手持式RFID讀寫器的低功耗設(shè)計與測試

　　0 引言

　　射頻識別RFID（Radio Frequency Identification）技術(shù)是利用無線射頻方式進行非接觸式雙向通信，以達到識別目標和交換數(shù)據(jù)的目的，實現(xiàn)對各種對象在不同狀態(tài)下的自動識別和管理的一種技術(shù)。目前廣泛應用于身份識別、門禁管理、防偽、商業(yè)供應鏈、公共交通管理、物流管理、生產(chǎn)線的自動化及過程控制、動物的跟蹤及管理、容器識別等領(lǐng)域。射頻識別讀寫器根據(jù)應用場合可分為固定式讀寫器和手持式讀寫器等，其中手持式讀寫器具有比較大的靈活性，適用于不宜安裝固定式RFID 系統(tǒng)的應用環(huán)境。

　　作為一種便攜式設(shè)備，手持式RFID 讀寫器一般采用可充電的電池來進行供電，因此，采用先進技術(shù)改進系統(tǒng)設(shè)計，降低功耗以提高其使用時間，是手持式讀寫器設(shè)計中需要重點研究解決的問題。本文主要介紹手持式RFID 讀寫器的低功耗設(shè)計方法，并通過測試軟件對所設(shè)計的讀寫器進行功耗測試。

　　1 系統(tǒng)硬件組成及工作原理

　　為滿足不同領(lǐng)域的應用需求及二次開發(fā)設(shè)計需要實現(xiàn)各種功能的要求，手持式RFID 讀寫器主要由主控制模塊、RF 收發(fā)模塊、顯示模塊、實時時鐘模塊、擴展存儲模塊、USB 接口模塊、串行通信接口模塊、以太網(wǎng)絡(luò)接口模塊、鍵盤模塊及電源系統(tǒng)等組成，其硬件組成結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。手持式RFID 讀寫器通常由操作人員手持設(shè)備在某一區(qū)域內(nèi)完成對射頻標簽相關(guān)信息的采集及顯示，并將相應數(shù)據(jù)存儲于讀寫器的存儲器中，待與計算機連接后通過串行通信接口或USB 接口傳送到本地計算機，也可通過網(wǎng)絡(luò)接口傳送到遠程的網(wǎng)絡(luò)計算機，以便計算機系統(tǒng)進行相應的數(shù)據(jù)處理及應用。為便于針對具體應用場合與應用系統(tǒng)計算機進行數(shù)據(jù)通信的需要，還提供了各種備選的通信接口，如USB 接口、RS232 接口、以太網(wǎng)絡(luò)接口等，二次開發(fā)時可根據(jù)需要適當選擇是否保留。同時，為使手持式RFID 讀寫器能滿足不同場合的供電需要，電源系統(tǒng)采用了USB 電源、AC 電源以及電池供電相結(jié)合的模式，以便為RFID 系統(tǒng)進行工作供電或電池充電。

　　圖1 RFID 讀寫器的組成結(jié)構(gòu)圖

　　2 系統(tǒng)硬件低功耗設(shè)計

　　在單片機系統(tǒng)中，系統(tǒng)的功耗由靜態(tài)功耗s P 和動態(tài)功耗d P 組成，如式（1）、（2）所示。

　　式中， DD U 為工作電源電壓， DD I 為靜態(tài)時由電源流向電路內(nèi)部的電流， TC I 為脈沖電流的時間平均值， T C 為芯片的負載電容， f 為工作頻率。

　　由式（1）（2）可知,對系統(tǒng)的功耗影響最大是工作電源電壓,其次是工作頻率,再就是負載電容。對設(shè)計人員而言，負載電容一般是不可控的，故在不影響系統(tǒng)性能的前提下，系統(tǒng)低功耗設(shè)計主要是盡可能選擇低工作電壓的器件，并在電路設(shè)計中使用低頻率的時鐘。

　　為了盡量減少系統(tǒng)的功耗，在手持式RFID 讀寫器的硬件設(shè)計中盡量采用低功耗器件，并根據(jù)不同工作狀態(tài)對系統(tǒng)的工作時鐘頻率進行調(diào)節(jié)。其中主控制器選用了高性能、超低功耗的MSP430F149 單片機，工作電壓為1.8～3.6V，可提供了6 種工作模式，即活動模式（AM）和低功耗模式0-4(LPM0-4)，能不同程度的減少芯片內(nèi)部以及外部模塊的功耗。相應接口模塊也分別選用電壓工作為3.3V 以下的器件，如RF 收發(fā)模塊選用FM1702SL 射頻卡讀寫芯片，擴展存儲模塊選用AT45DB161B 串行FLASH 存儲器，顯示模塊及驅(qū)動芯片選用P13501 顯示模塊（含內(nèi)置驅(qū)動芯片SSD1303）， USB 接口選用IPS1582，串行通信接口選用MAX3232、網(wǎng)絡(luò)接口模塊選用ENC28J60 等。