采用MCP2030無線激活的低功耗系統(tǒng)設(shè)計

首先闡明電源受限嵌入式系統(tǒng)的定位休眠激活方案的基本工作原理；然后介紹MCP2030的三方向磁場檢測接收、低功耗以及多種節(jié)能工作模式的顯著特點(diǎn)；最后以有源射頻標(biāo)簽為例介紹了具體的軟硬件設(shè)計和應(yīng)用實現(xiàn)。

關(guān)鍵詞 休眠激活 無線定位 MCP2030 低功耗系統(tǒng)

引言

　　進(jìn)入21世紀(jì)之后，隨著社會信息化的不斷普及與發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用越來越廣泛。其中自備電源嵌入式系統(tǒng)由于受功耗的限制，其設(shè)計與應(yīng)用一直受到制約。一般來說，正常工作的嵌入式系統(tǒng)電流消耗在mA級，而處于休眠狀態(tài)下可以控制在μA級左右，3個數(shù)量級的能源節(jié)約對于有限的自備電源無疑具有極大的誘惑，所以這類系統(tǒng)基本上都要采用休眠激活的方案以實現(xiàn)節(jié)能，達(dá)到延長工作壽命的目的。

　　目前可供采用的休眠激活方案主要有3種：事件激活法、定時激活法和定位激活法。事件激活法主要應(yīng)用于檢測告警等場合，系統(tǒng)一般處于休眠模式，如果特定參數(shù)超限就會激發(fā)系統(tǒng)工作，這種方法一般要與相應(yīng)的傳感器配合實現(xiàn)，微處理器中也要占用相應(yīng)的中斷資源；定時激活法主要應(yīng)用于周期工作的系統(tǒng)（如小區(qū)三表數(shù)據(jù)的采集）中，系統(tǒng)按照定時器設(shè)定的時間間隔定期上報采集數(shù)據(jù)，這種激活法的實現(xiàn)也非常方便，只需在相應(yīng)的微處理器中添加定時器的中斷處理程序；定位激活法主要應(yīng)用于對位置敏感的系統(tǒng)（如貴重資產(chǎn)管理和停車場的自動道閘等）中，該系統(tǒng)在特定位置安裝檢測設(shè)備，如果有監(jiān)管人員或設(shè)備離開或進(jìn)入這些特定領(lǐng)域?qū)ぐl(fā)系統(tǒng)工作。定位激活法的實現(xiàn)有多種，本文主要介紹利用無線信號進(jìn)行定位激活的一種實現(xiàn)方法。

1 基本原理

　　無線信號頻譜中LF頻段信號具有穿透能力強(qiáng)的特點(diǎn)，它可以穿透非磁性介質(zhì)，如水、混凝土、塑料等（不受視線距離限制），所以利用LF頻段設(shè)計激活電路是一種較好方案。無線信號頻率與波長存在反比例關(guān)系，天線長度取決于波長長度。500 MHz RF信號的波長為60 cm，天線很短，完全可以方便地實現(xiàn)；而125 kHz LF信號的波長為2.4 km，做這樣的天線肯定不實際。所以利用LF頻段信號作為激活信號，接收端不再采用電磁場（radio）原理進(jìn)行工作，而是直接通過接收磁場（magnetic）信號，然后利用磁場在線圈中的感應(yīng)信號進(jìn)行判斷處理，如圖1所示。該系統(tǒng)主要由磁場發(fā)射端和接收端兩種設(shè)備組成。

圖1 磁場工作原理

　　MCP2030是Microchip公司開發(fā)的專門針對低頻無線磁場通信的模擬前端器件。該器件集成有8個可編程配置寄存器和1個只讀狀態(tài)寄存器，根據(jù)寄存器配置，MCP2030可以輸出解調(diào)數(shù)據(jù)、載波時鐘和磁場強(qiáng)度RSSI。該器件模擬接收電路具有較強(qiáng)的靈敏度，可以接收識別1 mVpp信號并解調(diào)8%的微弱調(diào)制信號。為了得到可靠的磁場信號，MCP2030采用了3組天線和3組接收解調(diào)電路。3組天線分別指向互相垂直的X、Y、Z軸，這樣無論接收器如何放置，總可以得到磁場信號，從而解決了磁場信號的方向性問題。其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 MCP2030結(jié)構(gòu)框圖

圖3 MCP2030有輸出的情況

　　MCP2030集成了無線信號數(shù)字序列濾波部件，可以根據(jù)需要設(shè)定數(shù)字序列，器件只有當(dāng)接收到特定數(shù)字序列時才做出響應(yīng)，所以可有效避免其他信號干擾所引起的激活現(xiàn)象。圖3所示為無線數(shù)字序列符合設(shè)定數(shù)字序列的情況，特定的數(shù)字序列為“2 ms有2 ms無”載波信號，此時LFDATA在監(jiān)測到特定序列之后輸出的ASK調(diào)制信號，如果無線數(shù)字序列不符合設(shè)定數(shù)字序列，LFDATA無輸出。

