王超梁--RFID原理及应用实验指导书 - 图文

RFID原理及应用

实验指导书

王超梁、尤晓蕾主编

周鹏审校 郑州航院电子通信工程系

电子信息实验中心

2014年9月

目 录

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前 言 RFID基础知识………………………………..………3

实验一 UHF超高频实验 ............ ………………..……………5

实验二 HF高频实验 ....................................... ………………..19

实验三

实验四

实验五

实验六

实验七 LF低频实验 ................................................................. 30 有源标签实验 ............................................................... 32 IC卡点台灯 .................................................................. 34 IC卡门禁系统 ............................................................. 40 校园卡消费、充值 ..................................................... 46

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前 言

物联网定位技术实验主要用于引导学生对GPS全球移动定位系统的入门及应用，了解GPS移动定位的原理及过程。加强对GSM数字移动通信网的认识及理解运用。最后进行物联网定位技术综合运用实验从而实现GPS/GSM移动车载防盗反劫、定位追踪、调度管理等等综合智能型控制系统的理解认识。

1、 RFID基础知识

1.1 RFID简介

RFID(射频识别：radio frequency identification)是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预，作为条形码的无线版本，RFID技术具有条形码所不具备的防水、防磁、耐高温、使用寿命长、读取距离大、标签上数据可以加密、存储数据容量更大、存储信息更改自如等优点，其应用将给零售、物流等产业带来革命性变化。

RFID按应用频率的不同分为低频(LF)、高频(HF)、超高频(UHF)、微波(MW)，相对应的代表性频率分别为：低频135KHz以下、高频13.56MHz、超高频860M~960MHz、微波2.4GHz，5.8GHz。

RFID按照能源的供给方式分为无源RFID，有源RFID，以及半有源RFID。无源RFID读写距离近，价格低；有源RFID可以提供更远的读写距离，但是需要电池供电，成本要更高一些，适用于远距离读写的应用场合。

1.2 RFID工作原理

RFID（radio frequency identification）技术的基本工作原理并不复杂：标签进入磁场后，接收解读器发出的射频信号，凭借感应电流所

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获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息(Passive Tag，无源标签或被动标签)，或者主动发送某一频率的信号(Active Tag，有源标签或主动标签)；解读器读取信息并解码后，送至中央信息系统进行有关数据处理。

一套完整的RFID系统, 是由阅读器(Reader)与电子标签(TAG)也就是所谓的应答器(Transponder)及应用软件系统三个部份所组成, 其工作原理是Reader 发射一特定频率的无线电波能量给Transponder, 用以驱动 Transponder电路将内部的数据送出，此时 Reader 便依序接收解读数据, 送给应用程序做相应的处理。

以RFID 卡片阅读器及电子标签之间的通讯及能量感应方式来看大致上可以分成, 感应偶合(Inductive Coupling) 及后向散射偶合(Backscatter Coupling)两种, 一般低频的RFID大都采用第一种式, 而较高频大多采用第二种方式。

阅读器根据使用的结构和技术不同可以是读或读/写装置，是RFID系统信息控制和处理中心。阅读器通常由耦合模块、收发模块、控制模块和接口单元组成。阅读器和应答器之间一般采用半双工通信方式进行信息交换，同时阅读器通过耦合给无源应答器提供能量和时序。 在实际应用中，可进一步通过Ethernet或WLAN等实现对物体识别信息的采集、处理及远程传送等管理功能。应答器是RFID系统的信息载体，目前应答器大多是由耦合原件(线圈、微带天线等)和微芯片组成无源单元。

1.3 RFID应用

短距离射频识别产品不怕油渍、灰尘污染等恶劣的环境，可在这样的环境中替代条码，例如用在工厂的流水线上跟踪物体。

长距射频识别产品多用于交通上，识别距离可达几十米，如自动收费或识别车辆身份等。

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1．在零售业中，条形码技术的运用使得数以万计的商品种类、价格、产地、批次、货架、库存、销售等各环节被管理得井然有序。

