引言

　　射頻識(shí)別技術(shù)(RFID)是近年迅速發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)新技術(shù),它利用射頻信號(hào)通過(guò)空間耦合實(shí)現(xiàn)非接觸式信息傳遞,達(dá)到自動(dòng)識(shí)別目的。RFID標(biāo)簽具有防水、防磁、可以在一定距離內(nèi)讀取數(shù)據(jù)等優(yōu)點(diǎn),標(biāo)簽存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)安個(gè)、可靠、具有可重復(fù)改寫(xiě)等特點(diǎn)。由于無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù)融合了無(wú)線定位、產(chǎn)品電子編碼和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù),近年得到快速發(fā)展,廣泛用于社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、國(guó)防等領(lǐng)域,成為新一輪技術(shù)變革的催化劑。

　　有源RFID標(biāo)簽的電池壽命一直是制約其廣泛應(yīng)用的瓶頸。當(dāng)電池失效后,或更換電池,或?qū)⒖◤U棄,而且在電池接近壽命終了時(shí),容量、電壓下降,識(shí)別卡的可靠性降低,不得不提前更新,不僅會(huì)造成一定的浪費(fèi),還可能因個(gè)別電池提前失效,影響整個(gè)系統(tǒng)可信度。

　　本文設(shè)計(jì)了一種可充電的有源RFID電子標(biāo)簽,采用兩種工作模式,有效地減少了功耗,并可通過(guò)125kHz天線接收信號(hào)對(duì)標(biāo)簽電池充電,大幅度延長(zhǎng)了標(biāo)簽的使用壽命,提高了標(biāo)簽識(shí)別的可靠性。

　　硬件系統(tǒng)組成

　　硬件系統(tǒng)由微處理器模塊、射頻收發(fā)模塊、無(wú)線接收模塊組成,總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　微處理器實(shí)現(xiàn)對(duì)射頻模塊的配置,對(duì)收發(fā)信息的處理,對(duì)比較器和定時(shí)器中斷的響應(yīng)以及對(duì)FLASH內(nèi)容的改寫(xiě);射頻收發(fā)模塊采用GMSK調(diào)制模式對(duì)信號(hào)進(jìn)行編解碼及發(fā)射與接收;無(wú)線接收模塊與MSP430比較器中斷端口相連,使單片機(jī)產(chǎn)生中斷進(jìn)入工作狀態(tài),并通過(guò)倍壓整流電路對(duì)供電電池進(jìn)行充電。

　　1.1微控制器模塊

　　微控制器模塊選用TI公司的MSP430系列單片機(jī)MSP430F147[6]。MSP430是一個(gè)以超低功耗為主要特點(diǎn)的單片機(jī)系列,用戶可以根據(jù)CPU和外圍模塊對(duì)時(shí)鐘的需要,通過(guò)軟件控制MSP430時(shí)鐘系統(tǒng),合理地利用系統(tǒng)資源,實(shí)現(xiàn)整個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)的超低功耗。系統(tǒng)的這些超低功耗特性是靠系統(tǒng)對(duì)中斷的響應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在本設(shè)計(jì)中,標(biāo)簽CPU處于LPM3低功耗休眠狀態(tài),通過(guò)定時(shí)器中斷或比較器中斷將其喚醒,完成工作之后進(jìn)入LPM3休眠狀態(tài),CPU只工作于突發(fā)狀態(tài),有效的減少功率消耗,延長(zhǎng)了供電電池壽命。

　　1.2射頻收發(fā)模塊

　　射頻收發(fā)模塊選用Nordic公司的nrf2401射頻收發(fā)芯片[7]。Nrf2401工作于2.4GHz ISM頻段,采用GMSK調(diào)制方式,芯片內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器和調(diào)制器等功能模塊,輸出功率和通信頻道可通過(guò)程序進(jìn)行配置。Nrf2401能耗非常低,在以-5dBm的功率發(fā)射時(shí),工作電流只有10.5mA,接收時(shí)工作電流只有18mA。芯片具有多種低功率模式,使低功耗設(shè)計(jì)更方便。射頻收發(fā)模塊系統(tǒng)框圖如圖2所示。

