手持式RFID讀寫器的低功耗設(shè)計(jì)與測(cè)試

　　0 引言

　　射頻識(shí)別RFID（Radio Frequency Identification）技術(shù)是利用無線射頻方式進(jìn)行非接觸式雙向通信，以達(dá)到識(shí)別目標(biāo)和交換數(shù)據(jù)的目的，實(shí)現(xiàn)對(duì)各種對(duì)象在不同狀態(tài)下的自動(dòng)識(shí)別和管理的一種技術(shù)。目前廣泛應(yīng)用于身份識(shí)別、門禁管理、防偽、商業(yè)供應(yīng)鏈、公共交通管理、物流管理、生產(chǎn)線的自動(dòng)化及過程控制、動(dòng)物的跟蹤及管理、容器識(shí)別等領(lǐng)域。射頻識(shí)別讀寫器根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合可分為固定式讀寫器和手持式讀寫器等，其中手持式讀寫器具有比較大的靈活性，適用于不宜安裝固定式RFID 系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境。

　　作為一種便攜式設(shè)備，手持式RFID 讀寫器一般采用可充電的電池來進(jìn)行供電，因此，采用先進(jìn)技術(shù)改進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，降低功耗以提高其使用時(shí)間，是手持式讀寫器設(shè)計(jì)中需要重點(diǎn)研究解決的問題。本文主要介紹手持式RFID 讀寫器的低功耗設(shè)計(jì)方法，并通過測(cè)試軟件對(duì)所設(shè)計(jì)的讀寫器進(jìn)行功耗測(cè)試。

　　1 系統(tǒng)硬件組成及工作原理

　　為滿足不同領(lǐng)域的應(yīng)用需求及二次開發(fā)設(shè)計(jì)需要實(shí)現(xiàn)各種功能的要求，手持式RFID 讀寫器主要由主控制模塊、RF 收發(fā)模塊、顯示模塊、實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊、擴(kuò)展存儲(chǔ)模塊、USB 接口模塊、串行通信接口模塊、以太網(wǎng)絡(luò)接口模塊、鍵盤模塊及電源系統(tǒng)等組成，其硬件組成結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。手持式RFID 讀寫器通常由操作人員手持設(shè)備在某一區(qū)域內(nèi)完成對(duì)射頻標(biāo)簽相關(guān)信息的采集及顯示，并將相應(yīng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于讀寫器的存儲(chǔ)器中，待與計(jì)算機(jī)連接后通過串行通信接口或USB 接口傳送到本地計(jì)算機(jī)，也可通過網(wǎng)絡(luò)接口傳送到遠(yuǎn)程的網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)，以便計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理及應(yīng)用。為便于針對(duì)具體應(yīng)用場(chǎng)合與應(yīng)用系統(tǒng)計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的需要，還提供了各種備選的通信接口，如USB 接口、RS232 接口、以太網(wǎng)絡(luò)接口等，二次開發(fā)時(shí)可根據(jù)需要適當(dāng)選擇是否保留。同時(shí)，為使手持式RFID 讀寫器能滿足不同場(chǎng)合的供電需要，電源系統(tǒng)采用了USB 電源、AC 電源以及電池供電相結(jié)合的模式，以便為RFID 系統(tǒng)進(jìn)行工作供電或電池充電。

　　圖1 RFID 讀寫器的組成結(jié)構(gòu)圖

　　2 系統(tǒng)硬件低功耗設(shè)計(jì)

　　在單片機(jī)系統(tǒng)中，系統(tǒng)的功耗由靜態(tài)功耗s P 和動(dòng)態(tài)功耗d P 組成，如式（1）、（2）所示。

　　式中， DD U 為工作電源電壓， DD I 為靜態(tài)時(shí)由電源流向電路內(nèi)部的電流， TC I 為脈沖電流的時(shí)間平均值， T C 為芯片的負(fù)載電容， f 為工作頻率。

　　由式（1）（2）可知,對(duì)系統(tǒng)的功耗影響最大是工作電源電壓,其次是工作頻率,再就是負(fù)載電容。對(duì)設(shè)計(jì)人員而言，負(fù)載電容一般是不可控的，故在不影響系統(tǒng)性能的前提下，系統(tǒng)低功耗設(shè)計(jì)主要是盡可能選擇低工作電壓的器件，并在電路設(shè)計(jì)中使用低頻率的時(shí)鐘。

　　為了盡量減少系統(tǒng)的功耗，在手持式RFID 讀寫器的硬件設(shè)計(jì)中盡量采用低功耗器件，并根據(jù)不同工作狀態(tài)對(duì)系統(tǒng)的工作時(shí)鐘頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)。其中主控制器選用了高性能、超低功耗的MSP430F149 單片機(jī)，工作電壓為1.8～3.6V，可提供了6 種工作模式，即活動(dòng)模式（AM）和低功耗模式0-4(LPM0-4)，能不同程度的減少芯片內(nèi)部以及外部模塊的功耗。相應(yīng)接口模塊也分別選用電壓工作為3.3V 以下的器件，如RF 收發(fā)模塊選用FM1702SL 射頻卡讀寫芯片，擴(kuò)展存儲(chǔ)模塊選用AT45DB161B 串行FLASH 存儲(chǔ)器，顯示模塊及驅(qū)動(dòng)芯片選用P13501 顯示模塊（含內(nèi)置驅(qū)動(dòng)芯片SSD1303）， USB 接口選用IPS1582，串行通信接口選用MAX3232、網(wǎng)絡(luò)接口模塊選用ENC28J60 等。