用于定位的低功耗有源RFID標(biāo)簽設(shè)計方案

　　該方案在硬件上采用了MSP430F2012單片機和nRF24L01射頻芯片的低功耗組合;軟件上則結(jié)合了RFID定位的特點，有別于一般以識別為主要目的的標(biāo)簽的設(shè)計方法，并分析了其軟件設(shè)計流程以及簡單的防沖突能力。通過良好匹配的天線，本設(shè)計方案有效讀取距離可達幾十米，足以應(yīng)付一般空間內(nèi)定位的需求。

　　1.引言

　　射頻識別(RFID)技術(shù)是采用無線射頻的方式實現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)交換并識別身份，RFID定位正是利用了這一識別特性，利用閱讀器和標(biāo)簽之間的通信信號強度等參數(shù)進行空間的定位。RFID標(biāo)簽按供電方式分為有源和無源2種，無源標(biāo)簽通過捕獲閱讀器發(fā)射的電磁波獲取能量，具有成本低、尺寸小的優(yōu)勢;有源標(biāo)簽通常采用電池供電，具有通信距離遠、讀取速度快、可靠性好等優(yōu)點，但需要考慮低功耗設(shè)計以增強電池的續(xù)航能力。本文從有源標(biāo)簽的設(shè)計理念出發(fā)，針對小范圍空間RFID定位的需求，根據(jù)低功耗、高效率的原則進行RFID標(biāo)簽的設(shè)計，并闡述了其硬件組成、軟件流程和防沖突能力。

　　2.系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　有源標(biāo)簽在設(shè)計中除了需要考慮低成本、小型化之外，最重要的是要采取低功耗設(shè)計。RFID標(biāo)簽從整體結(jié)構(gòu)上看，通常包括2個部分：控制端和射頻端，因此在選擇控制芯片和射頻芯片時需要優(yōu)先考慮其低功耗性能。本文在此基礎(chǔ)上選擇了MSP430F2012 控制芯片和nRF24L01射頻芯片;天線則選用了Nordic公司的PCB單端天線;標(biāo)簽采用3V-500mAh紐扣電池供電。系統(tǒng)工作在2.4GHz 全球ISM頻段。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

　　2.2 芯片選擇及低功耗設(shè)計

　　TI推出的MSP430系列單片機是16位Flash型RISC指令集單片機，以超低功耗聞名業(yè)界。MSP430F2012芯片工作電壓僅為1.8~3.6V，掉電工作模式下消耗電流為0.1μA，等待工作模式下消耗電流僅為0.5μA[4]。本設(shè)計中，MSP430F2012被長時間置于等待工作模式，通過中斷喚醒的方式使其短暫進入工作狀態(tài)，以節(jié)省電能。MSP430F2012具有3組獨立的時鐘源：

　　片內(nèi)V L O(超低功耗振蕩器)、片外晶振、DCO(數(shù)字控制振蕩器)。其中，片外時鐘基于外部晶振;DCO由片內(nèi)產(chǎn)生，且頻率可調(diào)。顯然，主系統(tǒng)時鐘頻率的高低決定著系統(tǒng)的功耗，尤其是選擇了高速片外晶振的情況下，因此，MSP430F2012提供了在不同時鐘源間進行切換的功能。

　　在實際設(shè)計中，通過實時重新配置基礎(chǔ)時鐘控制寄存器以實現(xiàn)主系統(tǒng)時鐘和輔助系統(tǒng)時鐘間的切換，既不失性能，又節(jié)約了能耗。

　　MSP430F2012具有LPM0~LPM4五種低功耗模式，合理的利用這五種預(yù)設(shè)的模式是降低 MCU功耗的關(guān)鍵，本設(shè)計中，MSP430F2012在上電配置完畢后將直接進入LPM3模式，同時開啟中斷，等待外部中斷信號。此外，由于 MSP430F2012是一款多功能通用單片機，片內(nèi)集成了較多功能模塊，在上電配置時即停止所有不使用的功能模塊也能起到降低系統(tǒng)功耗的目的。

　　由于R F I D標(biāo)簽消耗能量的近2 / 3用于無線收發(fā)， 因此選擇一款超低功耗的無線收發(fā)芯片就顯得至關(guān)重要。

　　nRF24L01是Nordic公司開發(fā)的2.4GHz超低功耗單片無線收發(fā)芯片，芯片有125個頻點，可實現(xiàn)點對點和點對多點的無線通信，最大傳輸速率可達2 M b p s，工作電壓為1.9~3.6V.為了凸顯其低功耗性能，芯片預(yù)置了兩種待機模式和一種掉電模式。更值得一提的是nRF24L01的 ShockBurstTM模式及增強型ShockBurstTM模式，S h o c k B u r s t T M模式真正實現(xiàn)了低速進高速出，即M C U將數(shù)據(jù)低速送入nRF24L01片內(nèi)FIFO，卻以1Mbps或2Mbps高速發(fā)射出去。本設(shè)計正是利用了增強型ShockBurstTM模式，使得 MSP430F2012即便在32768Hz低速晶振下也能通過射頻端高速的將數(shù)據(jù)發(fā)射出去，既降低了功耗，又提高了效率，增強了系統(tǒng)防沖突和應(yīng)付移動目標(biāo)能力。

　　2.3 電路設(shè)計

　　本系統(tǒng)主要運用于RFID定位方面，除了簡單的識別外，重點在于閱讀器對標(biāo)簽信號強度的測量，因此閱讀器與標(biāo)簽間不會有大數(shù)據(jù)量頻繁的讀寫操作，在電路設(shè)計時可省略片外EEPROM.同時還可以省去穩(wěn)壓電路以節(jié)省靜態(tài)電流消耗。硬件原理圖如圖2所示。

　　3.系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　系統(tǒng)軟件設(shè)計選用了IAR EmbeddedWorkbench V4.11B平臺下的C語言編程環(huán)境，設(shè)計中綜合考慮了M S P 4 3 0 F 2 0 1 2和nRF24L01芯片的低功耗性能、穩(wěn)定性和程序執(zhí)行效率。