基于MSP430F2012和IA4420的主動(dòng)式RFID標(biāo)簽設(shè)計(jì)

概述

射頻識(shí)別(RFID)是近年來(lái)成長(zhǎng)最快的無(wú)線技術(shù)之一，它將條形碼及無(wú)線技術(shù)的優(yōu)勢(shì)帶入資產(chǎn)管理、產(chǎn)品跟蹤、海運(yùn)及運(yùn)輸識(shí)別、庫(kù)存控制和定位檢測(cè)中。大多數(shù)RFID系統(tǒng)采用通過(guò)RF從閱讀器獲取電源的被動(dòng)式標(biāo)簽。這樣有利于減小標(biāo)簽尺寸和降低成本，但是會(huì)限制讀取范圍和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力。帶電池的主動(dòng)式標(biāo)簽可以提供較大范圍的讀取能力和更強(qiáng)的可靠性，不過(guò)其尺寸較大，也更貴一些。采用最新的低功耗單片機(jī)和無(wú)線數(shù)傳芯片，設(shè)計(jì)一種不僅讀取距離遠(yuǎn)、可靠度高，而且成本更低、壽命更長(zhǎng)的主動(dòng)式RFID標(biāo)簽是本設(shè)計(jì)研究的目的。

設(shè)計(jì)方案分析

本設(shè)計(jì)完成的主動(dòng)式RFID應(yīng)具有：低成本、低功耗、閱讀距離長(zhǎng)及距離可調(diào)、電池供電等特性。分析主動(dòng)式RFID的這些特性要求，形成設(shè)計(jì)方案如下：

低成本：以通常的基于RFID的電子識(shí)別系統(tǒng)來(lái)講，用于標(biāo)示物體的RFID標(biāo)簽總是有較大的使用量。標(biāo)簽的單價(jià)直接影響到系統(tǒng)整體造價(jià)的高低。雖然主動(dòng)式RFID相比被動(dòng)式RFID具有：識(shí)別距離遠(yuǎn)、識(shí)別速度快、防沖突性能好等優(yōu)勢(shì)，但如果價(jià)格差別較大，也會(huì)成為應(yīng)用推廣中的障礙。所以，應(yīng)盡可能降低標(biāo)簽成本。

從器件選型入手，選用集成度高的MCU和無(wú)線數(shù)傳芯片，盡量減少外圍器件的數(shù)量，不僅可以降低硬件成本，還避免了生產(chǎn)過(guò)程中的統(tǒng)調(diào)工作，降低了生產(chǎn)成本。本設(shè)計(jì)選用MSP430F2012單片機(jī)，內(nèi)部PLL電路可以節(jié)省一般單片機(jī)必需的外部晶振；內(nèi)建電源電壓監(jiān)測(cè)/欠壓復(fù)位模塊(BOR)省去了外部復(fù)位電路；選用IA4420無(wú)線數(shù)傳芯片，是目前同類無(wú)線數(shù)傳芯片中外圍元件最少的一種(僅需一個(gè)10MHz晶振)；差分天線接口可直連設(shè)計(jì)在PCB上的微帶天線。這些都使得本設(shè)計(jì)的硬件成本降到了最低。

低功耗：由于主動(dòng)式RFID標(biāo)簽為電池供電，為了延長(zhǎng)電池使用壽命，系統(tǒng)對(duì)低功耗性能要求嚴(yán)格。MSP430單片機(jī)擁有0.5mA的保持模式待機(jī)電流和250mA/MIPS的運(yùn)行功耗，是目前業(yè)界公認(rèn)的低功耗單片機(jī)；IA4420的低功耗待機(jī)模式電流消耗低至0.3mA。為本設(shè)計(jì)的低功耗性能提供了基礎(chǔ)保證。
低功耗設(shè)計(jì)，一方面從元器件的選擇入手，另一方面要設(shè)計(jì)優(yōu)化合理的運(yùn)行時(shí)序，在完成標(biāo)簽功能的前提下，使電路在大多數(shù)時(shí)間處于待機(jī)狀態(tài)。

長(zhǎng)距離及距離可調(diào)：無(wú)線信號(hào)在自由空間中的視距傳輸距離，與系統(tǒng)總增益的log對(duì)數(shù)成正比，在不增加發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度的情況下，選擇高接收靈敏度無(wú)線數(shù)傳芯片可以達(dá)到增加傳輸距離的效果。