　　射頻收發(fā)模塊通過(guò)3線SPI模式與MSP430單片機(jī)進(jìn)行通信,有四種工作模式:收發(fā)模式、配置模式、空閑模式和關(guān)機(jī)模式,由PWR_UP、CE和CS三個(gè)引腳決定。本設(shè)計(jì)采用ShockBurstTM收發(fā)模式,在此模式下,nRF2401自動(dòng)處理字頭和CRC校驗(yàn)碼,使用片內(nèi)的先入先出堆棧區(qū),數(shù)據(jù)低速?gòu)奈⒖刂破魉腿?高速(1Mbps)發(fā)射,與射頻協(xié)議相關(guān)的所有高速信號(hào)處理都在片內(nèi)進(jìn)行,這樣可以盡量節(jié)能,并且數(shù)據(jù)在空中停留時(shí)間短,抗干擾性高。

　　RFID中的天線要求小型化、全向、高增益、帶寬相對(duì)較寬。本文采用1/4波長(zhǎng)單極子微帶天線,諧振頻率主要取決于微帶線的長(zhǎng)度[8]。1/4波長(zhǎng)單極子微帶天線是一種依賴于地參考面的單端天線,這種天線必須有地參考面,并且地參考面從天線的匱點(diǎn)起至少要鋪滿1/4波長(zhǎng),地參考面的大小直接影響到天線的諧振點(diǎn)、增益以及阻抗。考慮到天線介質(zhì)材料、與地參考面的距離、地參考面的大小、微帶線的寬度厚度等參數(shù)都影響到天線的性能,本設(shè)計(jì)采用標(biāo)準(zhǔn)的FR4板材,厚度1.6mm,介電常數(shù)4.4,天線諧振在2.45GHz,微帶線寬為1.5mm,那么可以算出板上的傳輸波長(zhǎng)為92mm,因此理想的天線長(zhǎng)度應(yīng)該是23mm。

　　Nrf2401片內(nèi)含有收發(fā)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān),以差分形式向外發(fā)射信號(hào)或者接收信號(hào),差分阻抗為400Ω,而本文設(shè)計(jì)的微帶天線的阻抗為50Ω,為實(shí)現(xiàn)最大功率傳輸,設(shè)計(jì)一個(gè)阻抗變換及差分單端轉(zhuǎn)換電路,如圖3所示。通過(guò)ADS以及Designer下的仿真工具仿真證明在2.45G時(shí)天線和發(fā)射電路實(shí)現(xiàn)了最佳功率匹配。

　　1.3無(wú)線接收模塊

　　無(wú)線接收模塊由125kHz天線、天線匹配端口和倍壓整流電路組成,如圖4所示。圖4無(wú)線接收模塊原理如圖4所示,

　　如圖4所示C1、C2、C3與外接天線(ANT1、ANT2接天線兩端)構(gòu)成天線匹配電路,其中C1是微調(diào)電容,用于調(diào)諧天線諧振狀態(tài)。后端為4倍壓整流電路,假設(shè)匹配輸出端電壓峰值為E1,通過(guò)4倍壓整流后INT與GND間的電壓可達(dá)到42E1,可以很好的達(dá)到倍壓的目的。INT接MSP430比較器中斷端口(P2.3),并通過(guò)肖特基二極管(壓降約為0.3V)與電池正極相連。當(dāng)由125kHz接收到的信號(hào)經(jīng)倍壓整流后輸出INT與GND間的電壓大于或等于中斷觸發(fā)電壓時(shí),觸發(fā)比較器中斷,將MSP430從低功耗狀態(tài)喚醒,完成工作之后再次進(jìn)入相應(yīng)的休眠狀態(tài)。同時(shí),當(dāng)INT與GND間的電壓大于(電池電壓Vcc+二極管壓降0.3V)時(shí),可對(duì)電池進(jìn)行充電,有效地延長(zhǎng)了供電電池的壽命。

