基于單片機(jī)的低功耗主動(dòng)式RFID標(biāo)簽設(shè)計(jì)

引言

　　射頻識(shí)別（RFID）技術(shù)近年來(lái)在國(guó)內(nèi)外得到了迅速發(fā)展。對(duì)于需要電池供電的便攜式系統(tǒng)，功耗也越來(lái)越受到人們的重視。本文將具體闡述基于MSP430F2012和CC1100低功耗設(shè)計(jì)理念的雙向主動(dòng)式標(biāo)簽的軟硬件實(shí)現(xiàn)方法。

低功耗設(shè)計(jì)

　　低功耗概述

　　功耗基本定義為能量消耗的速率，可分為瞬態(tài)功耗和平均功耗兩類。兩者意義不同，有不同的應(yīng)用背景和優(yōu)化策略，通常被籠統(tǒng)地概括為低功耗設(shè)計(jì)。實(shí)際研究中可根據(jù)不同情況區(qū)分為：

　　(1)瞬態(tài)功耗優(yōu)化：目標(biāo)是降低峰值功耗，解決電路可靠性問題。

　　(2)平均功耗優(yōu)化：目標(biāo)是降低給定時(shí)間內(nèi)的能量消耗，主要針對(duì)電池供電的便攜電子設(shè)備，以延長(zhǎng)電池壽命或減輕設(shè)備重量。

　　功耗的物理來(lái)源

　　芯片電路的功耗主要來(lái)自兩方面：動(dòng)態(tài)功耗和靜態(tài)功耗。動(dòng)態(tài)功耗主要是電容的充放電和短路電流。靜態(tài)功耗主要是漏電流，包括PN結(jié)反向電流和亞閾值電流，以及穿透電流。如果工作時(shí)序及軟件算法設(shè)計(jì)有缺陷，會(huì)降低系統(tǒng)工作效率、延長(zhǎng)工作時(shí)間，也會(huì)直接增加系統(tǒng)能量的消耗。

　　低功耗設(shè)計(jì)策略

　　算法級(jí)功耗優(yōu)化：在電路設(shè)計(jì)的開始，就要進(jìn)行算法的選擇，應(yīng)該盡量選擇功耗效率高的算法。首先，從實(shí)現(xiàn)算法所需邏輯的大小來(lái)看，算法中操作的數(shù)目、所需要的帶寬、存儲(chǔ)操作、端口操作越少，此算法應(yīng)用到的電路功耗越低。在實(shí)際的設(shè)計(jì)中，需要按照應(yīng)用的要求進(jìn)行總體性能和功耗的均衡。同時(shí)，算法中需要的協(xié)處理必須考慮，算法所需的協(xié)處理越簡(jiǎn)單、協(xié)作模塊越少、實(shí)現(xiàn)算法所需要的功耗就越小。此外，算法中臨時(shí)變量少、臨時(shí)變量有效的時(shí)間短、循環(huán)的合理運(yùn)用都會(huì)降低算法所需的功耗。

　　系統(tǒng)級(jí)功耗設(shè)計(jì)與管理：系統(tǒng)級(jí)的功耗管理主要是動(dòng)態(tài)功耗管理。通常的做法是處于空閑狀態(tài)的時(shí)候，運(yùn)作于睡眠狀態(tài)，只有部分設(shè)備處于工作之中；當(dāng)產(chǎn)生一個(gè)中斷時(shí)，由這個(gè)中斷喚醒其它設(shè)備。實(shí)際上，這一部分需要硬件的支持，如：電源系統(tǒng)的低功耗技術(shù)；系統(tǒng)軟硬件的劃分，在于決定哪些功能模塊由軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)功耗較小，哪些功能模塊由硬件實(shí)現(xiàn)功耗較小；低功耗處理器的選擇。

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　綜合考慮系統(tǒng)功耗來(lái)源與低功耗設(shè)計(jì)策略，硬件設(shè)計(jì)選擇具有低功耗特性的單片機(jī)及射頻收發(fā)芯片，并盡量簡(jiǎn)化電路減少功耗開支。

　　主要芯片的選擇

　　MSP430系列單片機(jī)的結(jié)構(gòu)完全以系統(tǒng)低功耗運(yùn)行為核心，電源采用1.8~3.6V 低電壓，活動(dòng)模式耗電250μA/MIPS，RAM數(shù)據(jù)保持方式下耗電僅0.1μA。由于系統(tǒng)在90%以上的時(shí)間內(nèi)都是處于休眠或低功耗狀態(tài)，因此漏電流成為影響系統(tǒng)功耗的另一個(gè)重要因素，其I/O輸入端口的漏電流最大僅為50nA。加上有獨(dú)特的時(shí)鐘系統(tǒng)設(shè)計(jì)，包括兩個(gè)不同的時(shí)鐘系統(tǒng)：基本時(shí)鐘系統(tǒng)和鎖頻環(huán)（FLL和FLL+）時(shí)鐘系統(tǒng)或DCO數(shù)字震蕩器時(shí)鐘系統(tǒng)。由時(shí)鐘系統(tǒng)產(chǎn)生CPU和各功能模塊所需的時(shí)鐘，并且這些時(shí)鐘可以在指令的控制下打開或關(guān)閉，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)總體功耗的控制。由于系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)使用的模塊不同，即采用不同的工作模式，芯片的功耗會(huì)有明顯的差別。在系統(tǒng)中共有一種活動(dòng)模式（AM）和五種低功耗模式（LPM0~LPM4）。另外，MSP430系列單片機(jī)采用矢量中斷，支持十多個(gè)中斷源，并可以任意嵌套。用中斷請(qǐng)求把CPU喚醒只需要6μs，通過合理編程，既可以降低系統(tǒng)功耗，又可以對(duì)外部請(qǐng)求做出快速響應(yīng)。