手持式RFID讀寫器的低功耗設(shè)計與測試

文章出處：http://m.botanicstilllife.com 作者：微計算機信息   人氣： 發(fā)表時間：2011年10月15日

    0 引言

    射頻識別RFID（Radio Frequency Identification）技術(shù)是利用無線射頻方式進行非接觸式雙向通信，以達到識別目標和交換數(shù)據(jù)的目的，實現(xiàn)對各種對象在不同狀態(tài)下的自動識別和管理的一種技術(shù)。目前廣泛應(yīng)用于身份識別、門禁管理、防偽、商業(yè)供應(yīng)鏈、公共交通管理、物流管理、生產(chǎn)線的自動化及過程控制、動物的跟蹤及管理、容器識別等領(lǐng)域。射頻識別讀寫器根據(jù)應(yīng)用場合可分為固定式讀寫器和手持式讀寫器等，其中手持式讀寫器具有比較大的靈活性，適用于不宜安裝固定式RFID 系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境。

    作為一種便攜式設(shè)備，手持式RFID 讀寫器一般采用可充電的電池來進行供電，因此，采用先進技術(shù)改進系統(tǒng)設(shè)計，降低功耗以提高其使用時間，是手持式讀寫器設(shè)計中需要重點研究解決的問題。本文主要介紹手持式RFID 讀寫器的低功耗設(shè)計方法，并通過測試軟件對所設(shè)計的讀寫器進行功耗測試。

    1 系統(tǒng)硬件組成及工作原理

    為滿足不同領(lǐng)域的應(yīng)用需求及二次開發(fā)設(shè)計需要實現(xiàn)各種功能的要求，手持式RFID 讀寫器主要由主控制模塊、RF 收發(fā)模塊、顯示模塊、實時時鐘模塊、擴展存儲模塊、USB 接口模塊、串行通信接口模塊、以太網(wǎng)絡(luò)接口模塊、鍵盤模塊及電源系統(tǒng)等組成，其硬件組成結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。手持式RFID 讀寫器通常由操作人員手持設(shè)備在某一區(qū)域內(nèi)完成對射頻標簽相關(guān)信息的采集及顯示，并將相應(yīng)數(shù)據(jù)存儲于讀寫器的存儲器中，待與計算機連接后通過串行通信接口或USB 接口傳送到本地計算機，也可通過網(wǎng)絡(luò)接口傳送到遠程的網(wǎng)絡(luò)計算機，以便計算機系統(tǒng)進行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理及應(yīng)用。為便于針對具體應(yīng)用場合與應(yīng)用系統(tǒng)計算機進行數(shù)據(jù)通信的需要，還提供了各種備選的通信接口，如USB 接口、RS232 接口、以太網(wǎng)絡(luò)接口等，二次開發(fā)時可根據(jù)需要適當(dāng)選擇是否保留。同時，為使手持式RFID 讀寫器能滿足不同場合的供電需要，電源系統(tǒng)采用了USB 電源、AC 電源以及電池供電相結(jié)合的模式，以便為RFID 系統(tǒng)進行工作供電或電池充電。 

　

圖1 RFID 讀寫器的組成結(jié)構(gòu)圖

    2 系統(tǒng)硬件低功耗設(shè)計

    在單片機系統(tǒng)中，系統(tǒng)的功耗由靜態(tài)功耗s P 和動態(tài)功耗d P 組成，如式（1）、（2）所示。 

    式中， DD U 為工作電源電壓， DD I 為靜態(tài)時由電源流向電路內(nèi)部的電流， TC I 為脈沖電流的時間平均值， T C 為芯片的負載電容， f 為工作頻率。

    由式（1）（2）可知,對系統(tǒng)的功耗影響最大是工作電源電壓,其次是工作頻率,再就是負載電容。對設(shè)計人員而言，負載電容一般是不可控的，故在不影響系統(tǒng)性能的前提下，系統(tǒng)低功耗設(shè)計主要是盡可能選擇低工作電壓的器件，并在電路設(shè)計中使用低頻率的時鐘。

