基于單片機(jī)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(lèi)。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(wèn)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?xún)煞矫妫簞?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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(guò)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)。

　　射頻芯片是整個(gè)RFID卡最核心的部分，直接關(guān)系到標(biāo)簽的讀寫(xiě)距離和可靠性，同時(shí)也直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的功耗。CC1100是Chipcon公司推出的單片UHF無(wú)線(xiàn)發(fā)射芯片，體積小，功耗低，數(shù)據(jù)速率支持1.2~500kbps的可編程控制，其工作電壓范圍為1.9~3.6V，可以工作在 915MHz.、868MHz.、433MHz和315MHz四個(gè)波段，還可通過(guò)程序配置在所有頻段提供-30~10dBm輸出功率內(nèi)置地址解碼器、先入先出堆棧區(qū)、調(diào)制處理器、時(shí)鐘處理器、GFSK濾波器、低噪聲放大器、頻率合成器，功率放大器等功能模塊。它具有兩種低功耗工作模式：關(guān)機(jī)模式和空閑模式，在關(guān)機(jī)模式下工作電流小于200nA。本文中CC1100工作在433MHz的頻率上，采用FSK調(diào)制方式，數(shù)據(jù)速率為100kbps，信道間隔為 200kHz。

電路設(shè)計(jì)

　　為簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，本系統(tǒng)僅由必須的微處理器單元、射頻收發(fā)單元、天線(xiàn)及電池單元組成。省去電池到器件之間的穩(wěn)壓電路，直接由電池給系統(tǒng)供電。節(jié)省了穩(wěn)壓電路所帶來(lái)的靜態(tài)電流消耗，使電池壽命進(jìn)一步延長(zhǎng)。為防止發(fā)射狀態(tài)較大的電流造成電池電壓瞬態(tài)降低，使用較大容量電容與電池并聯(lián)。 MSP430F2012內(nèi)部集成的零功耗欠壓復(fù)位(BOR)保護(hù)功能，可以在電壓低于安全操作范圍時(shí)執(zhí)行完全復(fù)位，很好地解決了單片機(jī)復(fù)位不完全而產(chǎn)生的隨機(jī)錯(cuò)誤操作問(wèn)題。

　　軟件設(shè)計(jì)

　　盡量用軟件來(lái)代替硬件也是低功耗系統(tǒng)設(shè)計(jì)常常采取的措施。本次程序開(kāi)發(fā)綜合考慮了時(shí)序調(diào)度和工作效率兩方面問(wèn)題，以降低系統(tǒng)的功耗。

　　合理設(shè)計(jì)工作時(shí)序

　　由于CPU的運(yùn)行時(shí)間對(duì)系統(tǒng)的功耗影響極大，應(yīng)盡可能縮短其工作時(shí)間，較長(zhǎng)地處于空閑方式或掉電方式是軟件設(shè)計(jì)降低單片機(jī)系統(tǒng)功耗的關(guān)鍵。程序運(yùn)行流程圖如圖2(a)、(b)所示，當(dāng)系統(tǒng)上電完成初始化操作即刻進(jìn)入低功耗模式，只在系統(tǒng)接收到正確信息產(chǎn)生中斷時(shí)才會(huì)喚醒單片機(jī)進(jìn)入工作模式，盡量在短時(shí)間內(nèi)完成對(duì)信息或數(shù)據(jù)的處理，當(dāng)處理結(jié)束立即返回低功耗模式等待下一個(gè)中斷到來(lái)。

　　提高工作效率

　　用宏定義來(lái)代替子程序調(diào)用。因?yàn)镃PU進(jìn)入子程序時(shí)，會(huì)首先將當(dāng)前CPU寄存器推入堆棧(RAM)，在離開(kāi)時(shí)又將CPU寄存器彈出堆棧，這樣至少帶來(lái)兩次對(duì)RAM的操作，所以讀RAM會(huì)比讀Flash帶來(lái)更大的功耗。用宏定義來(lái)代替子程序調(diào)用，無(wú)疑會(huì)降低系統(tǒng)的功耗。

　　盡量減少CPU的運(yùn)算量，將一些運(yùn)算的結(jié)果預(yù)先算好，放在Flash中，用查表的方法替代實(shí)時(shí)的計(jì)算，減少CPU的運(yùn)算工作量，可以有效降低 CPU的功耗;不可避免的實(shí)時(shí)計(jì)算，精度夠了就結(jié)束;盡量使用短的數(shù)據(jù)類(lèi)型：如盡量使用字符型的8位數(shù)據(jù)替代16位的整型數(shù)據(jù)，盡量使用分?jǐn)?shù)運(yùn)算而避免浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算等。

　　讓I/O模塊間歇運(yùn)行，不用的I/O模塊或間歇使用的I/O模塊要及時(shí)關(guān)掉，以節(jié)省電能。不用的I/O引腳要設(shè)置成輸出或設(shè)置成輸入，用上拉電阻拉高。若引腳沒(méi)有初始化，可能會(huì)增大單片機(jī)的漏電流。

　　結(jié)論

　　本文詳細(xì)介紹了基于MSP430單片機(jī)的低功耗主動(dòng)式RFID標(biāo)簽的設(shè)計(jì)，合理地利用了MSP430單片機(jī)的中斷、定時(shí)、運(yùn)算等功能，借助于軟件優(yōu)勢(shì)，對(duì)耗能較低的CC1100模塊采取限能工作措施，提高了電池的壽命，增加了系統(tǒng)可靠運(yùn)行的時(shí)間，與其它設(shè)計(jì)功耗對(duì)比如圖3所示。這種主動(dòng)式 RFID標(biāo)簽的設(shè)計(jì)使RFID的性能得到了改進(jìn)，它在很大程度上解決了遠(yuǎn)距離、大流量、抗干擾、高速移動(dòng)的標(biāo)識(shí)物的識(shí)別難題。本設(shè)計(jì)完成的RFID標(biāo)簽與配套的閱讀器可以組成人員或物品識(shí)別定位系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于采礦、工業(yè)生產(chǎn)、道路交通、物流運(yùn)輸、醫(yī)療、醫(yī)藥、國(guó)防安全等眾多領(lǐng)域。