　　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　標(biāo)簽系統(tǒng)包括系統(tǒng)初始化配置和中斷響應(yīng)兩大部分,其程序流程圖如圖5所示。

　　系統(tǒng)初始化配置主要包括MSP430各端口初始化、時(shí)鐘設(shè)置、nrf2401配置及定時(shí)器和比較器中斷設(shè)置等。標(biāo)簽具有兩種工作狀態(tài),分別由定時(shí)器中斷和比較器中斷觸發(fā)。當(dāng)由定時(shí)器中斷觸發(fā)時(shí),標(biāo)簽只發(fā)送唯一標(biāo)識(shí),有利于裝備管理和設(shè)備跟蹤,同時(shí)縮短了標(biāo)簽進(jìn)入工作狀態(tài)的時(shí)間,有利于降低功耗;當(dāng)由比較器中斷觸發(fā)時(shí),標(biāo)簽發(fā)送標(biāo)簽標(biāo)識(shí)及FLASH改寫(xiě)請(qǐng)求,而后進(jìn)入接收狀態(tài),當(dāng)標(biāo)簽接收到讀寫(xiě)器改寫(xiě)信號(hào)后可改寫(xiě)FLASH信息,有效地提高了標(biāo)簽的安全性能,對(duì)FLASH改寫(xiě)完畢后發(fā)送確認(rèn)信號(hào),并進(jìn)入低功耗LMP3模式。

　　表1為標(biāo)簽系統(tǒng)功耗數(shù)據(jù),Nrf2401發(fā)射功率可調(diào),本設(shè)計(jì)采用-5dBm的功率發(fā)射,工作電流只有10.5mA。標(biāo)簽大部分時(shí)間處于LMP3低功耗模式下,系統(tǒng)總功耗只有5.5μW。當(dāng)定時(shí)器中斷觸發(fā)時(shí),標(biāo)簽發(fā)送標(biāo)簽信息,發(fā)送時(shí)間很短,有效地降低了功耗。當(dāng)由比較器中斷觸發(fā)時(shí),標(biāo)簽與讀寫(xiě)器進(jìn)行信息交互,系統(tǒng)所需功耗較大,時(shí)間較長(zhǎng),在此過(guò)程中,由125kHz天線接收到的能量信號(hào)若滿足電池充電條件(VINT-GND>(Vcc+0.3V)),可對(duì)標(biāo)簽供電電池進(jìn)行充電。實(shí)驗(yàn)證明,當(dāng)標(biāo)簽處于讀寫(xiě)器2m范圍內(nèi),可觸發(fā)比較器中斷,將標(biāo)簽激活;當(dāng)標(biāo)簽處于讀寫(xiě)器0～0.8m范圍內(nèi),可對(duì)標(biāo)簽供電電池進(jìn)行充電。分析可知,本設(shè)計(jì)采用兩種工作狀態(tài)有效地減少了系統(tǒng)功耗,同時(shí)可對(duì)標(biāo)簽供電電池進(jìn)行充電,使標(biāo)簽的使用壽命大幅度延長(zhǎng)。

　　結(jié)論

　　本文基于TI公司的單片機(jī)MSP430F147和Nordic公司的射頻芯片Nrf2401設(shè)計(jì)了一種有源電子標(biāo)簽,對(duì)軟硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的描述。本設(shè)計(jì)的創(chuàng)新點(diǎn)在于電子標(biāo)簽具有兩種工作狀態(tài),有效地減少了功率消耗,同時(shí)可采用125kHz能量信號(hào)對(duì)標(biāo)簽供電電池進(jìn)行充電,延長(zhǎng)了電池使用壽命。此種標(biāo)簽可廣泛地應(yīng)用于裝備管理和儀器設(shè)備的跟蹤方面。