2．采用车辆自动识别技术，使得路桥、停车场等收费场所避免了车辆排队通关现象，减少了时间浪费，从而极大地提高了交通运输效率及交通运输设施的通行能力。

3．在自动化的生产流水线上，整个产品生产流程的各个环节均被置于严密的监控和管理之下。

4．在粉尘、污染、寒冷、炎热等恶劣环境中，远距离射频识别技术的运用改善了卡车司机必须下车办理手续的不便。

5．在公交车的运行管理中，自动识别系统准确地记录着车辆在沿线各站点的到发站时刻，为车辆调度及全程运行管理提供实时可靠的信息。

6.在设备管理中，RFID自动识别系统可以将设备的具体位置做与RFID读取器做绑定，当设备移动出了指定读取器的位置时，记录其过程。

RFID电子标签的技术应用非常广泛，目前典型应用：移动支付、动物晶片、门禁控制、航空包裹识别、文档追踪管理、包裹追踪识别、畜牧业、后勤管理、移动商务、产品防伪、运动计时、票证管理、汽车晶片防盗器、停车场管制、生产线自动化、物料管理等等。

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实验一 UHF超高频实验

1、Gen2读、写标签号实验

一、实验目的

理解 UHF RFID 的工作原理，并掌握其与HF RFID 工作原理的异同点。掌握 EPC 标签号的存储区域以及结构特点。

二、实验器材

UHF 读卡器一个、UHF 天线一个、USB 连接线一条、9V 电源适配器一个、电脑一台、UHF实验上位机软件。

三、实验准备

1. 硬件连接：

1）、为UHF读卡器安装连接9V电源，关闭电源开关。

2）、打开UHF读卡器电源开关，确定右边D1-D4灯那一个亮起，关闭电源开关，把UHF天线与UHF读卡器亮灯那个天线接口连接起来。

3）、通过USB线把计算机与UHF读卡器连接起来。

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图、读卡器连接示意图

2. USB驱动安装

当选择 USB 与上位机通信是，电脑系统会提示安装 USB 驱动，打开驱动CDM20824_Setup.exe。

安装成功在设备描述中有一个串口端口，安装完成后在设备管理器中查看 COMxx 端口，（例如 COM8）如下图所示：

图：查看系统分配的串口号

四、上位机软件介绍

确保硬件连接正确，然后打开上位机软件 RFIDread.exe， COM口完成自动选择连接，如 下图。

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功能选择

EPC—EPC 命令实验窗口 Find tags---询卡窗口 天线参数设置 Frequence

? Main – 主频率 ? Aux -- 辅频率

Rx atten -- 接收灵敏度 Link -- 连接速率 Coding -- 编码方式

Antenna

ANT1~4 分别对应读卡器 4 个天线通道

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RF POWER

Auto power off – 功率发送自动关闭 Enable 手动设置功耗使能

五、实验过程

1、 按实验准备内容提示完成驱动安装、硬件连接，打开上位机软件。 2、读取标签 EPC 号

(1) 运用盘点命令读取标签 EPC 号把标签放在天线射频范围内，选择开始盘点（begin round）命令，点击执行（execute），读 出标签 EPC 号；

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（2) 运用读写数据块命令读标签 EPC 号： a) 先选取一张盘点到的 EPC 标签， b) 在命令窗口中选择读取（Read）命令，

c) 软件窗口内输入 EPC 号存储区，Bank Numeber 01、Block 1~7 。点执行（Execute）命令查看读出的数据

3、修改标签 EPC 号

a) 先选取一张盘点到的 EPC 标签； b) 在软件窗口内输入要修改的 EPC 号地址和数据，写入标签 EPC 号并记录相应数据； c) 重新盘点标签，查看修改后的 EPC 号并对比；

