51单片机与nRF401芯片在RFID系统中的应用

1 RFID系统简述

RFID即为非接触的识别系统，它是一种从20世纪90年代兴起的一项自动识别技术，它利用无线射频方式进行 非接触双向通信，以达到识别目的并交换数据，其数据存储在电子数据载体（称应答器）之中。然而，应答器的能量供应以及应答器与阅读器之间的数据交换不是通 过电流的触点接通而是通过磁场或电磁场，这方面采用了无线电和雷达技术。射频识别是无线电频率识别的简称，即通过无线电波进行识别。同其他识别系统相比， 射频识别系统具有许多优点。因此，射频识别系统开始占据了巨大的销售市场。这方面的例子有:用非接触Ic卡作短距离公共交通车票、公路收费系统以及在安全 系统、银行、医院、商店、宾馆及个人通信等场所广泛应用的无线呼叫系统，该系统与其他有线通信系统相比有着性能及成本的优势。对于该系统在后而我们将较为 详细地叙述。
2 基于AT89C51与nRF401的RFID系统设计
AT89C51单片机简述

AT89C51是一种低功耗高性能的8位单片机，片内带有一个4k字节的Flash可编擦除只 读存储器(PEROM），它采用了CMOS工艺和ATMEL公司的高密度非易失性存储器(NURAM)技术，而且其输出引脚和指令系统和MCU_51系列 单片机兼容。片内的Flash存储器允许在系统内可改编程序或用常规的非易失性的存储器编程器来编程。同时已具有三级程序存储器保密的性能:

在 众多的51系列单片机中，要算ATMEI公司的AT89C51更实用，因为它不仅和MCU_51系列单片机指令、管脚完全兼容，而且其片内的4k程序存储 器是Flash工艺的，这种下艺的存储器用户可以用电的方式瞬间擦除、改写。所以说这种单片机对开发设备的要求很低，开发时间也大大缩短。写入单片机的程 序还可以加密，这又很好地保护了所有者的劳动成果。

无线收发芯片nRF401简介

发射接收芯片采用挪 威Nordic公司新推出的集发射接收为一体的nRF401无线数传芯片，它是一个为433MHz ISM频段设计的真正单片机UHF无线收发芯片，采用FSK调制解调技术。最高工作速率可达20k,发射功率可以调整，最人为+lOdBm。 nRF401集成度高，工作频率稳定可靠，外围元器件少，功耗极低，适合便携式产品的设计。在以下设计的电路中(如图3所示)通过AT89C51的 P2.5口控制射频芯片的PWR_UP，使其为“1”时表示进人正常工作模式，为“0”时表示进人待机模式;P2.6接射频芯片的CS,控制发送接收频 率，为“1”表示工作频率为434.32MHz.为“0”表示工作频率为433.92MHz . P2.7控制射频芯片的TXEN端，使其为“1”表示进人发送模式，为“0"表示进人接收模式。
系统设计

如前所述，AT89C51单片机片内带有一个4k字节的Flash可编程可擦除只读存储器，这就决定了在某些方 面其自身的优越性。众所周知，编写程序绝大多数需要反复调试，数次修改，AT89C51的可擦除可编程特性极大地方便了编程者的调试修改工作因此，在 RFID系统中，AT89C51单片机得到了充分的应用。下面将以作者参与设计的无线呼叫系统为例详细说明。

在酒店等服务行业中，无线呼 叫系统有很大的应用前景，而把AT89C51作为控制部分应用于无线呼叫系统中将使系统功能更加灵活。系统包括发射和接收两部分:发射部分由按键、 AT89C51单片机控制器和nRF401芯片组成;接收部分由nRF401、AT89C51一单片机控制器和LED显示以及蜂鸣报警器组成。在发射器中 有约定的数据代码，当按键时将数据代码送入nRF401芯片，由它向外发射，同时接收部分由单片机控制nRF401芯片接收数据代码并显示报警，为了增强 系统灵活性，发射器中的数据代码可以通过接口电路即时地输入，并且接收器收到信号后反馈信息给发射器，即采用半双工的工作方式。

图2为复位电路，在此我们采取手动复位的方式。图3为发射控制部分电路，其实际功能是当按键按下时，与之相连的发光二极管闪耀，同时蜂鸣器发出报警 声，从而在视觉和听觉上一起提醒呼叫者操作成功。其中的C14为退耦电容.可以为2.2 μF的电解电容。同时，因为AT89C51内部有程序存储器，31脚接高电平（VCC），单片机启动后直接在内部读取指令。图4为无线发射电路，采用环状 差分天线。

（2)接收电路

图5为接收电路示意图，它由接收芯片nRF401、并行接口芯片8155、单片机AT89C51及共阴极LED和语音报警提示电路等组成。 CH1000是一种专为蜂鸣器设计的双极型集成电路，当RF401接收到信号之后，其输出驱动外接压电片HD发出报警声。单片机通过并行接口8155驱动 LED显示。

系统软件部分

软件设计时，要注意RF401模块工作模式切换时，编程中要做相应的延时处理。 另外一个值得注意的问题是在无线呼叫系统进行工作时，可能会出现同时有几个发射器处于接收器的工作范围内，这样当有两个或两个以上的发射器同时发送数据时 就会出现数据相互的干扰(碰撞)，所以就必须制定适当的通信方式。一般在RF1D系统中有两种不同的基本通信方式：

第一种通信方式：从接收器到发射器的数据传输为第一种通信形式。发送的数据流同时被所有的发射器接收，此方式称为“无线广播”(Radio)。

第二种通信方式:在接收器的应答范围内有多个发射器的数据同时传输给阅读器，这种通信方式称为多路存取。这是RFID系统中的主要通信方式之一。

RFID 系统是个小的无线局域网，所以应选用比较简单的多路存取方法。可以使用在RFID系统中的多路存取方法有ALOHA法，时隙ALOHA法，动态时隙 ALOHA法，“二进制搜索”算法和“动态二进制搜索”算法等，在我们的无线呼叫系统中使用的是“动态二进制搜索”算法，这种算法有效地避免了通信碰撞问 题。

使用RF技术传输数据时很容易受外界的千扰：使传输的数据发生改变导致错误。校验是用以识别并以一定的措施进行数据校正的方法。在电 路设计中经常使用的校验方法有循环冗余校验法(CRC)、海明码、奇偶校验码等，本设计中采用最为简单的检错码——奇偶校验码。奇偶校验是一种简单的广泛 使用的校验方法。这种方法是把个奇偶校验位组合到每一字节中，并被传输，即每字节发送九位，在数据传输前必须确定是用偶数校验还是用奇数校验，以保证发射 器和接收器二者都用同样的方法进行校验。本设计采用偶数校验。

3 结束语

本系统的无线通信采用半双工方式，偶校验。为了防止干扰，在做PCB板时采用1.6mmFR4板材的双面板。通信距离100mm，运行可靠。