低功耗非接觸式射頻讀寫器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　芯片電路的功耗主要來自開關(guān)的動(dòng)態(tài)功耗和漏電的靜態(tài)功耗。動(dòng)態(tài)功耗主要是電容的充放電(包括網(wǎng)絡(luò)電容和輸入負(fù)載)以及P/N MOS同時(shí)打開形成的瞬間短路電流。靜態(tài)功耗主要是擴(kuò)散區(qū)與襯底形成二極管的反偏電流和關(guān)斷晶體管中通過柵氧的電流。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。本文將具體闡述低功耗設(shè)計(jì)理念在基于MSP430和MFRC522的非接觸式讀寫器上的應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)。

　　模塊電路設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)選用MSP430F413單片機(jī)和MFRC522射頻芯片。為簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，本系統(tǒng)僅由低電壓報(bào)警單元、MCU單元、射頻收發(fā)單元、天線、紅外發(fā)射接收以及外圍信號(hào)組成。

　　本系統(tǒng)選用的是SPI接口方式，其連接圖如圖1所示。

圖1 MCU與射頻接口及下載接口圖

　　MSP430選用JTAG接口下載仿真程序。為了進(jìn)一步減少功耗，在系統(tǒng)處于休眠模式時(shí)可通過指令關(guān)閉SPI接口和MCU中無用的端口。

　　射頻卡讀寫器采用電感耦合式天線，主要用于產(chǎn)生磁通量，而磁通量用于向射頻卡提供電源并在讀卡器與射頻卡之間傳輸信息。當(dāng)一個(gè)RFID系統(tǒng)正常工作時(shí)所需的磁感應(yīng)強(qiáng)度B一定時(shí)，安培匝數(shù)NI由環(huán)形天線的邊長(zhǎng)a以及標(biāo)簽和讀寫器天線的距離x來共同決定。其關(guān)系式為：

　　電感耦合式天線的特征值主要有品質(zhì)因數(shù)(Q)和諧振頻率。一般而言，Q一方面衡量能量的傳輸效率，另一方面也衡量頻率的選擇性。對(duì)于并聯(lián)諧振回路，Q可以定義為：

　　Q=2πfRC=R/(2πfL)(f在本系統(tǒng)中為13.56MHz) (2)

　　式中：f為諧振頻率;R為負(fù)載電阻;L為回路電感;C為回路電容。Q值越高，天線的輸出能量越高，然而太高的Q值會(huì)干擾讀寫器的帶通特性，從而無法遵從協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。一般來說，Q=20時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)的帶通特性與帶寬都比較好。RFID系統(tǒng)中的品質(zhì)因數(shù)一般在10~30內(nèi)取值，最大不要超過60。

　　MFRC522從TX1和TX2引腳發(fā)射的信號(hào)是已調(diào)制的13.56MHz載波信號(hào)，輔以多個(gè)無源器件實(shí)現(xiàn)匹配和濾波功能，以直接驅(qū)動(dòng)天線。其匹配電路和信號(hào)接收電路如圖2所示。

圖2 天線匹配電路

　　紅外發(fā)射接收電路部分的設(shè)計(jì)目的是為了節(jié)省電源開支，當(dāng)系統(tǒng)處于休眠模式時(shí)停止發(fā)射無線電波，可外加一個(gè)紅外對(duì)管來檢測(cè)是否有卡進(jìn)入天線范圍。當(dāng)紅外接收管接收到外界有卡時(shí)立即進(jìn)入中斷，跳出休眠模式，對(duì)外發(fā)射無線電波，并進(jìn)行相關(guān)的操作。這種通過指令間斷打開紅外發(fā)射管檢測(cè)是否有卡再進(jìn)入中斷喚醒CPU和打開天線的方法縮短了天線和紅外管的電流消耗，從而節(jié)省了功耗。

　　軟件設(shè)計(jì)

　　CPU的運(yùn)行時(shí)間對(duì)系統(tǒng)的功耗影響很大，所以應(yīng)盡可能縮短其工作時(shí)間，使系統(tǒng)較長(zhǎng)時(shí)間處于休眠或低功耗模式。當(dāng)系統(tǒng)上電完成初始化操作后立即進(jìn)入休眠模式，只有當(dāng)紅外接收管接收到信號(hào)時(shí)產(chǎn)生中斷才打開天線進(jìn)入工作模式。其中斷服務(wù)程序如下：

　　#pragma vector=PORT2 _VECTOR__interrupt void Port_2(void)

　　{ LPM3_EXIT; //退出休眠

　　PcdAntennaOn(); //開啟天線

　　PcdReset(); //RC522復(fù)位

　　P1OUT = 0xFF; //打開SPI接口

　　station=1; //轉(zhuǎn)入工作模式

　　P2OUT|=BIT6; //LED亮

　　P2IFG&= ~(BIT7); //清除標(biāo)記}

　　圖3是程序運(yùn)行的流程圖。

圖3 程序運(yùn)行流程圖

　　MSP430有五種低功耗模式，本系統(tǒng)采用的是LPM_3，此時(shí)DC發(fā)生器的DC電流被關(guān)閉，只有晶振活動(dòng)。用晶振做系統(tǒng)主時(shí)鐘和定時(shí)器時(shí)鐘源，對(duì)紅外接收管腳中斷使能定義，使紅外發(fā)射管每隔0.24s發(fā)射一個(gè)0.03ms的脈沖，間斷地檢測(cè)在天線范圍內(nèi)是否有卡，有卡時(shí)紅外接收管產(chǎn)生中斷進(jìn)入中斷服務(wù)程序。這樣讓I/O口間歇運(yùn)行既不影響正常讀卡也能節(jié)省電能。

　　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里，用查表的方式代替實(shí)時(shí)計(jì)算，需要運(yùn)算時(shí)最好使用分?jǐn)?shù)運(yùn)算，盡量避免浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算。定義變量時(shí)，盡量使用字符型變量。減少CPU的運(yùn)算量可以有效降低CPU的功耗。

　　總結(jié)

　　本文利用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)，及MFRC522的低電壓，小體積等特點(diǎn)，使讀卡器讀卡距離為0~60mm，休眠模式的電流<10μA，工作模式時(shí)電流約為150mA，延長(zhǎng)了電池的壽命，增加了系統(tǒng)可靠運(yùn)行的時(shí)間。