　　MCP2030具有功耗極低的顯著優(yōu)勢，為便于在自備電源的嵌入式系統(tǒng)中應(yīng)用，專門設(shè)計優(yōu)化了3種工作模式，即休眠模式、待機(jī)模式和工作模式。休眠模式由SPI 接口命令進(jìn)行控制，進(jìn)入休眠之后，除寄存器、存儲器和SPI功能電路之外，包括RF限幅器在內(nèi)的所有電路都將關(guān)閉，以使消耗的電流最低（0.2 μA），需要用上電復(fù)位以及除休眠命令外的任何其他SPI命令將器件從休眠模式喚醒；當(dāng)天線輸入沒有LF信號時，器件將自動處于待機(jī)模式，但器件內(nèi)部各部分電路已上電并準(zhǔn)備接收輸入信號，待機(jī)模式下電流消耗的典型值為4 μA（3個接收天線工作）；當(dāng)在LF天線輸入上有LF信號且內(nèi)部電路隨接收的數(shù)據(jù)而進(jìn)行切換時，器件處于低電流工作模式，該模式下電流消耗僅為13 μA。

　　除此之外，該器件還支持半電源和無電源工作模式。無電源工作方式下，器件完全從磁場中提取能量進(jìn)行工作；在半電源工作方式下，器件盡可能從磁場獲取能量，不得已情況下由電源供電。

2 設(shè)計應(yīng)用

　　有源射頻標(biāo)簽是射頻識別系統(tǒng)中的重要組成部分，相比而言具有存儲容量大、通信距離遠(yuǎn)、功能豐富的優(yōu)勢，可以廣泛應(yīng)用于物流跟蹤、貴重資產(chǎn)管理等領(lǐng)域。其內(nèi)部電路主要部件有：控制器、激活信號檢測電路、RAM/ROM、定時器、UHF收發(fā)器、電源等。其中，激活信號檢測電路可以由MCP2030進(jìn)行實現(xiàn)，如圖4所示。利用MCP2030針對設(shè)定數(shù)字序列進(jìn)行識別接收的能力，可以有效地控制標(biāo)簽的工作狀態(tài)。當(dāng)標(biāo)簽到達(dá)安裝有射頻激活發(fā)射器的特定位置時，MCP2030從SPI接口上輸出相應(yīng)的接收信號，使得控制器退出休眠狀態(tài)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行接收、分析和處理，最終存儲在RAM/ROM相應(yīng)的位置中。當(dāng)需要與讀寫器進(jìn)行信息交互時，控制器通過UHF收發(fā)器進(jìn)行通信，控制器處理完之后自動進(jìn)入休眠狀態(tài)，直到下一次接收到磁場激活信號或定時器產(chǎn)生定時中斷。

圖4 激活信號檢測電路

　　如圖4所示，MCP2030與控制器通過SPI接口進(jìn)行連接，SPI接口定義分別為LFDATA、SCCLK、MCCS。該接口命令由16位的控制字組成，命令格式如下：

　　D13～D15為命令類型，MCP2030根據(jù)命令類型確定后續(xù)的數(shù)據(jù)含義并執(zhí)行相應(yīng)的操作。其中，0x07為寫數(shù)據(jù)命令，0x06為讀數(shù)據(jù)命令。如果是寫數(shù)據(jù)或讀數(shù)據(jù)命令，則后續(xù)D9～D12為寄存器地址，分別指定該命令所要操作的寄存器地址，D1～D8為寄存器數(shù)據(jù)內(nèi)容，D0為該命令行校驗信息；如果不是寫數(shù)據(jù)或讀數(shù)據(jù)命令，則D0～D12的數(shù)據(jù)內(nèi)容無意義。

　　為使MCP2030正常工作，系統(tǒng)上電復(fù)位時要對該器件進(jìn)行正確的初始化配置。在此設(shè)定無線信號數(shù)字濾波序列為2 ms有2 ms無，使能通道自動選擇功能和解調(diào)信號輸出功能，初始化程序段如下：

void Init_MCP2030(void) {
　　ShiftOutSpi(0xe1,0x41);//reg0 111 0000 1010 0000 1
　　ShiftOutSpi(0xe2,0x01);//reg1 111 0001 0000 0000 1
　　ShiftOutSpi(0xe4,0x01);//reg2 111 0010 0000 0000 1
　　ShiftOutSpi(0xe6,0x01);//reg3 111 0011 0000 0000 1
　　ShiftOutSpi(0xe8,0x01);//reg4 111 0100 0000 0000 1
　　ShiftOutSpi(0xeb,0x81);//reg5 111 0101 1100 0000 1
　　ShiftOutSpi(0xed,0x3f);//reg6 111 0110 1001 1111 1
}

　　控制器向MCP2030發(fā)送數(shù)據(jù)的程序?qū)崿F(xiàn)如下：

//數(shù)據(jù)預(yù)先存儲在OutData1和OutData2中
void ShiftOutSpi(unsigned char OutData1,unsigned char OutData2) {
　　unsigned char i;
　　SCCLK=0;
　　MCCS=0;
　　for(i=0;i8;i++) {
　　　　LFDATA=OutData1 0x80;
　　　　OutData1=OutData1?1;
　　　　SCCLK=1;
　　　　SCCLK=0;
　　}
　　for(i=0;i8;i++) {
　　　　LFDATA=OutData2 0x80;
　　　　OutData2=OutData2?1;
　　　　SCCLK=1;
　　　　SCCLK=0;
　　}
　　MCCS=1;
}

　　控制器從MCP2030接收數(shù)據(jù)的程序段如下：

//數(shù)據(jù)存儲在AFESpiInDataH和AFESpiInDataL中
void ShiftInSpi(void) {
　　unsigned char i;
　　SCCLK=0;
　　MCCS=0;
　　for(i=0;i8;i++) {
　　　　SCCLK=1;