基于RFID的低功耗有源手持機(jī)設(shè)計

　　引言
    
　　射頻識別技術(shù)(Radio Frequeney Identification，RFID)是從20世紀(jì)80年代發(fā)展起來的一項自動識別技術(shù)。通過射頻信號對某個目標(biāo)的ID進(jìn)行自動識別得到對象信息，并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)。其突出優(yōu)點是環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，能夠穿透非金屬材質(zhì)，數(shù)據(jù)存儲量大，抗干擾能力強(qiáng)。根據(jù)供電方式的不同，可以將RFID分為兩類：一類是無源RFID，另一類是有源RFID。無源RFID工作時標(biāo)簽通過讀寫器的電磁場獲得能量，標(biāo)簽本身不需要電池；有源RFID則恰恰相反，電子標(biāo)簽需要自備電池，提供全部器件工作所需的電源。與無源RFID系統(tǒng)相比，有源RFID系統(tǒng)對閱讀器的發(fā)射功率要求更低，有效閱讀距離也更遠(yuǎn)，因此在很多領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。

　　1 有源RFID系統(tǒng)組成及工作原理
    
　　有源RFID系統(tǒng)由有源標(biāo)簽、閱讀器和應(yīng)用系統(tǒng)3個部分組成，如圖1所示。有源標(biāo)簽具有唯一的身份識別碼(即ID)，一些有源標(biāo)簽內(nèi)部還集成了傳感器，用于對特定物理量的測量。在閱讀器的有效工作范圍內(nèi)，電子標(biāo)簽主動地將自己的ID和所測得的物理量以電磁波的形式發(fā)送給閱讀器，閱讀器將相關(guān)信息存儲在自己的存儲設(shè)備中。存儲在閱讀器中的數(shù)據(jù)可以通過以太網(wǎng)口、RS232、USB等通信接口傳送給應(yīng)用系統(tǒng)，以便對數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步處理。

　　2 有源RFID手持機(jī)的結(jié)構(gòu)
    
　　本文設(shè)計的有源手持機(jī)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。其核心是微處理器(Microprocessor Unit，MPU)；復(fù)位電路、時鐘電路、電源、鍵盤、LCD顯示是最小系統(tǒng)不可缺少的組成部分，用來維持系統(tǒng)正常工作以及進(jìn)行人機(jī)交互；聲音提示電路用來進(jìn)行操作有誤或者電池電量不足時的報警提示；背光電路可以為鍵盤和LCD提供背光；電量檢測電路通過檢測電池的電壓，依照電池電量和電壓的對照關(guān)系，間接地檢測出電池的剩余電量；RF電路通過天線可以進(jìn)行射頻信號的收／發(fā)；外擴(kuò)Flash可以存儲讀取到標(biāo)簽的身份識別碼、漢字點陣字庫以及相關(guān)屬性等信息；USB接口可使手持機(jī)與PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信；JTAG接口用來下載和調(diào)試程序。

　　2．1 主控模塊與外圍模塊
    
　　主控模塊采用NXP公司基于ARM7內(nèi)核的LPC2142微處理器。LPC2142具有USB2．O接口、2個I2C接口、2個串口、1個SPI接口、1個SSP接口、6個A／D通道，以及16 KB的RAM和64 KB的Flash；還具有實時時鐘(RTC)，可以避免外接實時時鐘帶來的麻煩。通過分析得知，該微處理器完全可以滿足系統(tǒng)的需求。主控模塊的電路圖如圖3所示。

　　2．2 復(fù)位電路
    
　　為保證系統(tǒng)能夠可靠復(fù)位，采用專用的復(fù)位芯片CAT809進(jìn)行系統(tǒng)的復(fù)位。復(fù)位電路如圖4所示。

　　2．3 電量檢測電路
    
　　電量檢測電路采用LPC2142內(nèi)部的A／D轉(zhuǎn)換器。A／D的參考電壓Vref由電源電壓+3．3 V通過電阻分壓得到，如圖5所示。參考電壓的理論值是2．533 V，由于鋰電池的電壓最高可達(dá)4．2 V(滿充時)，此時超出了A／D轉(zhuǎn)換器的量程，所以需要對該量程進(jìn)行擴(kuò)充。解決辦法是，將鋰電池的輸出電壓(圖中為3．7 V)通過兩個一樣的電阻進(jìn)行分壓，將分壓后的電壓進(jìn)行檢測，轉(zhuǎn)換得到的電壓值應(yīng)該乘以2。

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　　2．4 充電與靜電防護(hù)電路
    
　　如圖6所示，系統(tǒng)采用鋰電池和USB的VBUS兩路電源供電。兩路電源匯合后接入鋰電池充電芯片MAX1551的輸入腳，對電池進(jìn)行充電。／CHG腳為充電狀態(tài)指示引腳，未充滿時呈高阻態(tài)，充滿時輸出低電平。充電期間，微處理器通過檢測這一引腳的狀態(tài)來判斷充電是否完成，并將充電狀態(tài)顯示在LCD上。為避免靜電對微處理器造成損壞，需要對USB接口電路進(jìn)行靜電防護(hù)，這里采用的芯片是SN65220。

