基于nRF24LE1的有源RFID电子标签的设计

陈齐慧　文雅　常春

【摘要】 本文提出了一种基于nRF24LE1射频芯片和RFX2401C功率扩展芯片的有源RFID电子标签的设计，包括硬件电路设计和软件编程设计。该电子标签工作在2.4GHzISM频段，通过功率扩展芯片RFX2401C提高了标签的发射功率和接收灵敏度，利用接收功率检波（RPD）实现载波监听，解决多标签的碰撞问题，采用无线唤醒技术有效降低了系统的功耗，利用电源监管功能提高工作稳定性。测试结果表明：该标签抗干扰能力强，传输稳定，工作距离远且可调。

【关键词】 无线射频技术 电子标签 nRF24LE1 RFX2401C

一、引言

射频识别（RFID）技术是一种无线自动识别技术，是现在最具有发展潜力的技术之一。目前在我国许多方面都用到了射频识别（RFID）技术，像铁路车号识别、身份证和票证管理、动物标识、危险物品管理、公共交通以及生产过程管理等多个领域。RFID系统一般包括终端机、RFID中间件、读写器和标签几个部分。其中电子标签是其中重要的组成部分。标签分为有源标签（主动式）和无源标签（被动式）。无源标签有利于减小标签尺寸和降低成本，但是限制了读取范围和数据存储能力。而有源标签不但具有无源标签的特征，还有性能更可靠、距离更远、寿命更长等优点。本文利用nRF24LE1和RFX2401C芯片设计了一种有源RFID电子标签，实现了与阅读器的低功耗、远距离通信。

二、使用的关键技术

2.1 防碰撞的设计

通信的可靠性是设计中的一个关键，在多标签工作时要保证通信的稳定，防碰撞算法的设计尤为重要。利用nRF24LE1随机数产生功能和接收功率检波（RPD）功能，可以的设计一个时隙ALOHA算法来解决标签的防碰撞问题。通过载波监听的方式来实现防碰撞算法。当有标签信号发生碰撞时，信号可以随机退避一个时隙T0的整数倍（nT0），来防止标签碰撞问题，该时隙T0是读写器与标签的完成一次交换的时间，倍数n是随机数发生器产生的随机数。当再次碰撞后，同样退避一段时间，直到数据发送成功为止。

2.2 低功耗的设计

由于RFID有源标签为电池供电，为延长电池使用寿命，设计时对功耗性能要求严格。nRF24LE1本身就是一款低功耗芯片，在2Kbps采样速率下电流仅为0.1mA。

nRF24LE1有多种工作模式且其工作模式可以由软件设置来切换。无线唤醒的设计，通过读取读写器对标签工作模式的切换：主动发送状态和被动接收状态。同时，通过它的实时钟RTC定时，可以作为芯片掉电休眠的周期唤醒源，实现最大化减小功耗。

2.3 电源监管

电子标签采用的是电池供电，长时间使用会消耗电量，使得供电电压不达不到要求的工作电压，使得工作不稳定甚至停止工作。nRF24LE1的电源监管功能（Brown-out）可以保证电子标签的正常工作，在电源失效检测器检测到电源失效时不进行FLASH擦写。

2.4 功率扩展

nRF24LE1可以单独完成标签的功能，但是在PCB天线的条件下，其工作距离并不远。为了增加在PCB天线的情况下增加发射距离，本设计增加了RFX2401C集成电路，对nRF24LE1进行功率扩展。

RFX2401C是一款高性能的射频前端集成电路，配有一个高功率放大器（PA）、低噪声放大器（LNA）。给nRF24LE1射频电路加上RFX2401C可以提高发射功率，提高接收灵敏度，扩大了通信的覆盖范围，提供了更可靠通信。发射功率可以提高25～26dB，接收灵敏度可提高26dB～32dB[2]。

三、标签总体设计方案

标签设计时，应重点考虑小体积、低成本、低功耗、阅读距离长且距离可调、电池供电等特性。基于这些因素的考虑，本设计选择了以nRF24LE1为核心的设计方案。

射频芯片nRF24LE1是整个标签设计最核心的部分，它是一款高性价比且内置微控制器的智能2.4GHz射频收发器的芯片。nRF24LE1采用了抗干扰能力强的GFSK调制解调技术，片内自动生成报头和CRC校验码，具有出错自动重发的功能，构成的无线传输系统具有电路简单、成本低、速率高等优点。

功率扩展部分，采用RFX2401C对其进行功率扩展，天线采用PCB天线，电源部分采用3.3V纽扣电池供电，如图1所示。RFX2401的加入，大大增加了标签的传输距离，使信号的传输更加稳定可靠。

