低功耗非接觸式射頻讀寫器的設(shè)計與實現(xiàn)

　　對于需要電池供電的便攜式系統(tǒng)，功率問題成為電路設(shè)計考慮的重要因素之一。芯片電路的功耗主要來自開關(guān)的動態(tài)功耗和漏電的靜態(tài)功耗。動態(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。工作時序及軟件算法設(shè)計有缺陷，會降低系統(tǒng)工作效率、延長工作時間，也會直接增加系統(tǒng)能量的消耗。本文將具體闡述低功耗設(shè)計理念在基于MSP430和MFRC522的非接觸式讀寫器上的應(yīng)用與實現(xiàn)。

　　模塊電路設(shè)計

　　系統(tǒng)選用MSP430F413單片機(jī)和MFRC522射頻芯片。為簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，本系統(tǒng)僅由低電壓報警單元、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RFID系統(tǒng)正常工作時所需的磁感應(yīng)強(qiáng)度B一定時，安培匝數(shù)NI由環(huán)形天線的邊長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，整個系統(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)射的信號是已調(diào)制的13.56MHz載波信號，輔以多個無源器件實現(xiàn)匹配和濾波功能，以直接驅(qū)動天線。其匹配電路和信號接收電路如圖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)計目的是為了節(jié)省電源開支，當(dāng)系統(tǒng)處于休眠模式時停止發(fā)射無線電波，可外加一個紅外對管來檢測是否有卡進(jìn)入天線范圍。當(dāng)紅外接收管接收到外界有卡時立即進(jìn)入中斷，跳出休眠模式，對外發(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

　　CPU的運(yùn)行時間對系統(tǒng)的功耗影響很大，所以應(yīng)盡可能縮短其工作時間，使系統(tǒng)較長時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時產(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

　　MSP430有五種低功耗模式，本系統(tǒng)采用的是LPM_3，此時DC發(fā)生器的DC電流被關(guān)閉，只有晶振活動。用晶振做系統(tǒng)主時鐘和定時器時鐘源，對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0.03ms的脈沖，間斷地檢測在天線范圍內(nèi)是否有卡，有卡時紅外接收管產(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時計算，需要運(yùn)算時最好使用分?jǐn)?shù)運(yùn)算，盡量避免浮點數(shù)運(yùn)算。定義變量時，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、運(yùn)算等功能，借助于軟件優(yōu)勢，及MFRC522的低電壓，小體積等特點，使讀卡器讀卡距離為0~60mm，休眠模式的電流<10μA，工作模式時電流約為150mA，延長了電池的壽命，增加了系統(tǒng)可靠運(yùn)行的時間。

　　參考文獻(xiàn)：

　　1. 魏小龍.MSP430系列單片機(jī)接口技術(shù)及系統(tǒng)設(shè)計實例.北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2002, 11

　　2. 胡大可.MSP430單片機(jī)C語言程序設(shè)計與開發(fā).北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2003, 1

　　3. 馬曉穎. 射頻IC MFRC522在智能儀表中的應(yīng)用