低功耗非接觸式射頻讀寫(xiě)器的設計與實(shí)現

芯片電路的功耗主要來(lái)自開(kāi)關(guān)的動(dòng)態(tài)功耗和漏電的靜態(tài)功耗。動(dòng)態(tài)功耗主要是電容的充放電(包括網(wǎng)絡(luò )電容和輸入負載)以及P/N MOS同時(shí)打開(kāi)形成的瞬間短路電流。靜態(tài)功耗主要是擴散區與襯底形成二極管的反偏電流和關(guān)斷晶體管中通過(guò)柵氧的電流。工作時(shí)序及軟件算法設計有缺陷，會(huì )降低系統工作效率、延長(cháng)工作時(shí)間，也會(huì )直接增加系統能量的消耗。本文將具體闡述低功耗設計理念在基于MSP430和MFRC522的非接觸式讀寫(xiě)器上的應用與實(shí)現。

　　模塊電路設計

　　系統選用MSP430F413單片機和MFRC522射頻芯片。為簡(jiǎn)化系統結構，本系統僅由低電壓報警單元、MCU單元、射頻收發(fā)單元、天線(xiàn)、紅外發(fā)射接收以及外圍信號組成。

　　本系統選用的是SPI接口方式，其連接圖如圖1所示。 

　　圖1 MCU與射頻接口及下載接口圖

　　MSP430選用JTAG接口下載仿真程序。為了進(jìn)一步減少功耗，在系統處于休眠模式時(shí)可通過(guò)指令關(guān)閉SPI接口和MCU中無(wú)用的端口。

　　射頻卡讀寫(xiě)器采用電感耦合式天線(xiàn)，主要用于產(chǎn)生磁通量，而磁通量用于向射頻卡提供電源并在讀卡器與射頻卡之間傳輸信息。當一個(gè)RFID系統正常工作時(shí)所需的磁感應強度B一定時(shí)，安培匝數NI由環(huán)形天線(xiàn)的邊長(cháng)a以及標簽和讀寫(xiě)器天線(xiàn)的距離x來(lái)共同決定。其關(guān)系式為： 

　　電感耦合式天線(xiàn)的特征值主要有品質(zhì)因數(Q)和諧振頻率。一般而言，Q一方面衡量能量的傳輸效率，另一方面也衡量頻率的選擇性。對于并聯(lián)諧振回路，Q可以定義為：

　　Q=2πfRC=R/(2πfL)(f在本系統中為13.56MHz) (2)

　　式中：f為諧振頻率;R為負載電阻;L為回路電感;C為回路電容。Q值越高，天線(xiàn)的輸出能量越高，然而太高的Q值會(huì )干擾讀寫(xiě)器的帶通特性，從而無(wú)法遵從協(xié)議標準。一般來(lái)說(shuō)，Q=20時(shí)，整個(gè)系統的帶通特性與帶寬都比較好。RFID系統中的品質(zhì)因數一般在10~30內取值，最大不要超過(guò)60。

　　MFRC522從TX1和TX2引腳發(fā)射的信號是已調制的13.56MHz載波信號，輔以多個(gè)無(wú)源器件實(shí)現匹配和濾波功能，以直接驅動(dòng)天線(xiàn)。其匹配電路和信號接收電路如圖2所示。 

　　圖2 天線(xiàn)匹配電路

　　紅外發(fā)射接收電路部分的設計目的是為了節省電源開(kāi)支，當系統處于休眠模式時(shí)停止發(fā)射無(wú)線(xiàn)電波，可外加一個(gè)紅外對管來(lái)檢測是否有卡進(jìn)入天線(xiàn)范圍。當紅外接收管接收到外界有卡時(shí)立即進(jìn)入中斷，跳出休眠模式，對外發(fā)射無(wú)線(xiàn)電波，并進(jìn)行相關(guān)的操作。這種通過(guò)指令間斷打開(kāi)紅外發(fā)射管檢測是否有卡再進(jìn)入中斷喚醒CPU和打開(kāi)天線(xiàn)的方法縮短了天線(xiàn)和紅外管的電流消耗，從而節省了功耗。 

　　CPU的運行時(shí)間對系統的功耗影響很大，所以應盡可能縮短其工作時(shí)間，使系統較長(cháng)時(shí)間處于休眠或低功耗模式。當系統上電完成初始化操作后立即進(jìn)入休眠模式，只有當紅外接收管接收到信號時(shí)產(chǎn)生中斷才打開(kāi)天線(xiàn)進(jìn)入工作模式。其中斷服務(wù)程序如下：

　　#pragma vector=PORT2 _VECTOR__interrupt void Port_2(void)

　　{ LPM3_EXIT; //退出休眠

　　PcdAntennaOn(); //開(kāi)啟天線(xiàn)

　　PcdReset(); //RC522復位

　　P1OUT = 0xFF; //打開(kāi)SPI接口

　　station=1; //轉入工作模式

　　P2OUT|=BIT6; //LED亮

　　P2IFG&= ~(BIT7); //清除標記}

　　圖3是程序運行的流程圖。 

　　圖3是程序運行的流程圖。

　　MSP430有五種低功耗模式，本系統采用的是LPM_3，此時(shí)DC發(fā)生器的DC電流被關(guān)閉，只有晶振活動(dòng)。用晶振做系統主時(shí)鐘和定時(shí)器時(shí)鐘源，對紅外接收管腳中斷使能定義，使紅外發(fā)射管每隔0.24s發(fā)射一個(gè)0.03ms的脈沖，間斷地檢測在天線(xiàn)范圍內是否有卡，有卡時(shí)紅外接收管產(chǎn)生中斷進(jìn)入中斷服務(wù)程序。這樣讓I/O口間歇運行既不影響正常讀卡也能節省電能。

　　盡量減少CPU的運算量，將一些運算的結果預先算好，放在Flash里，用查表的方式代替實(shí)時(shí)計算，需要運算時(shí)最好使用分數運算，盡量避免浮點(diǎn)數運算。定義變量時(shí)，盡量使用字符型變量。減少CPU的運算量可以有效降低CPU的功耗。

　　總結

　　本文利用MSP430單片機的中斷、定時(shí)、運算等功能，借助于軟件優(yōu)勢，及MFRC522的低電壓，小體積等特點(diǎn)，使讀卡器讀卡距離為0~60mm，休眠模式的電流<10μA，工作模式時(shí)電流約為150mA，延長(cháng)了電池的壽命，增加了系統可靠運行的時(shí)間。

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