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2、 Gen2协议读写用户数据块实验实验

一、实验目的

本实验熟悉Gen2协议标签数据块的读取和写入过程。

二、实验器材

UHF 读卡器一个、UHF 天线一个、USB 连接线一条、9V 电源适配器一个、电脑一台、UHF实验上位机软件。

三、实验步骤

1、完成驱动安装、硬件连接，打开上位机软件。 2、读标签用户数据块

a) 先选取一张盘点到的 EPC 标签， b) 在命令窗口中选择读取（Read）命令，

c) 软件窗口内输入要读取的用户区地址和数量，点执行（Execute）命令，查看读出的数据

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3、写标签用户数据块

a) 先选取一张盘点到的 EPC 标签， b) 在命令窗口中选择写入（write）命令，

c) 软件窗口内输入要写入的用户区地址和数量，点执行（Execute）命令，查看读出的数据 并与修改之前做对比；

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3、 UHF标签综合应用实验

一、实验目的

通过综合应用实验使学生了解 UHF 的优点以及工程应用，并了解 UHF 应用开发的流程。 二、实验器材

UHF 读卡器一个、UHF 天线一个、USB 连接线一条、9V 电源适配器一个、电脑一台、UHF综合应用实验上位机软件。

三、实验过程

1）为 UHF 读卡器安装连接 9V 电源，关闭电源开关。

2） 打开 UHF 读卡器电源开关， 确定右边 D1-D4 灯那一个亮起， 关闭电源开关。 把UHF 天线与 UHF 读卡器亮灯那一个天线接口连接起来。

3）通过 USB 线把计算机与 UHF 读卡器连接起来。

4）打开读卡器电源开关。

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5）此时打开配置上位机软件 RFID 演示软件。

6)根据不同应用场景，点击图标进入不同实验界面。

图 门禁

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图 超市

图 物流

7）选择“系统设置”进行配置，在此可配置计算机与网关主板通信方式，端口设置。

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8）点击“开始寻卡”，然后根据不同应用场景在“卡片注册”或“实时演示”中开始 实验界面，如下图所示

图 门禁

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图 超市

图 物流

此时点击“开始读取”等待标签读取。

9)把 UHF 标签靠近 UHF 天线，网关主板液晶屏显示对应的标签地址。 RFID 演示软件上显示如下图所示。

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图 门禁

图 超市

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图 物流

此时，点击确认即可为每个标签注册一个物品。

10)根据不同标签在“实时演示”界面中进行实验，如下图所示。

如果是门禁，此时把标签靠近 UHF 读卡器，由于该标签上一步注册为 2 号门，因此，

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此时在 RFID 演示软件上可以看到，2 号门自动打开了，如上图所示。一段时间过后，2 号 门自动关闭，如下图所示。

如果是超市，此时把标签靠近 UHF 读卡器（注意打开 RFID 演示软件右上角的“开始 读取”） ，由于该标签上一步注册为红酒，因此，此时在 RFID 演示软件上可以看到，成 功扫描一瓶红酒。再把该标签靠近 HF 读卡器一次，即显示成功扫描了 2 瓶红酒，如下图 所示，这成功演示了一个超市商品管理系统，点击“确认购买”即完成产品出库销售。

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11)完成门禁开关，超市商品管理，物流管理中物品进出库的实时演示后，我们可以通 过历史查询来了解以前的操作，如下图所示。

图 门禁

图 超市

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图 物流

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实验二 HF高频实验

1、读写器原理

一 实验目的

了解RFID读写器的原理，理解非接触式无源RFID卡的双向数据通信过程。通过本实验了解RFID读写器的系统结构、工作原理、读写过程。 二 实验设备

硬件：

PC机（一台，Windows操作系统） RFID读写器及无源RFID读写卡

图 0-1 RFID读写器及无源RFID读写卡

软件：VB读写程序 三 实验预备

RFID技术是一种非接触的自动识别技术，通过无线射频的方式进行非接触双向数据通信，对目标加以识别并获取相关数据。RFID系统通常主要由电子标签、读写器、天线3部分组成。读写器对电子标签进行操作，并将所获得的电子标签信息反馈给PC机。射频识别技术以其独特的优势，逐渐被广泛应用于生产、物流、交通运输、防伪、跟踪及军事等方面。按工作频段不同，RFID系统可以分为低频、高频、超高频和微波等几类。

