2.4GHz射频识别中标签电路设计与实现毕业论文.doc

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1、 毕业设计论文论文题目：2.4GHz射频识别中标签电路设计与实现系 部 电子通信工程系 专 业 通信技术 班 级 学生姓名 学 号 指导教师 目 录摘 要1Abstract2前言3第1章 nRF24.L01无线模块41.1 nRF24.L01无线模块概述41.1.1主要特性41.1.2引脚功能及描述41.1.3工作模式61.1.4工作原理61.1.5配置字71.1.6跳频功能实现7第2章 有源标签硬件设计92.1硬件的结构92.1.1标签电路结构92.1.2标签射频前端92.1.3标签控制处理电路112.1.4标签印制板设计122.2标签低功耗设计12第3章 2.4GHz电子标签天线设计133

2、.1电子标签天线概述133.2射频识别系统与天线分类133.3电子标签天线的设计与测试143.4一种2.4GHz小型化偶极子天线的设计153.4.1印刷偶极子天线结构153.4.2回波损耗S11测试173.4.3数据分析183.2.4印刷偶极子天线小型化设计183.2.5仿真结果和测量结果的比较19第四章 标签软件设计214.1寄存器设置和数据包格式214.2标签指令接收子程序214.3标签信息发送子程序22结 论23致 谢24参考文献25附录1电子标签收发程序26附录2电子标签电路原理图36摘 要射频识别技术（RFID，Radio Frequency Identification）实际上是自

3、动识别技术（AEI，Automatic Equipment Identification）在无线电技术方面的具体应用与发展。该项技术的基本思想是，通过采用一些先进的技术手段，实现人们对各类物体或设备（人员、物品） 在不同状态（移动、静止或恶劣环境）下的自动识别和管理。在微波频段范围内，2.4GHz是一个全球的ISM频段，使用时无需申请。本文以NORDIC公司射频芯片nRF24L01为核心，设计有源RFID标签。该芯片功耗低，使用1.9V3.6工作电源，可采用电池供电；极少的外围电路，所有高频元件包括电感、振荡器等已经全部集成在芯片内部，采用4mm4mm QFN封装，体积很小；发射功率、工作频率

4、等所有工作参数全部通过软件设置完成，配置简单、一致性好、性能稳定且不受外界影响，非常适合用于有源标签应用研究发现，有源超高频、微波频段的标签具有标签信号强、定位精确、可被读取距离远、通讯速度快、可储存信息多等优点。随着集成电路尺寸的减小以及成本的进一步降低，更适合未来应用，因此，有源超高频、微波频段的标签是当前电子标签研究的重点。射频识别作为一种新兴的自动识别技术，在中国拥有巨大的发展潜力。Abstract关键词： 物联网 射频识别 电子标签 微带天线前言物联网是新一代信息技术的重要组成部分。其英文名称是“The Internet of things”。由此，顾名思义，“物联网就是物物相连的互

5、联网”。这有两层意思：第一，物联网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上的延伸和扩展的网络；第二，其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间，进行信息交换和通信。因此，物联网的定义是通过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现对物品的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。射频识别RFID（Radio Frequency Identification）技术是物联网工程的核心技术之一 ，也被认为是21 世纪最有发展前途的信息技术之一。由于具有高速移动物体识别、多目标识别和非接触识别等特点，

6、RFID 技术显示出巨大的发展潜力与应用空间。目前，我国已经将RFID 技术应用于铁路车号识别、身份证和票证管理、动物标识、特种设备与危险品管理、公共交通以及生产过程管理等多个领域。典型的射频识别系统由标签、读写器两部分组成。其中标签由RFID电路和天线组成，按供电方式可以分为无源和有源两种。无源标签不需要电池供电，具有成本低、可靠性高等优点。有源标签需要电池供电，平时处于低功耗节能状态，当被阅读器触发时，进入通信状态。按照工作频率的不同，RFID 标签分为低频（LF，135kHz以下)、高频(HF，1356MHz)、超高频(UHF，860MHz960MHz)和微波频段（MW，2.4GHz以上

7、)。目前国际上RFID应用在能量供给方面以无源标签为主，在工作频率上以LF和HF标签产品为主。但是，研究发现，有源超高频、微波频段的标签具有标签信号强、定位精确、可被读取距离远、通讯速度快、可储存信息多等优点。随着集成电路尺寸的减小以及成本的进一步降低，更适合未来应用，因此，有源超高频、微波频段的标签是当前电子标签研究的重点。 近年来，随着大规模集成电路技术的发展，短距离无线通信系统的大部分功能都可以集成到一块芯片内部，一般使用单片数字信号射频收发芯片，加上少量外围器件构成专用或通用无线通信模块。通信模块一般包含简单透明的数据传输协议或使用简单的加密协议，发射功率、工作频率等所有工作参数全部通

