基于MCP2030無線激活的低功耗系統(tǒng)設計

　　引言

　　進入21世紀之后，隨著社會信息化的不斷普及與發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)的應用越來越廣泛。其中自備電源嵌入式系統(tǒng)由于受功耗的限制，其設計與應用一直受到制約。一般來說，正常工作的嵌入式系統(tǒng)電流消耗在mA級，而處于休眠狀態(tài)下可以控制在μA級左右，3個數(shù)量級的能源節(jié)約對于有限的自備電源無疑具有極大的誘惑，所以這類系統(tǒng)基本上都要采用休眠激活的方案以實現(xiàn)節(jié)能，達到延長工作壽命的目的。

　　目前可供采用的休眠激活方案主要有3種：事件激活法、定時激活法和定位激活法。事件激活法主要應用于檢測告警等場合，系統(tǒng)一般處于休眠模式，如果特定參數(shù)超限就會激發(fā)系統(tǒng)工作，這種方法一般要與相應的傳感器配合實現(xiàn)，微處理器中也要占用相應的中斷資源；定時激活法主要應用于周期工作的系統(tǒng)（如小區(qū)三表數(shù)據(jù)的采集）中，系統(tǒng)按照定時器設定的時間間隔定期上報采集數(shù)據(jù)，這種激活法的實現(xiàn)也非常方便，只需在相應的微處理器中添加定時器的中斷處理程序；定位激活法主要應用于對位置敏感的系統(tǒng)（如貴重資產(chǎn)管理和停車場的自動道閘等）中，該系統(tǒng)在特定位置安裝檢測設備，如果有監(jiān)管人員或設備離開或進入這些特定領域?qū)ぐl(fā)系統(tǒng)工作。定位激活法的實現(xiàn)有多種，本文主要介紹利用無線信號進行定位激活的一種實現(xiàn)方法。

　　1 基本原理

　　無線信號頻譜中LF頻段信號具有穿透能力強的特點，它可以穿透非磁性介質(zhì)，如水、混凝土、塑料等（不受視線距離限制），所以利用LF頻段設計激活電路是一種較好方案。無線信號頻率與波長存在反比例關系，天線長度取決于波長長度。500MHz RF信號的波長為60 cm，天線很短，完全可以方便地實現(xiàn)；而125 kHz LF信號的波長為2.4km，做這樣的天線肯定不實際。所以利用LF頻段信號作為激活信號，接收端不再采用電磁場（radio）原理進行工作，而是直接通過接收磁場（magnetic）信號，然后利用磁場在線圈中的感應信號進行判斷處理，如圖1所示。該系統(tǒng)主要由磁場發(fā)射端和接收端兩種設備組成。

圖1 磁場工作原理

　　MCP2030是Microchip公司開發(fā)的專門針對低頻無線磁場通信的模擬前端器件。該器件集成有8個可編程配置寄存器和1個只讀狀態(tài)寄存器，根據(jù)寄存器配置，MCP2030可以輸出解調(diào)數(shù)據(jù)、載波時鐘和磁場強度RSSI。該器件模擬接收電路具有較強的靈敏度，可以接收識別1mVpp信號并解調(diào)8%的微弱調(diào)制信號。為了得到可靠的磁場信號，MCP2030采用了3組天線和3組接收解調(diào)電路。3組天線分別指向互相垂直的X、Y、Z軸，這樣無論接收器如何放置，總可以得到磁場信號，從而解決了磁場信號的方向性問題。其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 MCP2030結(jié)構(gòu)框圖

圖3 MCP2030有輸出的情況

　　MCP2030集成了無線信號數(shù)字序列濾波部件，可以根據(jù)需要設定數(shù)字序列，器件只有當接收到特定數(shù)字序列時才做出響應，所以可有效避免其他信號干擾所引起的激活現(xiàn)象。圖3所示為無線數(shù)字序列符合設定數(shù)字序列的情況，特定的數(shù)字序列為“2ms有2ms無”載波信號，此時LFDATA在監(jiān)測到特定序列之后輸出的ASK調(diào)制信號，如果無線數(shù)字序列不符合設定數(shù)字序列，LFDATA無輸出。

　　MCP2030具有功耗極低的顯著優(yōu)勢，為便于在自備電源的嵌入式系統(tǒng)中應用，專門設計優(yōu)化了3種工作模式，即休眠模式、待機模式和工作模式。休眠模式由SPI接口命令進行控制，進入休眠之后，除寄存器、存儲器和SPI功能電路之外，包括RF限幅器在內(nèi)的所有電路都將關閉，以使消耗的電流最低（0.2μA），需要用上電復位以及除休眠命令外的任何其他SPI命令將器件從休眠模式喚醒；當天線輸入沒有LF信號時，器件將自動處于待機模式，但器件內(nèi)部各部分電路已上電并準備接收輸入信號，待機模式下電流消耗的典型值為4μA（3個接收天線工作）；當在LF天線輸入上有LF信號且內(nèi)部電路隨接收的數(shù)據(jù)而進行切換時，器件處于低電流工作模式，該模式下電流消耗僅為13μA。

　　除此之外，該器件還支持半電源和無電源工作模式。無電源工作方式下，器件完全從磁場中提取能量進行工作；在半電源工作方式下，器件盡可能從磁場獲取能量，不得已情況下由電源供電。