用于定位的低功耗有源RFID標(biāo)簽設(shè)計(jì)方案

　　該方案在硬件上采用了MSP430F2012單片機(jī)和nRF24L01射頻芯片的低功耗組合;軟件上則結(jié)合了RFID定位的特點(diǎn)，有別于一般以識(shí)別為主要目的的標(biāo)簽的設(shè)計(jì)方法，并分析了其軟件設(shè)計(jì)流程以及簡(jiǎn)單的防沖突能力。通過(guò)良好匹配的天線(xiàn)，本設(shè)計(jì)方案有效讀取距離可達(dá)幾十米，足以應(yīng)付一般空間內(nèi)定位的需求。

　　1.引言

　　射頻識(shí)別(RFID)技術(shù)是采用無(wú)線(xiàn)射頻的方式實(shí)現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)交換并識(shí)別身份，RFID定位正是利用了這一識(shí)別特性，利用閱讀器和標(biāo)簽之間的通信信號(hào)強(qiáng)度等參數(shù)進(jìn)行空間的定位。RFID標(biāo)簽按供電方式分為有源和無(wú)源2種，無(wú)源標(biāo)簽通過(guò)捕獲閱讀器發(fā)射的電磁波獲取能量，具有成本低、尺寸小的優(yōu)勢(shì);有源標(biāo)簽通常采用電池供電，具有通信距離遠(yuǎn)、讀取速度快、可靠性好等優(yōu)點(diǎn)，但需要考慮低功耗設(shè)計(jì)以增強(qiáng)電池的續(xù)航能力。本文從有源標(biāo)簽的設(shè)計(jì)理念出發(fā)，針對(duì)小范圍空間RFID定位的需求，根據(jù)低功耗、高效率的原則進(jìn)行RFID標(biāo)簽的設(shè)計(jì)，并闡述了其硬件組成、軟件流程和防沖突能力。

　　2.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　有源標(biāo)簽在設(shè)計(jì)中除了需要考慮低成本、小型化之外，最重要的是要采取低功耗設(shè)計(jì)。RFID標(biāo)簽從整體結(jié)構(gòu)上看，通常包括2個(gè)部分：控制端和射頻端，因此在選擇控制芯片和射頻芯片時(shí)需要優(yōu)先考慮其低功耗性能。本文在此基礎(chǔ)上選擇了MSP430F2012 控制芯片和nRF24L01射頻芯片;天線(xiàn)則選用了Nordic公司的PCB單端天線(xiàn);標(biāo)簽采用3V-500mAh紐扣電池供電。系統(tǒng)工作在2.4GHz 全球ISM頻段。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

　　2.2 芯片選擇及低功耗設(shè)計(jì)

　　TI推出的MSP430系列單片機(jī)是16位Flash型RISC指令集單片機(jī)，以超低功耗聞名業(yè)界。MSP430F2012芯片工作電壓僅為1.8~3.6V，掉電工作模式下消耗電流為0.1μA，等待工作模式下消耗電流僅為0.5μA[4]。本設(shè)計(jì)中，MSP430F2012被長(zhǎng)時(shí)間置于等待工作模式，通過(guò)中斷喚醒的方式使其短暫進(jìn)入工作狀態(tài)，以節(jié)省電能。MSP430F2012具有3組獨(dú)立的時(shí)鐘源：

　　片內(nèi)V L O(超低功耗振蕩器)、片外晶振、DCO(數(shù)字控制振蕩器)。其中，片外時(shí)鐘基于外部晶振;DCO由片內(nèi)產(chǎn)生，且頻率可調(diào)。顯然，主系統(tǒng)時(shí)鐘頻率的高低決定著系統(tǒng)的功耗，尤其是選擇了高速片外晶振的情況下，因此，MSP430F2012提供了在不同時(shí)鐘源間進(jìn)行切換的功能。

　　在實(shí)際設(shè)計(jì)中，通過(guò)實(shí)時(shí)重新配置基礎(chǔ)時(shí)鐘控制寄存器以實(shí)現(xiàn)主系統(tǒng)時(shí)鐘和輔助系統(tǒng)時(shí)鐘間的切換，既不失性能，又節(jié)約了能耗。

　　MSP430F2012具有LPM0~LPM4五種低功耗模式，合理的利用這五種預(yù)設(shè)的模式是降低 MCU功耗的關(guān)鍵，本設(shè)計(jì)中，MSP430F2012在上電配置完畢后將直接進(jìn)入LPM3模式，同時(shí)開(kāi)啟中斷，等待外部中斷信號(hào)。此外，由于 MSP430F2012是一款多功能通用單片機(jī)，片內(nèi)集成了較多功能模塊，在上電配置時(shí)即停止所有不使用的功能模塊也能起到降低系統(tǒng)功耗的目的。

　　由于R F I D標(biāo)簽消耗能量的近2 / 3用于無(wú)線(xiàn)收發(fā)， 因此選擇一款超低功耗的無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片就顯得至關(guān)重要。

　　nRF24L01是Nordic公司開(kāi)發(fā)的2.4GHz超低功耗單片無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片，芯片有125個(gè)頻點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)和點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的無(wú)線(xiàn)通信，最大傳輸速率可達(dá)2 M b p s，工作電壓為1.9~3.6V.為了凸顯其低功耗性能，芯片預(yù)置了兩種待機(jī)模式和一種掉電模式。更值得一提的是nRF24L01的 ShockBurstTM模式及增強(qiáng)型ShockBurstTM模式，S h o c k B u r s t T M模式真正實(shí)現(xiàn)了低速進(jìn)高速出，即M C U將數(shù)據(jù)低速送入nRF24L01片內(nèi)FIFO，卻以1Mbps或2Mbps高速發(fā)射出去。本設(shè)計(jì)正是利用了增強(qiáng)型ShockBurstTM模式，使得 MSP430F2012即便在32768Hz低速晶振下也能通過(guò)射頻端高速的將數(shù)據(jù)發(fā)射出去，既降低了功耗，又提高了效率，增強(qiáng)了系統(tǒng)防沖突和應(yīng)付移動(dòng)目標(biāo)能力。

　　2.3 電路設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)主要運(yùn)用于RFID定位方面，除了簡(jiǎn)單的識(shí)別外，重點(diǎn)在于閱讀器對(duì)標(biāo)簽信號(hào)強(qiáng)度的測(cè)量，因此閱讀器與標(biāo)簽間不會(huì)有大數(shù)據(jù)量頻繁的讀寫(xiě)操作，在電路設(shè)計(jì)時(shí)可省略片外EEPROM.同時(shí)還可以省去穩(wěn)壓電路以節(jié)省靜態(tài)電流消耗。硬件原理圖如圖2所示。

　　3.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)選用了IAR EmbeddedWorkbench V4.11B平臺(tái)下的C語(yǔ)言編程環(huán)境，設(shè)計(jì)中綜合考慮了M S P 4 3 0 F 2 0 1 2和nRF24L01芯片的低功耗性能、穩(wěn)定性和程序執(zhí)行效率。