RFID身份码发射器硬件设计方案

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  身份码发射器作为井下人员定位系统中一个重要组成部分,其工作原理及硬件设计方案的选择直接影响到整个人员定位系统的功能及成本。下面就此系统部分提出一种硬件设计的可能性。

1 RFID技术在身份码发射器中的应用

RFID技术(中文又称射频识别技术)是一项利用射频信号实现无接触的信息传递和信息识别从而达到双向通信数据交换的识别技术。典型的射频识别系统主要包括身份码发射器(内有射频识别卡)和身份码接收器(内有阅读器)两个部分。

身份码发射器将几个主要模块集成到一块芯片中,芯片上有EEPROM 用来储存识别码或其它数据。EEPROM容量从几比特到几万比特。芯片外围仅需连接天线(无源电子标签还需要电池),完成与身份码接收器的通信u]。与条码、磁卡等传统的接触式识别技术不同的是,RFID技术支持的射频识别卡具有非接触式的特点,能用于较恶劣的环境,并且由于是无线传输,能辨识静止和运动的物体,可以作为井下人员的身份标识卡。

2 身份码发射器所属系统的总设计

身份码发射器所属的整个系统见图1,工作原理如下:身份码接收器上安装的发射天线发出无线电加密信号,激活身份码发射器,以便向外发送高频载波信号,而后,身份码接收器上的接收天线负责接收发送过来的信号,经过调制解调后,通过RS485接口向上传给传输适配器,由其确认有效的信息后经RS232接口传递给上位机。而身份码发射器在系统中所属的地位,正好是第一步。

发射器一般安装在井下工作人员的矿工帽或腰带上,形成移动的被监测体。而身份码定位监测站则根据具体的监控区域放置不同的数量。传输适配器和上位机都安装在井上,方便工作人员及时统计了解井下情况。

图1 井下人员定位系统整体结构图

3 身份码发送数据的方式

针对以上系统结构,发射器设计的核心就是将内部识别卡的信息完整地传送给接收器,和其他的数据传输方式相比,身份码发射器每次需要传送的数据量并不是很大,设计时第一步要考虑的是选择与之相应的数据传送调制方式。针对本系统的特性,决定选用二进制频移键控(FSK)电路,综合考虑误码率、频带利用率、信噪比,都完全适用于系统设计,硬件实现相对比较简单。图2 是频移键控相干解调的工作流程图。

图2 频移键控相干解调系统流程图

4 发射器的内部芯片设计

4.1 通信芯片CC1000

CC1000 是一种理想的超高频单片收发芯片,其主要工作参数能通过串行总线接口编程改变。通常典型的系统是由CC1000与一个微控器以及一些外围无源元件一起构成,标准应用电路见图3。在CC1000设计中,对CC1000的相关寄存器进行相应的优化配置至关重要,错误的配置可能导致CC1000不能正常工作。图4是利用TI公司给出的SmartRF Studio程序在本系统中对发射器设计时芯片的晶振、发射和接收的频率配置。CC1000的控制是通过对其控制寄存器的配置完成的,要求MCU 能够通过三串行控制口(PCLK/PDATA/PALE)控制CC1000改变不同的工作模式,且要求MCU能够与双向同步数字信号接口。

图3 CC1000的标准应用电路

4.2 主控制器ATmega88V

由于身份码发射器采用电池供电,考虑到井下发射器工作状态的持续性,在保证其基本性能的前提下,选择主控制器时,尽量要求低功耗。所以选择了简单实用的ATmega88V,它具有8K字节的系统内可编程Flash,512字节EEPROM,1K SRAM,23个通用I/O 口线,32个通用工作寄存器,3个具有比较模式的灵活的定时器/计数器(T/C),片内/外中断,可编程串行USART,面向字节的两线串行接口,一个 SPI串行端口,一个6路10位ADC,具有片内振荡器的可编程看门狗定时器,以及五种可以通过软件选择的省电模式 (图4)。

图4 晶振、发射、接收频率配置

4.3 发射器的工作原理

CC1000初始状态为待机模式,传感器采集到身份码接收器发送的加密数据后,先发送给AT—mega88,由ATmega88进行控制并检测,将数据通过I/O 口发送给CC1000,此时CC1000被信号激活并进入发射模式,将数据转换为数据帧发送给身份码接收器中的接收模块。需要注意的是,在发送之前,主控制器ATmega88需要对CC1000进行初始化并配置相应的寄存器。表1为CC1000初始化后其主要寄存器的配置值和配置顺序。而数据信号发送成功后,CC1000和ATmega88重新进入休眠状态,达到减少功耗和节约电池电量的效果。

5 结束语

考虑到井下人员定位系统中降低功耗的需要,选择了低功耗的射频芯片 ccl000及控制器AT—mega88V作为硬件设计的核心,提出了基于RFID技术下的身份码发射器的硬件选择中需要注意的问题。整个身份码发射器的硬件设计方案可以作为独立的模块应用到各种井下人员系统的整体设计中。

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