基于RFID技術的身份碼發(fā)射器的硬件設計

　　身份碼發(fā)射器作為井下人員定位系統(tǒng)中一個重要組成部分，其工作原理及硬件設計方案的選擇直接影響到整個人員定位系統(tǒng)的功能及成本。下面就此系統(tǒng)部分提出一種硬件設計的可能性。

1 RFID技術在身份碼發(fā)射器中的應用

　　RFID技術（中文又稱射頻識別技術）是一項利用射頻信號實現(xiàn)無接觸的信息傳遞和信息識別從而達到雙向通信數(shù)據(jù)交換的識別技術。典型的射頻識別系統(tǒng)主要包括身份碼發(fā)射器（內(nèi)有射頻識別卡）和身份碼接收器（內(nèi)有閱讀器）兩個部分。

　　身份碼發(fā)射器將幾個主要模塊集成到一塊芯片中，芯片上有EEPROM 用來儲存識別碼或其它數(shù)據(jù)。EEPROM容量從幾比特到幾萬比特。芯片外圍僅需連接天線（無源電子標簽還需要電池），完成與身份碼接收器的通信u］。與條碼、磁卡等傳統(tǒng)的接觸式識別技術不同的是，RFID技術支持的射頻識別卡具有非接觸式的特點，能用于較惡劣的環(huán)境，并且由于是無線傳輸，能辨識靜止和運動的物體，可以作為井下人員的身份標識卡。

2 身份碼發(fā)射器所屬系統(tǒng)的總設計

　　身份碼發(fā)射器所屬的整個系統(tǒng)見圖1，工作原理如下：身份碼接收器上安裝的發(fā)射天線發(fā)出無線電加密信號，激活身份碼發(fā)射器，以便向外發(fā)送高頻載波信號，而后，身份碼接收器上的接收天線負責接收發(fā)送過來的信號，經(jīng)過調制解調后，通過RS485接口向上傳給傳輸適配器，由其確認有效的信息后經(jīng)RS232接口傳遞給上位機。而身份碼發(fā)射器在系統(tǒng)中所屬的地位，正好是第一步。

　　發(fā)射器一般安裝在井下工作人員的礦工帽或腰帶上，形成移動的被監(jiān)測體。而身份碼定位監(jiān)測站則根據(jù)具體的監(jiān)控區(qū)域放置不同的數(shù)量。傳輸適配器和上位機都安裝在井上，方便工作人員及時統(tǒng)計了解井下情況。

圖1 井下人員定位系統(tǒng)整體結構圖

3 身份碼發(fā)送數(shù)據(jù)的方式

　　針對以上系統(tǒng)結構，發(fā)射器設計的核心就是將內(nèi)部識別卡的信息完整地傳送給接收器，和其他的數(shù)據(jù)傳輸方式相比，身份碼發(fā)射器每次需要傳送的數(shù)據(jù)量并不是很大，設計時第一步要考慮的是選擇與之相應的數(shù)據(jù)傳送調制方式。針對本系統(tǒng)的特性，決定選用二進制頻移鍵控（FSK）電路，綜合考慮誤碼率、頻帶利用率、信噪比，都完全適用于系統(tǒng)設計，硬件實現(xiàn)相對比較簡單。圖2 是頻移鍵控相干解調的工作流程圖。

圖2 頻移鍵控相干解調系統(tǒng)流程圖

4 發(fā)射器的內(nèi)部芯片設計

　　4．1 通信芯片CC1000

　　CC1000 是一種理想的超高頻單片收發(fā)芯片，其主要工作參數(shù)能通過串行總線接口編程改變。通常典型的系統(tǒng)是由CC1000與一個微控器以及一些外圍無源元件一起構成，標準應用電路見圖3。在CC1000設計中，對CC1000的相關寄存器進行相應的優(yōu)化配置至關重要，錯誤的配置可能導致CC1000不能正常工作。圖4是利用TI公司給出的SmartRF Studio程序在本系統(tǒng)中對發(fā)射器設計時芯片的晶振、發(fā)射和接收的頻率配置。CC1000的控制是通過對其控制寄存器的配置完成的，要求MCU 能夠通過三串行控制口（PCLK／PDATA／PALE）控制CC1000改變不同的工作模式，且要求MCU能夠與雙向同步數(shù)字信號接口。

圖3 CC1000的標準應用電路

　　4．2 主控制器ATmega88V

　　由于身份碼發(fā)射器采用電池供電，考慮到井下發(fā)射器工作狀態(tài)的持續(xù)性，在保證其基本性能的前提下，選擇主控制器時，盡量要求低功耗。所以選擇了簡單實用的ATmega88V，它具有8K字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash，512字節(jié)EEPROM，1K SRAM，23個通用I／O 口線，32個通用工作寄存器，3個具有比較模式的靈活的定時器／計數(shù)器(T／C)，片內(nèi)／外中斷，可編程串行USART，面向字節(jié)的兩線串行接口，一個 SPI串行端口，一個6路10位ADC，具有片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時器，以及五種可以通過軟件選擇的省電模式 (圖4)。

圖4 晶振、發(fā)射、接收頻率配置

　　4．3 發(fā)射器的工作原理

　　CC1000初始狀態(tài)為待機模式，傳感器采集到身份碼接收器發(fā)送的加密數(shù)據(jù)后，先發(fā)送給AT—mega88，由ATmega88進行控制并檢測，將數(shù)據(jù)通過I／O 口發(fā)送給CC1000，此時CC1000被信號激活并進入發(fā)射模式，將數(shù)據(jù)轉換為數(shù)據(jù)幀發(fā)送給身份碼接收器中的接收模塊。需要注意的是，在發(fā)送之前，主控制器ATmega88需要對CC1000進行初始化并配置相應的寄存器。表1為CC1000初始化后其主要寄存器的配置值和配置順序。而數(shù)據(jù)信號發(fā)送成功后，CC1000和ATmega88重新進入休眠狀態(tài)，達到減少功耗和節(jié)約電池電量的效果。

5 結束語

　　考慮到井下人員定位系統(tǒng)中降低功耗的需要，選擇了低功耗的射頻芯片 ccl000及控制器AT—mega88V作為硬件設計的核心，提出了基于RFID技術下的身份碼發(fā)射器的硬件選擇中需要注意的問題。整個身份碼發(fā)射器的硬件設計方案可以作為獨立的模塊應用到各種井下人員系統(tǒng)的整體設計中。