主动式超高频RFID系统设计

射频识别(RFID)是一种利用射频信号进行识别的技术，它的基本原理是利用应答器直接发射或反射的电磁波来进行通信。根据系统应答器向读写器通信方式可以分为主动式和被动式两种。主动式射频就识别系统由于其通信距离远、可靠性强、通信速率高等优点适用于军事、物流、交通、物品实时跟踪定位等领域[1]。过去由于主动式射频识别系统的应答器体积和功耗较大、电池寿命有限等因素，严重限制了主动式RFID 系统的应用和普及；近年来射频和数字集成电路以及高容量小体积电池技术的快速发展，使主动式射频识别系统在很多应用领域进入实用化阶段。

1、系统的硬件组成与通信协议设计

基于RFID 的主动式射频识别系统设计有利于实现系统的小型化，低功耗，可靠性和灵活性，本文采用Chipcon 公司的CC1100 作为无线数据传输模块，进行系统设计。

1.1、系统组成和原理

1.1.1、应答器与读写器组成

系统由应答器和读写器两部分组成，如图1 所示，应答器部分由无线传输单元、控制单元和供电单元组成；读写器部分由无线传输单元、控制单元和数据传输单元组成。

图1、系统组成原理图

读写器中数据传输单元由两块CC1100 组成，其中一片工作于315MHz，用于发射单频点载波，形成激活场区，另一片工作于433MHz，用于与应答器进行半双工通信；控制单元采用TI 的超低功耗单片机MSP430，降低了系统功耗。控制单元用于配置CC1100 寄存器，处理CC1100 接收到的数据，并向外提供RS232/485 接口。应答器中数据传输单元为一片CC1100，用来与读写器进行无线通信；控制单元用于配置CC1100 寄存器，并对CC1100 的状态进行管理。

1.1.2、控制单元与无线传输单元接口

CC1100 与MSP430 采用SPI 接口连接，图1 中已经给出了它们之间的连接方式。SPI 总线接口技术是一种高速、高效率的串行接口技术，主要用于扩展外设和进行数据交换。MSP430控制CC1100 进行数据发射和接收数据的流程如图2 所示。

图2、数据发送和数据接收流程

1.2、系统通信协议

应答器与读写器的非接触数据交换构成一个无线数据通信系统，数据通过CC1100 在读写器和应答器之间无线传输，本文设计了以CC1100 作为射频接口的主动式RFID 系统的通信协议，可以将基本控制，通信等功能函数编程写入控制系统，通过调用函数功能模块以完成通信功能。

1.2.1、物理层协议

系统的通信协议的物理层与ISO/IEC 18000-7[3]标准兼容，载波频率为433.92MHz；调制方式为2FSK；调制深度为+/-60KHz；数据速率为38.4Kbps；唤醒频率为315MHz。

1.2.2、 数据帧格式

读写器与应答器之间的通信数据以帧的方式打包，从而提高系统通信的可靠性。读写器与应答器之间通信帧包括前导码、同步头、数据长度、传输数据和CRC 校验几部分组成。其中前导码和同步头由CC1100 自动产生，用来进行接收和发射数据同步；数据长度为数据部分总的字节数；数据部分为要传输的有用信息，它可能包括读写器向应答器发送的命令或它们之间相互交换的数据，CRC 校验为符合CRC-CCITT 的2 字节校验位，同样由CC1100 硬件电路自动产生，并紧跟数据部分。

2、系统的工作流程与软件设计

系统软件分为三部分：主机软件、读写器控制程序和应答器程序，主机软件向上层提供API 接口，并通过RS232 接口与下层读写器进行数据交换；读写器程序和应答器程序分别用来控制读写器和应答器的工作流程。这里主要介绍读写器部分程序流程和应答器部分程序流程。读写器与应答器为主从关系：通信过程由读写器发起，读写器向应答器发送命令，然后等待应答器的应答。

2.1、读写器软件流程

读写器部分软件的工作流程如图3(a)所示，读写器一直等待主机命令，接收到主机命令后，根据主机需求将命令解析成读写器对应答器相应操作，例如：提取场内所有应答器ID，对场内某些应答器的存储器进行读写等。命令发送后，读写器等待应答器的应答数据，与应答器进行无线通信。当读写器执行完主机命令，完成于应答器的通信后，将需要返回的数据或状态通过读写器与主机之间的接口上传主机，继续等待新的主机命令。

2.2、应答器软件流程

图3(b)说明了应答器的状态转移图，应答器平时处于休眠状态，当进入读写器的载波唤醒场内时，被载波唤醒，进入激活状态，如果1s 之内没有接收到命令则重新返回休眠状态。应答器接收到读写器命令后，对命令进行初步解析和操作对象判断，如果应答器确定读写器此次操作对象包含自己，则随机选择一个时隙做出相应的应答。

图3、读写器与应答器的工作流程

读写器向应答器发送的消息分为两种形式：广播消息和点对点消息。广播命令