩頻率為4．7543695MHz的晶體Y1和工作頻率為10．7MHz的陶瓷濾波器FL1。工作電壓3．6V～5V，工作電流15mA～ 17．5mA，等待電流2uA，最大解調(diào)速率76．8Kbps。接收模塊與外界的連線同樣是4處：VDD，GND，DO和ENB。ENB的控制作用和發(fā)射模塊相同。DO是解調(diào)后的數(shù)據(jù)輸出端，可以接微處理器的輸入端口。接收模塊通過天線接收到的300MHz信號，先經(jīng)過前置低噪聲放大器放大，然后混頻器把芯片內(nèi)部的工作信號與前置低噪聲放大器輸出的信號混合，通過10．7MHz的陶瓷濾波器得到10．7MHz的差頻信號，中頻限幅放大器對差頻信號進一步放大，然后過濾掉10．7MHz的載波，送入峰值檢測器作數(shù)據(jù)的“0”、“1”檢測，最后在“DO”處輸出還原的接收到的數(shù)據(jù)。

    4 軟件設(shè)計

    4．1 發(fā)射部分(子機)程序框圖

圖3 發(fā)射部分程序框圖

    發(fā)射部分由微處理器ET44M210和發(fā)射模塊ET13X340A組成。微處理器的PortA．0作為信號輸出，接發(fā)射模塊的MOD，PortA．1接發(fā)射模塊的ENB，由微處理器控制 發(fā)射模塊的工作狀態(tài)。根據(jù)編碼原則，發(fā)射部分周而復(fù)始的把子機識別碼與主機發(fā)來的數(shù)據(jù)進行比較。這里要注意的是起始脈沖要足夠?qū)?，使得接收部分能夠正確識別數(shù)據(jù)串的起始位置。發(fā)射部分程序框圖如圖3所示。子機的程序結(jié)構(gòu)相對簡單，用戶開機后，子機開始把自身唯一的識別碼與主機發(fā)來的數(shù)據(jù)不斷進行比較，若相同，則應(yīng)答；若不同，則繼續(xù)比較。

    4．2 接收部分(主機)程序框圖

    接收部分由微處理器ET44M210和接收模塊ET13X330A組成。微處理器的PortB．0作為數(shù)據(jù)輸入端接接收模塊的DO，ENB接“0”，使其一直處于工作狀態(tài)。可以把微處理器的PortA作為接收信號的輸出端，對收到的數(shù)據(jù)作進一步處理。接收部分程序框圖如圖4所示。

圖4 接收部分程序框圖

    主機啟動后，用戶進行自定義的設(shè)置(如設(shè)置需要監(jiān)測的子機號等)，然后開啟監(jiān)測開關(guān)，主機開始對相應(yīng)子機的信號進行監(jiān)測，程序過程如圖4所示。主機根據(jù)各子機的識別碼循環(huán)對外發(fā)送數(shù)據(jù)，并對對應(yīng)子機的反饋信號進行判斷，檢測信號是否符合要求。若不合要求(如超過一定距離等)或沒有收到反饋信號則發(fā)出警報，該子機對應(yīng)的警示燈亮，提醒用戶注意。若符合要求，則繼續(xù)循環(huán)監(jiān)測，不發(fā)出警報。

    5 結(jié)語

    本文提出了一種近距離電子防丟報警器的設(shè)計方案。人們?nèi)粘Ｉ钪薪?jīng)常會丟失和遺忘東西，該方案的應(yīng)用可以很好的避免類似情況。本文對防丟報警器的設(shè)計進行了探討，可實現(xiàn)簡單的報警器功能，可完成一個識讀器對多個RFID標(biāo)簽的監(jiān)測，但對多識讀器多個RFID標(biāo)簽的情況沒有加以討論。通過擴展，識讀器可與計算機進行通信，連接數(shù)據(jù)庫及網(wǎng)絡(luò)，可擴展為網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)，應(yīng)用前景廣闊。

    (華東師范大學(xué)計算中心 王永  趙俊逸)