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目前，大多数RFID系统为低频和高频系统，但超高频频段的RFID系统具有操作距离远，通信速度快，成本低，尺寸小等优点，更适合未来物流、供应链领域的应用。尽管目前，RFID超高频技术的发展已比较成熟，也已经有了一些标准，标签的价格也有所下降；但RFID超高频读写器却有变得更大，更复杂和更昂贵的趋势，其消耗能量将更多，制造元件达数百个之多。

读写器的内部结构框图

与主机的通讯接口与主机的通讯接口MCU电源振荡器 图 0-2 读写器内部结构图

HF读写模块天线四 实验步骤

打开C:\\Users\\abc\\Desktop\\我的文件\\RFID读写器模块\\M1 USB读写器开发包\\VB\\M1_VB.exe。

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图 0-3 VB读写程序

RF RESET： 当使用环境不好，可能引起RF模块不能正常工作，用

来复位RF模块，复位后天线是关闭状态。

RF ON/OFF：开关天线。当要操作卡时先打开天线，不操作时可关闭

以省电。

Halt：演示卡片Halt功能，当操作一张卡片后可用Halt功能停止操作。 LED ON/OFF：操作LED，LED ON时绿色，LED OFF时红色 SPK ON/OFF：操作SPK，SPK ON时响，SPK OFF时关 机器EEPROM操作：

图 0-4机器EEPROM操作

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EEPROM 有1K字节分成16个区每区又分成4段每一段中有16个字节每个区的最后一个段叫尾部,它包括两个密钥和这个区中每一个段的访问条件可编程。

机器只读EEPROM有1块，每块16字节，编号0

机器可读写操作的EEPROM有7块，每块16字节，编号1~7 机器只写EERPM用于保存密钥，共可32组密钥，编号0~31，操作卡片时可选择用机器里的密钥来认证

保存在机器EEPROM里的数据,掉电不丢失。

2、电子标签的数据存储

一 实验目的

了解无源RFID标签的数据存储方式，以及数据存储结构。通过本实验了解到无源RFID卡的结构、数据存储以及RFID读写器的数据交换。 二 实验设备 硬件：

PC机（一台，Windows操作系统） RFID读写器及无源RFID读写卡

图 0-5 RFID读写器及无源RFID读写卡

软件：VB读写程序

三 实验预备

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无源RFID标签本身不带电池，依靠读卡器发送的电磁能量工作。由于它结构简单、经济实用，因而获得广泛的应用。无源RFID标签由RFID IC、谐振电容C和天线L组成，天线与电容组成谐振回路，调谐在读卡器的载波频率，以获得最佳性能。 生产厂商大多遵循国际电信联盟的规范，RFID使用的频率有6种，分别为135KHz、13.56MHz、43.3-92MHz、860-930MHz(即UHF)、2.45GHz以及5.8GHz。无源RFID主要使用前二种频率。本卡使用的是13.56MHz。 1、RFID无源标签的内部结构

图 0-6 RFID无源标签内部结构

外接两个电感和一个电容，相应的谐振频率为： F（谐调）=1/2p F(去谐调）=1/2p

LT=L1+L2+Lm 其中Lm是互感系数K，K是两个电感间的耦合系数（0≤k≤1)。

图 0-7 RFID无源标签外接电路

外接1个电感和2个电容，相应的谐振频率为：

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F（谐调）=1/2p F(去谐调）=1/2p CT=C1C2/C1+C2