另外，加入了蜂鸣器报警部分，当电源电源过低时，蜂鸣器鸣叫报警。

四、标签的硬件设计

电子标签电路图如图2所示。选用nRF24LE1 5×5mm 32脚QFN封装的芯片，参照Nordic官方技术手册[1]，选取合适的退耦电容，启用外接16MHz的晶振。6脚PROG为程序烧写使能端，19脚RESET为复位端，其余的脚为IO口，可接丰富外设[3]。

单独使用nRF24LE1时，在贴片天线的情况下，发射距离只在10m～30m，这里采用关键技术中的功率扩展技术。如图3所示，RFX2401C的10脚ANT所连接的C15，C16，L4，构成了一个谐波滤波器，可以滤掉高频噪声。在通信要求不高的情况下，可以去掉这个部分。C6起到低通滤波的作用，也是一个可选项。

图中，蜂鸣器是用来起到欠压报警的作用，当电源监管检测到电源电压低于预设值时，P0.6会给三极管一个低电平，驱动蜂鸣器工作。

RFX2401C的工作模式是由5脚TXEN和6脚RXEN控制，如表1所示。其中TXEN接nRF24LE1的20脚VDD_PA，调试时，只要有发射此脚就会有一个脉冲。RXEN由nRF24LE1的一个IO口控制，这里我们选择的是P1.4。在接收状态时将RXEN置高即可。

PCB的设计对标签性能影响很大，在PCB设计时，应注意元件尽量靠拢芯片四周，底层不放置元件，在空余地方都要铺铜，尽量多打一些过孔，每一个元件的接地脚都要单独加一个过孔。为保证晶振起振稳定，晶振底下不能走线。焊接过程中要确保芯片底部接地。

五、系统的软件设计

标签系统软件主程序流程图如图3所示。在标签进入正式工作前先进行电源监管，一旦发生电压不够，马上进入掉电模式，当电压正常时，进入工作状态，同时不断检测信道状态，在信道空闲时发射数据。当接收到射频（RF）数据时，产生RF中断，处理接收数据。

为达到低功耗的要求，本次设计采用的是主动式标签，通过设置RTC定时，标签工作在掉电休眠的周期性唤醒状态。同时标签可配置四种工作模式：掉电模式、待机模式、接收模式、发射模式，通过配置CONFIG寄存器来切换[5]。通过定时休眠和工作模式的切换以及nRF24LE1芯片本身的特性，实现了低功耗，故纽扣电池供电即可。

空中速率通过寄存器RF_SETUP寄存器，可设定为250kbps，1Mbps或2Mbps。使用高速率可以获得较低平均电流，减少空中受干扰和碰撞的机会；使用较低速率可以获得更好的接收灵敏度。射频频道的频率由RF_CH寄存器的设置。为确保通信成功，接收方和发送方必须设定为同一速率和同一频道。

5.1 欠压保护子程序

采用关键技术中的电源监管技术，在软件上实现欠压保护，通过蜂鸣器报警。通过设置欠压比较寄存器POFCON，打开电源欠压比较器，并设置比较电压，如果供电电压低于设置值时，将发出欠压复位信号，电子标签进入欠压保护模式，蜂鸣器报警，然后进入掉电模式，其工作流程图如图4所示。

5.2 防碰撞子程序

为了避免信号之间的干扰而产生误码，增强信号的可靠性十分必要。这里采用载波监听和时隙ALOHA防碰撞算法的设计，完成了标签防碰撞的处理。防碰撞流程图如图5所示，当监听到信道忙时，随机数产生器会产生一个随机数，配合定时器产生一个随机退避时间，直到信道空闲时再发送信息。

5.3 RF中断处理子程序

在接收模式和发射模式下，允许RF中断。RF中断处理子程序是在检测到寄存器STATUS状态值时产生的。中断处理子程序流程图如图6所示。程序进入中断后，标签将接收到的数据存在数组rx_buf中，并清空接收缓存区FIFO的值。完成后退出中断。

六、结束语

本文对基于nRF24LE1射频芯片和RFX2401C功率扩展芯片的RFID有源标签的设计进行了详细的介绍，由于传统的基于nRF24LE1射频芯片设计的标签无法满足远距离传输，因此，本设计设计的结合了RFX2401C的功率扩展的特点，合理的利用nRF24LE1的电源监管、载波监听、随机数产生器、定时器等功能，并借助软件的设计，对耗能低的nRF24LE1的进行了最大化减小功耗。此外，这种RFID有源标签还在很大程度上解决了远距离、高速移动、抗干扰等问题。本RFID标签与配套的阅读器可以组成物品识别或人员定位系统，可广泛应用于物流运输、工业生产、采矿、车辆识别等众多领域[8]。