8、过软件设置完成，依据命令字进行基本的数据无线传输功能操作。第1章nRF24.L01无线模块1.1 nRF24.L01无线模块概述nRF24.L01是一款新型单片射频收发器件,工作于2.4 GHz2.5 GHz ISM频段。内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块,并融合了增强型ShockBurst技术，其中输出功率和通信频道可通过程序进行配置。nRF24L01功耗低,在以-6 dBm的功率发射时，工作电流也只有9 mA;接收时，工作电流只有12.3 mA，多种低功率工作模式(掉电模式和空闲模式)使节能设计更方便。1.1.1 主要特性GFSK调制： 硬件集成OSI链路层; 具有自

9、动应答和自动再发射功能; 片内自动生成报头和CRC校验码; 数据传输率为l Mb/s或2Mb/s; SPI速率为0 Mb/s10 Mb/s; 125个频道： 与其他nRF24系列射频器件相兼容; QFN20引脚4 mm4 mm封装; 供电电压为1.9 V3.6 V。1.1.2 引脚功能及描述nRF24L01的封装及引脚排列如图1.1及表1所示。各引脚功能如下：图1.1CE：使能发射或接收; CSN，SCK，MOSI，MISO：SPI引脚端，微处理器可通过此引脚配置nRF24L01： IRQ：中断标志位; VDD：电源输入端; VSS：电源地： XC2，XC1：晶体振荡器引脚; VDD_PA：为

10、功率放大器供电，输出为1.8 V; ANT1,ANT2：天线接口; IREF：参考电流输入。 表1引脚名称引脚功能描述1CE数字输入RX或TX模式选择2CSN数字输入SPI片选信号3SCK数字输入SPI时钟4MOSI数字输入从SPI数据输入脚5MISO数字输出从SPI数据输出脚6IRQ数字输出可屏蔽中断脚7VDD电源电源（+3V）8VSS电源接地（0V）9XC2模拟输出晶体振荡器2脚10XC1模拟输入晶体振荡器1脚/外部时钟输入脚11VDD-PA电源输出给RF的功率放大器提供的+1.8V电源12ANT1天线天线接口113ANT2天线天线接口214VSS电源接地（0V）15VDD电源电源（+3V

11、）16IREP模拟输入参考电流17VSS电源接地（0V）18VDD电源电源（+3V）19DVDD电源输出去耦电路电源正极端20VSS电源接地（0V）1.1.3 工作模式通过配置寄存器可将nRF241L01配置为发射、接收、空闲及掉电四种工作模式，如表2所示。模式PWR_UPPRIM_RXCEFIFO寄存器状态接收模式111-发射模式101数据在TX FIFO 寄存器中发射模式1010停留在发送模式，直至数据发送完待机模式2101TX FIFO 为空待机模式11-0无数据传输掉电0-表 （2） 待机模式1主要用于降低电流损耗，在该模式下晶体振荡器仍然是工作的; 待机模式2则是在当FIFO寄存器为

12、空且CE=1时进入此模式； 待机模式下，所有配置字仍然保留。 在掉电模式下电流损耗最小，同时nRF24L01也不工作，但其所有配置寄存器的值仍然保留。 1.1.4 工作原理发射数据时，首先将nRF24L01配置为发射模式：接着把接收节点地址TX_ADDR和有效数据TX_PLD按照时序由SPI口写入nRF24L01缓存区，TX_PLD必须在CSN为低时连续写入，而TX_ADDR在发射时写入一次即可，然后CE置为高电平并保持至少10s，延迟130s后发射数据;若自动应答开启，那么nRF24L01在发射数据后立即进入接收模式，接收应答信号（自动应答接收地址应该与接收节点地址TX_ADDR一致）。如果

13、收到应答，则认为此次通信成功，TX_DS置高，同时TX_PLD从TX FIFO中清除;若未收到应答，则自动重新发射该数据(自动重发已开启)，若重发次数(ARC)达到上限，MAX_RT置高，TX FIFO中数据保留以便在次重发;MAX_RT或TX_DS置高时，使IRQ变低，产生中断，通知MCU。最后发射成功时,若CE为低则nRF24L01进入空闲模式1;若发送堆栈中有数据且CE为高，则进入下一次发射;若发送堆栈中无数据且CE为高，则进入空闲模式2。 接收数据时,首先将nRF24L01配置为接收模式，接着延迟130s进入接收状态等待数据的到来。当接收方检测到有效的地址和CRC时，就将数据包存储在R

14、X FIFO中，同时中断标志位RX_DR置高，IRQ变低，产生中断，通知MCU去取数据。若此时自动应答开启，接收方则同时进入发射状态回传应答信号。最后接收成功时，若CE变低，则nRF24L01进入空闲模式1。1.1.5 配置字SPI口为同步串行通信接口，最大传输速率为10 Mb/s，传输时先传送低位字节，再传送高位字节。但针对单个字节而言，要先送高位再送低位。与SPI相关的指令共有8个，使用时这些控制指令由nRF24L01的MOSI输入。相应的状态和数据信息是从MISO输出给MCU。nRF24L0l所有的配置字都由配置寄存器定义，这些配置寄存器可通过SPI口访问。nRF24L01 的配置寄存器共有25个，常用的配置寄存器如表3所示。地址（H）寄存器名称功能00CONFIG