　　2．5 電壓轉(zhuǎn)換模塊
    
　　手持系統(tǒng)對電源的轉(zhuǎn)換效率以及電源芯片的靜態(tài)電流要求比較高。轉(zhuǎn)換效率越高，芯片的靜態(tài)電流越小，則同等條件下手持系統(tǒng)的電池使用時間就越長。電壓轉(zhuǎn)換電路如圖7所示。采用凌力爾特公司的DC-DC轉(zhuǎn)換芯片LTC3530和LTC3525-5V，在電池的可供電電壓范圍內(nèi)，其效率在80％以上，最高可達(dá)90％以上；并且具有使能引腳，方便進(jìn)行電源管理，可得到系統(tǒng)所需的+3．3 V和+5 V電源電壓。為保證系統(tǒng)在關(guān)機(jī)時仍然可以通過開機(jī)鍵進(jìn)行開機(jī)，需要對微處理器單獨供電，這里采用轉(zhuǎn)換芯片LP2985。

　　2．6 鍵盤電路
    
　　鍵盤電路采用鍵盤管理芯片CH452A，如圖8所示。通過I2C接口與MPU進(jìn)行通信，手持機(jī)的開關(guān)機(jī)鍵采用一個分立按鍵實現(xiàn)，與按鍵并聯(lián)的0．1μF電容可以消除抖動。

　　2．7 RF電路
    
　　nRF24L01是一款工作在2．4～2．5 GHz世界通用ISM頻段的單片無線收發(fā)器芯片。它具有面積小、數(shù)據(jù)傳輸速率高、低功耗等優(yōu)點；可工作于跳頻方式下，能有效地避開周圍環(huán)境的干擾；通過SPI接口與微處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，天線采用占用PCB空間較小的倒F型PCB天線。RF電路圖如圖9所示。

　　2．8 LCD電路
    
　　采用深圳耀宇科技公司型號為YM280T的2．8寸TFTLCD，可以工作在8總線模式下。其他電路如圖10所示。

　　背光電路，將鍵盤的背光與LCD的背光并在一起，用一個三極管開關(guān)進(jìn)行控制，以降低功耗；聲音提示電路，采用體積為5 mm×5 mm×2 mm的蜂鳴器，以適應(yīng)手持機(jī)小巧的需求；外擴(kuò)Flash，采用引腳少、封裝體積小的串行Flash存儲器AT45DB081，通過SSP進(jìn)行數(shù)據(jù)通信(SSP接口與SPI接口兼容)。

　　3 軟件設(shè)計

　　3．1 數(shù)據(jù)包格式
    
　　增強(qiáng)型ShockBurst模式下的數(shù)據(jù)包格式如圖11所示。

　　前導(dǎo)碼用來進(jìn)行同步，僅在發(fā)送模式下使用；標(biāo)志位用來進(jìn)行包識別，僅僅用到其中的兩位，剩余的7位保留；數(shù)據(jù)是要傳送／接收的1～32字節(jié)寬度的物品識別信息；CRC校驗選擇生成多項式為X16+X12+X5+X1的16位CRC校驗。

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　　3．2 手持機(jī)工作流程
    
　　手持機(jī)的工作流程如圖12所示。該流程針對可以讀寫的有源卡，需要把卡里邊的信息讀出來，然后扣除一定費用(或次數(shù))后將修改后的信息寫入ID卡。為節(jié)省功耗，設(shè)定若一次按鍵(含開機(jī))之后的5 s(要根據(jù)實際情況設(shè)定)內(nèi)沒有按鍵按下，即讓微處理器進(jìn)入空閑模式，當(dāng)再
次有按鍵按下時，通過鍵盤產(chǎn)生的外部中斷將微處理器喚醒。

　　4 系統(tǒng)測試
    
　　本系統(tǒng)制作的PCB板的大小為5 cm×10 cm，完全滿足占用空間小的要求，元器件全部采用貼片的封裝。測試時先測試電源部分，若電源沒有問題再測試其他部分。每焊接一個模塊，都要隨時檢查電源、地以及其他引腳的焊接是否可靠。整機(jī)測試時，首要要檢測電源和地是否短路，檢查無誤之后才整體加電進(jìn)行下一步的軟硬件聯(lián)調(diào)。
    
　　當(dāng)軟件中設(shè)定發(fā)射功率為0 dBm時，在開闊試驗場地測試，通信距離為80m左右；在封閉樓道內(nèi)測試，通信距離為30～40m。在空閑模式，從電池輸出端測得的電流為4．8 mA，系統(tǒng)采用1400 mAh的鋰電池，待機(jī)時間(處于空閑模式)可以達(dá)到10天以上。

　　結(jié)語
    
　　有源RFID手持機(jī)的設(shè)計難點在于小體積和低功耗的要求，這兩個關(guān)鍵問題的解決關(guān)乎系統(tǒng)設(shè)計的成敗。小體積是非功能性需求，可以通過選取封裝尺寸小的元器件和去除實用性不強(qiáng)的接口(如RS232串口)實現(xiàn)。而低功耗的指標(biāo)則需要采取軟硬件相結(jié)合的低功耗措施來實現(xiàn)，除了在硬件上選取工作電流小、電源轉(zhuǎn)換效率高、靜態(tài)電流小的芯片之外，程序中采取有效的電源管理措施更是至關(guān)重要。一方面，可以進(jìn)行有效的電源管理，將分區(qū)供電部分未用到的部分電源關(guān)掉；另一方面是處理器的低功耗模式的使用，對于那些不經(jīng)常處于工作狀態(tài)的應(yīng)用場合，這將會極大地節(jié)省系統(tǒng)的功耗。本文所設(shè)計的有源RFID手持機(jī)已經(jīng)應(yīng)用于停車場管理系統(tǒng)中，具有待機(jī)時間長、體積小巧和可靠性高等優(yōu)點，具有較好的推廣價值。