基于MSP430單片機(jī)的低功耗有源RFID標(biāo)簽設(shè)計(jì)

　　射頻芯片是整個(gè)RFID卡最核心的部分，直接關(guān)系到標(biāo)簽的讀寫距離和可靠性，同時(shí)也直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的功耗。CC1100是Chipcon公司推出的單片UHF無(wú)線發(fā)射芯片，體積小，功耗低，數(shù)據(jù)速率支持1.2~500kbps的可編程控制，其工作電壓范圍為1.9~3.6V，可以工作在915MHz.、868MHz.、433MHz和315MHz四個(gè)波段，還可通過(guò)程序配置在所有頻段提供-30~10 dBm輸出功率內(nèi)置地址解碼器、先入先出堆棧區(qū)、調(diào)制處理器、時(shí)鐘處理器、GFSK濾波器、低噪聲放大器、頻率合成器，功率放大器等功能模塊。它具有兩種低功耗工作模式：關(guān)機(jī)模式和空閑模式，在關(guān)機(jī)模式下工作電流小于200nA。本文中CC1100工作在433MHz的頻率上，采用FSK調(diào)制方式，數(shù)據(jù)速率為100kbps，信道間隔為200kHz。

　　電路設(shè)計(jì)

　　為簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，本系統(tǒng)僅由必須的微處理器單元、射頻收發(fā)單元、天線及電池單元組成。省去電池到器件之間的穩(wěn)壓電路，直接由電池給系統(tǒng)供電。節(jié)省了穩(wěn)壓電路所帶來(lái)的靜態(tài)電流消耗，使電池壽命進(jìn)一步延長(zhǎng)。為防止發(fā)射狀態(tài)較大的電流造成電池電壓瞬態(tài)降低，使用較大容量電容與電池并聯(lián)。MSP430F2012內(nèi)部集成的零功耗欠壓復(fù)位（BOR）保護(hù)功能，可以在電壓低于安全操作范圍時(shí)執(zhí)行完全復(fù)位，很好地解決了單片機(jī)復(fù)位不完全而產(chǎn)生的隨機(jī)錯(cuò)誤操作問(wèn)題。

　　軟件設(shè)計(jì)

　　盡量用軟件來(lái)代替硬件也是低功耗系統(tǒng)設(shè)計(jì)常常采取的措施。本次程序開(kāi)發(fā)綜合考慮了時(shí)序調(diào)度和工作效率兩方面問(wèn)題，以降低系統(tǒng)的功耗。

　　合理設(shè)計(jì)工作時(shí)序

　　由于CPU的運(yùn)行時(shí)間對(duì)系統(tǒng)的功耗影響極大，應(yīng)盡可能縮短其工作時(shí)間，較長(zhǎng)地處于空閑方式或掉電方式是軟件設(shè)計(jì)降低單片機(jī)系統(tǒng)功耗的關(guān)鍵。程序運(yùn)行流程圖如圖2（a）、（b）所示，當(dāng)系統(tǒng)上電完成初始化操作即刻進(jìn)入低功耗模式，只在系統(tǒng)接收到正確信息產(chǎn)生中斷時(shí)才會(huì)喚醒單片機(jī)進(jìn)入工作模式，盡量在短時(shí)間內(nèi)完成對(duì)信息或數(shù)據(jù)的處理，當(dāng)處理結(jié)束立即返回低功耗模式等待下一個(gè)中斷到來(lái)。

　　提高工作效率

　　用宏定義來(lái)代替子程序調(diào)用。因?yàn)镃PU進(jìn)入子程序時(shí)，會(huì)首先將當(dāng)前CPU寄存器推入堆棧（RAM），在離開(kāi)時(shí)又將CPU寄存器彈出堆棧，這樣至少帶來(lái)兩次對(duì)RAM的操作，所以讀RAM會(huì)比讀Flash帶來(lái)更大的功耗。用宏定義來(lái)代替子程序調(diào)用，無(wú)疑會(huì)降低系統(tǒng)的功耗。

　　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中，用查表的方法替代實(shí)時(shí)的計(jì)算，減少CPU的運(yùn)算工作量，可以有效降低CPU的功耗；不可避免的實(shí)時(shí)計(jì)算，精度夠了就結(jié)束；盡量使用短的數(shù)據(jù)類型：如盡量使用字符型的8位數(shù)據(jù)替代16位的整型數(shù)據(jù)，盡量使用分?jǐn)?shù)運(yùn)算而避免浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算等。

　　讓I/O模塊間歇運(yùn)行，不用的I/O模塊或間歇使用的I/O模塊要及時(shí)關(guān)掉，以節(jié)省電能。不用的I/O引腳要設(shè)置成輸出或設(shè)置成輸入，用上拉電阻拉高。若引腳沒(méi)有初始化，可能會(huì)增大單片機(jī)的漏電流。

　　結(jié)論

　　本文詳細(xì)介紹了基于MSP430單片機(jī)的低功耗有源RFID標(biāo)簽的設(shè)計(jì)，合理地利用了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)，對(duì)耗能較低的CC1100 模塊采取限能工作措施，提高了電池的壽命，增加了系統(tǒng)可靠運(yùn)行的時(shí)間，與其它設(shè)計(jì)功耗對(duì)比如圖3所示。這種有源RFID標(biāo)簽的設(shè)計(jì)使 RFID的性能得到了改進(jìn)，它在很大程度上解決了遠(yuǎn)距離、大流量、抗干擾、高速移動(dòng)的標(biāo)識(shí)物的識(shí)別難題。本設(shè)計(jì)完成的RFID">RFID標(biāo)簽與配套的閱讀器可以組成人員或物品識(shí)別定位系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于采礦、工業(yè)生產(chǎn)、道路交通、物流運(yùn)輸、醫(yī)療、醫(yī)藥、國(guó)防安全等眾多領(lǐng)域。

參考文獻(xiàn):

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