基于低頻喚醒技術(shù)的半主動(dòng)式電子標(biāo)簽設(shè)計(jì)

摘要：文中介紹了半主動(dòng)式電子標(biāo)簽硬件和軟件的設(shè)計(jì)方案，應(yīng)用AS3933低頻喚醒接收芯片實(shí)現(xiàn)了電子標(biāo)簽低頻喚醒接收功能。針對(duì)低頻喚醒接收模塊，計(jì)算和討論了其并聯(lián)諧振電路相關(guān)的參數(shù)，并給出了電路和程序設(shè)計(jì)的方案。應(yīng)用低頻喚醒技術(shù)的半主動(dòng)式電子標(biāo)簽可靠的低頻通信距離可達(dá)3m以上，同時(shí)低頻喚醒技術(shù)顯著降低了電子標(biāo)簽的運(yùn)行功耗。
關(guān)鍵詞：半主動(dòng)式電子標(biāo)簽；低頻喚醒接收；并聯(lián)諧振；AS3933

半主動(dòng)式電子標(biāo)簽(Semi-active Tag)，是一種使用電源供電的RFID電子標(biāo)簽。當(dāng)被閱讀器信號(hào)喚醒后，半主動(dòng)式電子標(biāo)簽可作為一個(gè)收發(fā)器和閱讀器進(jìn)行通信，與主動(dòng)電子標(biāo)簽(Active Tag)相比具有更低的功耗，與被動(dòng)電子標(biāo)簽(Passive Tag)相比具有更遠(yuǎn)的通信距離，所以半主動(dòng)式電子標(biāo)簽被廣泛應(yīng)用于智能交通、門(mén)禁系統(tǒng)、TPMS及集裝箱安全運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域。目前半主動(dòng)式電子標(biāo)簽主要有兩種射頻低功耗處理方案：定時(shí)喚醒機(jī)制和低頻喚醒機(jī)制。定時(shí)喚醒機(jī)制實(shí)現(xiàn)原理為：通過(guò)設(shè)定控制器的定時(shí)器，定時(shí)喚醒MCU控制射頻芯片向外發(fā)送電子標(biāo)簽狀態(tài)信息。定時(shí)喚醒弊端很大，一般用于低功耗要求不是特別嚴(yán)格的場(chǎng)合。低頻喚醒則是通過(guò)低頻信號(hào)在一定距離和范圍內(nèi)激活處于休眠狀態(tài)的電子標(biāo)簽，使其開(kāi)始工作，低頻喚醒可以大大降低系統(tǒng)的功耗。本設(shè)計(jì)采用了低頻喚醒技術(shù)作為低功耗解決方案。

1 工作原理
半主動(dòng)式電子標(biāo)簽應(yīng)答系統(tǒng)主要包括閱讀器、半主動(dòng)式電子標(biāo)簽和上位機(jī)。電子標(biāo)簽平時(shí)處于休眠狀態(tài)，當(dāng)接收到閱讀器喚醒指令后，接收來(lái)自閱讀器的操作指令，并上傳狀態(tài)信息。閱讀器通過(guò)串口與上位機(jī)連接，用于保存電子標(biāo)簽的狀態(tài)信息，以供用戶(hù)查詢(xún)。
為實(shí)現(xiàn)低功耗及遠(yuǎn)距離的可靠通信，半主動(dòng)式電子標(biāo)簽采用雙頻通信方案。低頻方案采用了低頻接收模塊，低頻喚醒模式通信頻率選定為125 kHz。當(dāng)電子標(biāo)簽被低頻喚醒并通過(guò)了低頻數(shù)據(jù)配對(duì)后，采用另一種更遠(yuǎn)更可靠的高頻率通信方式，高頻通信方案采用的是ISM頻段的2．4 GHz通信頻率。

2 硬件設(shè)計(jì)
半主動(dòng)式電子標(biāo)簽硬件電路的設(shè)計(jì)可分為七個(gè)模塊：控制模塊、高頻收發(fā)模塊、低頻喚醒接收模塊、電源模塊、存儲(chǔ)模塊、C2仿真調(diào)試接口及LED指示模塊，如圖1所示。

2．1 控制模塊
綜合考慮電子標(biāo)簽的成本、低功耗要求以及可靠性等因素，控制芯片采用Silicon Labs公司的C8051F410單片機(jī)。C8051F410是一款8位的CIP-51內(nèi)核、低功耗混合信號(hào)片上型MCU，具有以下主要特點(diǎn)：內(nèi)部資源豐富，包括：6個(gè)可捕捉／比較模塊及帶看門(mén)狗功能的PCA、硬件CRC、32 kB的片內(nèi)Flash和2304字節(jié)的片內(nèi)RAM等；接口豐富，包括SMBus／I2C、SPI接口和UART接口，可以方便擴(kuò)展外部接口；另外，具有活動(dòng)、空閑、掛起、停機(jī)4種工作模式。通過(guò)這4種工作方式的切換可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的低功耗設(shè)計(jì)。
2．2 高頻收發(fā)模塊
電子標(biāo)簽高頻部分主要實(shí)現(xiàn)高頻通信的數(shù)據(jù)收發(fā)，在此選用奧地利微電子的AS3940高頻收發(fā)芯片。AS3940是一款低功耗FSK調(diào)制的2．4 GHz射頻收發(fā)芯片，射頻收發(fā)器具有可編程的數(shù)據(jù)傳輸率，最高可達(dá)2 Mbit／s，工作頻率范圍為2 405～2 480 MHz ISM頻段，并集成了定時(shí)器和連接管理器，允許各種低功耗操作模式，掉電模式下功耗僅為1．5 μA，非常適合低功耗設(shè)計(jì)。高頻收發(fā)模塊包括高頻收發(fā)芯片AS3940、LDB212G4020對(duì)稱(chēng)變換器、低通濾波器LFL152、16 MHz的晶振、外圍匹配電路及50 Ω的PCB天線，如圖2所示。AS3940與MCU的SPI管腳連接，通過(guò)SPI進(jìn)行配置。