无源 RFID标签由RFID IC、谐振电容C 、天线L组成，天线与电容组成谐振回路，调谐在读卡器的载波频率，以获得最佳性能。 （1）天线

RFID标签天线有两种天线形式，①线绕电感天线；②在介质底板上压印或印刷刻腐的盘旋状天线。天线形式由载波频率，标签封装形式，性能和组装成本等因素决定。 （2）RFID IC

RFID IC内部具备一个154位的存储器，用以存储标签数据，IC内

部还有一个通道电阻极低的COMS调制门控管，以一定的频率工作，读写器向M1 卡发一组固定频率的电磁波，卡片内有一个LC 串联谐振电路，其频率与读写器发射的频率相同，在电磁波的激励下，LC 谐振电路产生共振，从而使电容内有了电荷，在这个电容的另一端，接有一个单向导通的电子泵，将电容内的电荷送到另一个电容内储存，当所积累的电荷达到2V 时，此电容可做为电源为其它电路提供工作电压，将卡内数据发射出去或接取读写器的数据。 四 实验步骤

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图 0-8 VB读写程序

Block：Block，卡片绝对块号（扇区号*4+块号），16个扇区，每个扇区由4块,则有64块，编号0——63，可以对着64块有不同读写操作。

3、基于符合ISO14443 TYPEA协议的M1卡认证及读写数据

一 实验目的

在实验一、二的前提下，本实验主要学习对M1卡的操作，数据的读写，加深对RFID卡的使用。 二 实验设备

硬件：

PC机（一台，Windows操作系统） RFID读写器及无源RFID读写卡

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图 9.4-0-9 RFID读写器及无源RFID读写卡

软件：VB读写程序 三 实验步骤

图 9.4-0-10 VB读写程序

Idle/All, 选择操作在IDLE状态的卡，或是所有状态卡

KeyA/KeyB，选择操作密钥类型

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LL/HL，选择操作是仅做这个操作(低级)，还是连这个操作之前的操作一起做(高级)

BK/EK，选择密钥是用文本筐输入的还是用机器EEPROM的 Block，卡片绝对块号（扇区号*4+块号） BK，文本筐密钥

EK，机器EEPROM密钥编号

Data Or Value，用来写卡，初始化，减值，加值输入数据，输入完一字

节数据时后带空格再输入下一字节数据

Card Number，读取卡号 Read，读取卡块内容 Ｗrite，写入卡块内容 InitValue，初始化卡块值 DecValue，减值 IncValue，加值 关于修改密钥：

卡片每个扇区的BLOCK 3用于保存密钥，请看卡芯片资料

如需修改密钥，需要先读出该扇区BLOCK 3的内容，再把想要修改的密钥填入，再写卡 例如：

读出来1扇区BLOCK3（也就是总的BLOCK7）的内容是： 00 00 00 00 00 00 FF 07 80 69 FF FF FF FF FF FF 要修改KEYA=11 22 33 44 55 66 那么写入BLOCK7的内容就是

