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用于定位的低功耗有源RFID标签设计方案

2018年09月07日

  该方案在硬件上采用了MSP430F2012单片机和nRF24L01射频芯片的低功耗组合;软件上则结合了RFID定位的特点,有别于一般以识别为主要目的的标签的设计方法,并分析了其软件设计流程以及简单的防冲突能力。通过良好匹配的天线,本设计方案有效读取距离可达几十米,足以应付一般空间内定位的需求。

  1.引言

  射频识别(RFID)技术是采用无线射频的方式实现双向数据交换并识别身份,RFID定位正是利用了这一识别特性,利用阅读器和标签之间的通信信号强度等参数进行空间的定位。RFID标签按供电方式分为有源和无源2种,无源标签通过捕获阅读器发射的电磁波获取能量,具有成本低、尺寸小的优势;有源标签通常采用电池供电,具有通信距离远、读取速度快、可靠性好等优点,但需要考虑低功耗设计以增强电池的续航能力。本文从有源标签的设计理念出发,针对小范围空间RFID定位的需求,根据低功耗、高效率的原则进行RFID标签的设计,并阐述了其硬件组成、软件流程和防冲突能力。

  2.系统硬件设计

  2.1 系统结构

用于定位的低功耗有源RFID标签设计方案

  有源标签在设计中除了需要考虑低成本、小型化之外,最重要的是要采取低功耗设计。RFID标签从整体结构上看,通常包括2个部分:控制端和射频端,因此在选择控制芯片和射频芯片时需要优先考虑其低功耗性能。本文在此基础上选择了MSP430F2012 控制芯片和nRF24L01射频芯片;天线则选用了Nordic公司的PCB单端天线;标签采用3V-500mAh纽扣电池供电。系统工作在2.4GHz 全球ISM频段。系统结构框图如图1所示。

  2.2 芯片选择及低功耗设计

  TI推出的MSP430系列单片机是16位Flash型RISC指令集单片机,以超低功耗闻名业界。MSP430F2012芯片工作电压仅为1.8~3.6V,掉电工作模式下消耗电流为0.1μA,等待工作模式下消耗电流仅为0.5μA[4]。本设计中,MSP430F2012被长时间置于等待工作模式,通过中断唤醒的方式使其短暂进入工作状态,以节省电能。MSP430F2012具有3组独立的时钟源:

  片内V L O(超低功耗振荡器)、片外晶振、DCO(数字控制振荡器)。其中,片外时钟基于外部晶振;DCO由片内产生,且频率可调。显然,主系统时钟频率的高低决定着系统的功耗,尤其是选择了高速片外晶振的情况下,因此,MSP430F2012提供了在不同时钟源间进行切换的功能。

  在实际设计中,通过实时重新配置基础时钟控制寄存器以实现主系统时钟和辅助系统时钟间的切换,既不失性能,又节约了能耗。

  MSP430F2012具有LPM0~LPM4五种低功耗模式,合理的利用这五种预设的模式是降低 MCU功耗的关键,本设计中,MSP430F2012在上电配置完毕后将直接进入LPM3模式,同时开启中断,等待外部中断信号。此外,由于 MSP430F2012是一款多功能通用单片机,片内集成了较多功能模块,在上电配置时即停止所有不使用的功能模块也能起到降低系统功耗的目的。

  由于R F I D标签消耗能量的近2 / 3用于无线收发, 因此选择一款超低功耗的无线收发芯片就显得至关重要。

  nRF24L01是Nordic公司开发的2.4GHz超低功耗单片无线收发芯片,芯片有125个频点,可实现点对点和点对多点的无线通信,最大传输速率可达2 M b p s,工作电压为1.9~3.6V.为了凸显其低功耗性能,芯片预置了两种待机模式和一种掉电模式。更值得一提的是nRF24L01的 ShockBurstTM模式及增强型ShockBurstTM模式,S h o c k B u r s t T M模式真正实现了低速进高速出,即M C U将数据低速送入nRF24L01片内FIFO,却以1Mbps或2Mbps高速发射出去。本设计正是利用了增强型ShockBurstTM模式,使得 MSP430F2012即便在32768Hz低速晶振下也能通过射频端高速的将数据发射出去,既降低了功耗,又提高了效率,增强了系统防冲突和应付移动目标能力。

  2.3 电路设计

  本系统主要运用于RFID定位方面,除了简单的识别外,重点在于阅读器对标签信号强度的测量,因此阅读器与标签间不会有大数据量频繁的读写操作,在电路设计时可省略片外EEPROM.同时还可以省去稳压电路以节省静态电流消耗。硬件原理图如图2所示。

用于定位的低功耗有源RFID标签设计方案

  3.系统软件设计

  系统软件设计选用了IAR EmbeddedWorkbench V4.11B平台下的C语言编程环境,设计中综合考虑了M S P 4 3 0 F 2 0 1 2和nRF24L01芯片的低功耗性能、稳定性和程序执行效率。

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