0 引言
畜產品溯源系統對加強畜牧業的信息化建設，實現畜產品優質優價，進而規范畜產品市場的持續、穩定和健康的發展具有重要意義。牲畜出生后利用“耳標”作為記錄載體賦予標簽惟一標識碼，記錄牲畜在流通的各環節中的必要信息并用與之相應的讀寫器進行讀取以作為畜產品溯源系統的信息輸入，是目前畜產品溯源系統普遍采用的技術。但是，動物移動頻繁，會導致讀／寫角度和讀／寫距離變化較快，并使讀／寫過程常常出錯，目前普遍采用的RFID讀寫器由于工作頻率不高，難以解決這個問題。本文設計出一種工作在微波頻段的高可靠性讀寫器，從而較好地解決了這一問題。
1 RFID讀寫器的工作原理
1．1 RFID系統介紹
RFID系統由電子標簽、讀寫器、天線系統組成。當標簽處于讀寫器的讀寫范圍時，標簽和讀寫器就可以通過他們攜帶的天線進行通信，計算機可通過串口與讀寫器進行通信，將要寫入標簽的信息、寫指令(或讀標簽指令)傳輸到讀寫器上，由讀寫器來完成對標簽的寫入(或讀)操作(見圖1)。
1．2 RFID讀寫器介紹
RFID讀寫器是RFID系統的重要組成部分，它最核心的器件是射頻芯片，由射頻芯片決定數據的編碼以及與電子標簽的通信協議，從而決定該讀寫器的使用范圍。讀寫器的設計直接影響了讀寫器的方便，易用以及讀寫信息的可靠性。它一般可與計算機通信，在人機界面的支持下可由計算機的上位機軟件控制讀寫器對電子標簽進行讀寫／操作。典型的工作流程圖如圖2所示，首先要將系統配置到一個合適的環境，然后輸入要讀／寫標簽的ID號，找到對應的標簽然后轉入讀／寫標簽的子程序進行相應處理。
2 讀寫器的基本組成
RFID讀寫器一般由控制單元、射頻單元、通信接口、人機界面、存儲器及電源電路等部分組成。其中控制單元、射頻單元和通信接口是讀寫器的基本組成部分，下面分別介紹它們。
2．1 單片機ATmega128
控制單元是讀寫器的重要組成部分，它負責協調該系統各個單元模塊的工作以及提供一些通信接口。這里選用Atmel公司的ATmega128作為讀寫器的控制單元，ATmega128是一款基于AVR RISC的低功耗CMOS的8位單片機。它具有豐富的外圍接口，128 KB的FLASH程序儲存器，4 KB的E2PROM，4 KB的SRAM，53個可編程的I／O口線，內外中斷源，可編程的USART，可編程的看門狗定時器，SPI口等。它具備的USART，SPI，IIC口以及較高的工作頻率很好地滿足了本設計的需求，另外它豐富的引腳為系統的擴展提供了條件。
2．2 射頻模塊
2．2．1 射頻芯片接口
射頻模塊是讀寫器的核心組成部分，它的工作頻率以及編碼、通信協議等決定了它的性能。為了設計出一種讀寫距離遠并保證通信可靠的讀寫器，選用工作頻率較高的nRF2401芯片。它是挪威Nordic公司生產的單片射頻收發芯片，工作于2．4～2．5 GHz ISM頻段，芯片內置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器和調制器等功能模塊，并且它的輸出功率和通信頻道可通過程序進行配置。
該射頻芯片主要用來通過天線與電子標簽進行信息交互，單片機主要通過控制它的CS，CE，DR1，PWR_UP，CLK1，DATA等幾個引腳來操作它。芯片的外圍元件及引腳連接方式電路原理如圖3所示。
2．2．2 射頻芯片編程
使用nRF2401收發數據要先配置它，本設計中將芯片配置成ShockBurstTM收發模式，在這種模式下系統的程序編寫會更加簡單，且系統穩定性也會更高。配置過程如下：設置CS為高電平，CE為低電平使芯片進入配置模式，延時5μs以上，單片機將配置數據通過I／O引腳寫進nRF2401，再置CS引腳為低電平即可完成nRF2401的配置。配置芯片為TX模式時，將nRF2401的CE引腳置為高電平，延時5μs以上后，將要發送的數據寫入nRF2401的發送數據緩存中，再將nRF2401的CE引腳置為低電平就可以將要發送的數據通過天線發射出去。
接收數據的過程與發送數據的過程類似，配置nRF2401為RX模式。然后置CE引腳為高電平經過200μs延時后芯片進入接收狀態，當檢測到DR1引腳變為高電平時，表明nRF2401的FIFO緩沖區已收到數據，單片機執行讀數據子程序將nRF2401中的數據全部讀出，當全部數據讀完后DR1引腳變為低電平，此時可利用DR1引腳的狀態變換跳轉去執行其他處理程序。
2．3 通信接口設計
2．3．1 串口電路設計
在本設計中，讀寫器與PC機的通信通過RS 232串行接口，但單片機I／O管腳的電平是TTL電平與PC機不能直接進行通信，需要通過芯片進行電平轉換才能通信，本設計中選用MAX232E來完成電平轉換，T1IN和R1OUT與單片機串行發送口和串行接收口相連，T1OUT和R1IN通過DB9連接器連到PC機COM口的RXD和TXD端口，電路連接方式如電路原理圖3所示。
2．3．2 串口編程
單片機與PC機通過握手信號連通后，在PC機發送的控制狀態信號的作用下，單片機通過USART發送、接收數據與PC機的串口通信。本設計中USART工作在異步收發模式下，操作過程如下，首先初始化USART，然后將要發送的數據放在數據寄存器中，配置控制寄存器相關位使數據通過引腳能夠發送出去；接收數據的情況類似，初始化控制寄存器后，使能接收控制寄存器的相應控制位，然后去數據寄存器中讀取數據。
2．4 系統基本組成原理圖
系統基本組成原理圖如圖3所示。
3 讀寫器系統的擴展
以上介紹的是讀寫器的基本組成，為了設計一個方便完整的讀寫器還要加上人機界面，存儲器，電源電路等。人機界面提供讀／寫過程中需要人干預的接口，可選用獨立式鍵盤和LCD12864來實現；存儲電路用于暫存讀寫器讀到的數據或者將要寫到電子標簽中的數據暫存到讀寫器中，再由讀寫器發給電子標簽，可選用AT24C08芯片來實現，它是一種I2C接口的器件。電源電路為整個讀寫器的各個芯片提供電源，可以選用各種穩壓模塊通過變換來獲得所需電源。
4 結語
實現設計的過程中，電磁干擾問題很突出。將讀寫器的PCB設計成雙層板，底層作為地層不放置元件，頂層的空地方敷上銅，并將敷銅通過過孔與底層的地相連，可大大降低電磁干擾。整個系統做了抗電磁干擾處理后，工作在微波頻段的本讀寫器能夠在遠距離、動物快速移動的狀態下具備非常高的可靠性。