11 22 33 44 55 66 FF 07 80 69 FF FF FF FF FF FF 相应的操作如下图所示：

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图 9.4-0-11 VB读写程序对卡操作

对其他块的操作类似，只需要选着相应的块号即可。

4、多卡防碰撞实验

一 实验目的

在实验1、2、3的前提下，本实验学习了解RFID多卡防碰撞的原理，以及防碰撞的算法。 二 实验设备 硬件：

PC机（一台，Windows操作系统） RFID读写器及无源RFID读写卡

图 9.5-0-12 RFID读写器及无源RFID读写卡

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软件：VC6.0、VB读写程序 三 实验步骤

打开VC6.0里面Demo.dsw文件，如下图所示。

图 9.5-2 VC6.0 Demo程序

点击编译后没有错误

图 9.5-3 VC6.0 Demo编译结果

再点击运行如下图所示

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图 9.5-4 VC6.0 Demo操作界面

选着14443A_MF界面，将两张卡同时放到RFID读写器的读写范围内，且距离相同，开始读卡。

图 9.5-5 VC6.0 Demo操作界面

则将先后读出卡1和卡2的卡号和内容。如下图所示：

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图 9.5-6 VC6.0 Demo读卡操作

四 小结

了解RFID系统碰撞的原因，学习防碰撞的原理，以及防碰撞的算法。

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实验三 LF低频实验

1、 低频读写器的基本认知

一、实验目的

了解低频读写器的基本原理，学会如何使用低频读写器。 二、实验器材

1. RFID实验箱 2. 计算机一台 3. 低频标签一张 三、实验内容

利用低频读写器读取标签的信息。 四、实验步骤

1. 打开RFID实验箱，连接好实验箱和电脑，启动电源。 2. 打开读写器后台控制软件，选择低频模块，如图1-1示:

图1-1

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3. 选择低频模块对应的串口（弹出的显示值即对应串口），这里为

com7,如图1-2示:

图1-2

4. 将标签放置在低频读写器的天线上，点击start scan，移动标签

位置，观察读取情况。如图1-3示:

图1-3

五、实验结果

记录实验步骤4的实验结果。

2、 低频读写器编程实验

一、实验目的

本实验的目的是学习和掌握在低频读写器的编程操作，对标签进行读操作，了解低频读写器的工作机理，并完成一个示例程序。 二、实验器材

1. RFID试验箱 2. USB传输线1根 3. 低频标签3张 4. 计算机1台

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三、主要函数

参见低频示例程序 四、实验要求

1. 编写程序打开串口，建立连接，读取标签信息。

2. 将标签移进移出低频模块天线，能够记录标签读取的次数。

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实验四 有源标签实验

一 实验目的

在点对点通信实验的基础上，加强无线通信点到点连接和无线距离覆盖的概念，通过实验测试，了解不同的传播环境（室内直视，室内穿墙，室外直视，室外绕射），不同的传播距离，从而实现无线定位。基本了解 EEE 802.15.4 无线通信标准，加强 PHY、MAC、RSSI等概念的理解；熟悉相关寄存器定义和设置。为zigbee组网实现和参数修改打下基础。 二 实验设备

硬件：PC 机（一台）

CC2530液晶开发套件（2个）；

图 0-1 CC2530液晶开发套件

CC debugger仿真器（1个） 有源标签（1个）

图 0-2 有源标签

软件：IAR Embedded Workbench for MCS-51开发环境 三 实验内容

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采用液晶开发底板，编译并下载经过修改为接收状态的工程文件，然后给有源标签加上电池，通过无线的方式，液晶上通过小灯的亮灭来表示是否接收到数据包，如果接收到数据包，液晶开发板就读取 CC2530 寄存器 RSSI的值并在液晶屏上显示。 四 实验步骤

1） 启动 IAR，打开工作区文件：“CC2530模块\\无线传感网演示例程\\01.无线基础通信\\有源标签_腕带

\\IDE\\Avtive_Tag\\srf05_cc2530\\Iar\\ActiveTag.eww”；

2） 将一个带液晶的CC2530开发无线节点，连接 CC Debugger，连接电源，连接好后，打开电源开关（背板电池供电）。CC DEBUGGER 连接到网关底板如下图所示；

图 0-3 无线节点与仿真器连接图

3） 打开ActiveTag.c，将CHOOSE_FLAG改为1，点击Project→Rebuild All，编译程序并生成可执行文件，然后点击 Project→Debug 将程序下载到带液晶的CC2530无线节点。点击上的电源开关并拔掉 CC Debugger；

4） 给有源标签加上电源，有源标签上电后，指示灯会一亮一灭，标示着正在发送数据包。

5） 带液晶的节点指示灯闪烁就代表能够接收到数据包，其运行结果如下

然后退出调试状态，关闭模块

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/8aug.html