    為了盡量減少系統(tǒng)的功耗，在手持式RFID 讀寫器的硬件設(shè)計中盡量采用低功耗器件，并根據(jù)不同工作狀態(tài)對系統(tǒng)的工作時鐘頻率進行調(diào)節(jié)。其中主控制器選用了高性能、超低功耗的MSP430F149 單片機，工作電壓為1.8～3.6V，可提供了6 種工作模式，即活動模式（AM）和低功耗模式0-4(LPM0-4)，能不同程度的減少芯片內(nèi)部以及外部模塊的功耗。相應(yīng)接口模塊也分別選用電壓工作為3.3V 以下的器件，如RF 收發(fā)模塊選用FM1702SL 射頻卡讀寫芯片，擴展存儲模塊選用AT45DB161B 串行FLASH 存儲器，顯示模塊及驅(qū)動芯片選用P13501 顯示模塊（含內(nèi)置驅(qū)動芯片SSD1303）， USB 接口選用IPS1582，串行通信接口選用MAX3232、網(wǎng)絡(luò)接口模塊選用ENC28J60 等。

    MSP430F149 單片機的基礎(chǔ)時鐘模塊主要由低頻晶體振蕩器（LFXT1）、高頻晶體振蕩器（XT2）、數(shù)字控制振蕩器(DCO)等模塊組成，可以提供主系統(tǒng)時鐘（MCLK）、子系統(tǒng)時鐘（SMCLK）及輔助時鐘（ACLK）3 種時鐘信號。為優(yōu)化低功耗特性，在手持式RFID 讀寫器設(shè)計中MSP430F149 可在滿足系統(tǒng)性能的前提下，通過軟件對基本時鐘系統(tǒng)控制寄存器BCSCTL1、BCSCTL1 及DCO 控制寄存器DCOCTL 進行編程設(shè)置DCO 的頻率用作MCLK、SMCLK 的時鐘源，其范圍為32768Hz～8MHz。其中ACLK 可采用32768Hz 的LFXT1CLK 以提供穩(wěn)定的系統(tǒng)時基和低功耗的備用工作時鐘頻率, MCU 在執(zhí)行程序時所需的MCLK 由可快速啟動的DCOCLK 提供，SMCLK 可采用DCOCLK 作為擴展FLASH 的時鐘信號，以滿足擴展FLASH 的讀寫操作時序要求。

    3 低功耗的軟件控制

    在低功耗硬件的基礎(chǔ)上，通過軟件采用MSP430F149 的可編程中斷結(jié)構(gòu)編程來管理系統(tǒng)的工作模式及外圍模塊的開關(guān)連接，從而控制讀寫器降低系統(tǒng)功耗。

    為充分利用MSP430F149 的低功耗功能，根據(jù)手持式RFID 讀寫器的工作狀態(tài)將其工作模式設(shè)為射頻模式、通信模式和待機模式，以盡量延長讀寫器的工作時間。其中射頻模式應(yīng)用于操作人員進行射頻識別的讀寫操作，當(dāng)射頻標簽進入工作區(qū)域時產(chǎn)生中斷使MSP430F149工作模式由低功耗模式LPM3 切換到活動模式AM；通信模式應(yīng)用于讀寫器進行USB 通信或RS232 串行通信或網(wǎng)絡(luò)通信等操作，由鍵盤中斷使MSP430F149 工作模式由低功耗模式LPM4切換到活動模式AM；待機模式則在系統(tǒng)無操作時由鍵盤中斷或定時超時中斷使MSP430F149工作模式由其他模式進行低功耗模式LPM4。

    另外，在不同的工作狀態(tài)也可通過軟件將MCU 的P1~P6 連接的接口電路設(shè)置為高阻狀態(tài)或?qū)⑾鄳?yīng)外圍模塊工作在省電工作模式，從而也可降低系統(tǒng)的功耗。如FM1702SLRF 收發(fā)芯片提供了Hard Power Down、Soft Power Down 及Stand by 三種省電模式，可由MCU 的IO線信號或通過軟件設(shè)置FM1702SL 內(nèi)部控制寄存器設(shè)置為省電模式，以實現(xiàn)低功耗的控制。

    4 功耗測試及結(jié)果分析

    為測試手持式RFID 讀寫器的系統(tǒng)功耗，按相應(yīng)測試規(guī)程設(shè)計的功耗測試主程序及功耗測試中斷程序的流程圖分別如圖2、圖3 所示。系統(tǒng)在功耗測試主程序的控制下進行待測試狀態(tài)，其中在接口初始化模塊中將鍵盤及顯示接口設(shè)置為功耗測試需要的功能，并提示用戶按測試流程進行相應(yīng)測試，等待操作人員進行功耗測試操作。當(dāng)操作人員按預(yù)定測試規(guī)程按下相應(yīng)鍵后調(diào)用功耗測試中斷程序進行測試。在相應(yīng)中斷程序中可按提示信息將主系統(tǒng)時鐘MCLK 及子系統(tǒng)時鐘SMCLK 時鐘頻率設(shè)置為8MHz、1MHz、400KHz,然后選擇工作模式設(shè)置為射頻模式、USB 通信模式或待機模式，最后選擇相應(yīng)模塊狀態(tài)設(shè)置為連接或關(guān)閉，并經(jīng)延時使系統(tǒng)工作穩(wěn)定后提示測試功耗，最后執(zhí)行中斷返回命令返回主程序待進行其他條件下的功耗測試。其中射頻模式下，系統(tǒng)中MCU 設(shè)為活動模式、RF 收發(fā)模塊的發(fā)射電路連續(xù)發(fā)射載波信號、模擬及數(shù)字電路正常工作，OLED 顯示標簽信息，其他通信模塊關(guān)閉；USB 通信模式下則是系統(tǒng)中MCU 設(shè)為活動模式、USB 通信工作，OLED 顯示通信信息，其他模塊關(guān)閉；待機模式下則是MCU 設(shè)為低功耗模式LPM4，其他模塊都關(guān)閉。 

　　

圖2 功耗測試程序流程圖

圖3 功耗測試中斷程序流程圖

    手持式RFID 讀寫器進行功耗測試時電源系統(tǒng)采用了1900mAh3.6V～4.2V 鋰電池供電。RS232 串行通信及以太網(wǎng)絡(luò)通信通常用AC 電源提供工作電源，故不進行功耗測試。在工作電壓為3.3V 條件下測得系統(tǒng)的消耗電流如圖4 所示。 

圖4 測試結(jié)果示意圖

    盡管芯片的個體差異及功耗測試程序可能存在差異，測試時得到的數(shù)據(jù)會不完全相同，但從圖4 仍可看出功耗變化的趨勢：（1）同一模式相同狀態(tài)下降低系統(tǒng)的工作時鐘頻率可以降低讀寫器的功耗；（2）同一模式關(guān)閉相應(yīng)模塊，可降低系統(tǒng)的功耗，特別是射頻模式更為明顯；（3）采用低功耗的工作模式可使讀寫器的功耗得到明顯的改善，特別是待機模式的功耗最高可降低到射頻模式的近10 倍以下，效果明顯。

    5 結(jié)束語

    手持式RFID 讀寫器采用了超低功耗的MSP430F149 單片機，并選用了低電壓器件，降低系統(tǒng)工作電壓。本設(shè)計的創(chuàng)新點是采用硬件設(shè)計和軟件管理的靜動態(tài)相結(jié)合方法來降低系統(tǒng)的功耗。測試結(jié)果表明，該設(shè)計方法有效地降低了系統(tǒng)設(shè)計的功耗。對進一步優(yōu)化手持式RFID 讀寫器軟件設(shè)計具有一定的指導(dǎo)意義，也可為其他低功耗系統(tǒng)的設(shè)計提供一種具有一定參考價值的設(shè)計方法。目前項目已投入試用，經(jīng)濟效益達20 萬元。