IA4420具有-109dBm的接收靈敏度和最大8dBm射頻信號(hào)輸出功率，室外開闊地實(shí)測(cè)傳輸距離達(dá)200米以上。按“6dB”法則，在無(wú)線系統(tǒng)中，總增益每增加或減少 6dB ，傳輸距離延長(zhǎng)或縮短一倍。IA4420的信號(hào)輸出功率具有0，-3dBm，-6 dBm，-9 dBm，-12 dBm，-15 dBm，-18 dBm，-21 dBm共8級(jí)可調(diào)，配合0、-6、-14、-20可調(diào)的接收端LAN增益，實(shí)現(xiàn)了標(biāo)簽閱讀距離的大范圍多級(jí)可調(diào)。

電池供電：本設(shè)計(jì)選用單節(jié)CR2032紐扣式鋰錳電池，該電池公稱電壓3V，容量200mAh，建議間歇放電電流<15mA。CR2032具有每年低于1%的內(nèi)在超低漏電以及極其平坦的放電曲線(這兩種特性是延長(zhǎng)電池使用壽命的理想選擇)。本設(shè)計(jì)省去電池到器件之間的穩(wěn)壓電路，直接由電池給系統(tǒng)供電。也節(jié)省了穩(wěn)壓電路所帶來(lái)的靜態(tài)電流消耗，使電池壽命進(jìn)一步延長(zhǎng)。為防止發(fā)射狀態(tài)較大的電流造成電池電壓瞬態(tài)降低，使用較大容量電容與電池并聯(lián)。

直接用電池為單片機(jī)供電，一個(gè)值得注意的問(wèn)題是：更換電池時(shí)電池導(dǎo)線的機(jī)械接觸會(huì)產(chǎn)生電源噪聲，使單片機(jī)復(fù)位不完全而產(chǎn)生隨機(jī)錯(cuò)誤操作。MSP430F2012內(nèi)部集成零功耗欠壓復(fù)位 (BOR) 保護(hù)功能，可以在電壓低于安全操作范圍時(shí)執(zhí)行完全復(fù)位，很好地解決了這一問(wèn)題。

硬件電路設(shè)計(jì)

MSP430F2011
MSP430是TI公司的一個(gè)超低功耗單片機(jī)系列，完美地整合了低功耗、速度和片上外圍器件：CPU采用16位精簡(jiǎn)指令集，集成了16個(gè)通用寄存器和常數(shù)發(fā)生器，極大提高了代碼的執(zhí)行效率；該系列單片機(jī)還將大量的外圍模塊整合到片內(nèi)，適合構(gòu)成較完整的片上系統(tǒng)；提供了5種低功耗模式，主要面向電池供電的應(yīng)用。本設(shè)計(jì)選用的MSP430系列中更低成本，更高性能的新型單片機(jī)—MSP430F2012。

IA4420
IA4420是Integration公司推出的一體化無(wú)線數(shù)傳芯片，RF功能全內(nèi)置，外部只要一個(gè)10MHz晶振即可工作。

主動(dòng)式RFID標(biāo)簽的電路圖見圖1。

圖1  主動(dòng)式RFID標(biāo)簽電路圖

通訊協(xié)議

所有的標(biāo)簽和閱讀器的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸均工作在同一個(gè)無(wú)線電頻率。在標(biāo)簽閱讀器的讀取范圍(無(wú)線信號(hào)覆蓋范圍)內(nèi)只有一個(gè)標(biāo)簽的情況下，標(biāo)簽與閱讀器進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)無(wú)線通訊，無(wú)線電信號(hào)不會(huì)產(chǎn)生沖突。但如果閱讀器的讀取范圍有多個(gè)標(biāo)簽存在，則需要考慮多個(gè)標(biāo)簽同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)(多路存取)時(shí)產(chǎn)生的無(wú)線電信號(hào)沖突，并制定相應(yīng)的防沖突機(jī)制加以解決。

本設(shè)計(jì)遵從ISO/IEC 18000-7《433 MHz有源RFID空中接口通信參數(shù)》中關(guān)于主動(dòng)式RFID標(biāo)簽通訊協(xié)議的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層的所有約定。

結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)通過(guò)合理選擇元件，圍繞低成本、低功耗、長(zhǎng)距離、電池供電等特性要求優(yōu)化電路以及在設(shè)計(jì)中遵從ISO/IEC標(biāo)準(zhǔn)通訊協(xié)議，設(shè)計(jì)完成的主動(dòng)式RFID標(biāo)簽在性能指標(biāo)、穩(wěn)定性、兼容國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和低硬件成本方面具有非常大優(yōu)勢(shì)。

以本設(shè)計(jì)完成的RFID標(biāo)簽，與配套的閱讀器可以組成人員或物品電子識(shí)別/定位系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于采礦、工業(yè)生產(chǎn)、道路交通、物流運(yùn)輸、醫(yī)療、醫(yī)藥、國(guó)防安全等眾多領(lǐng)域。

參考文獻(xiàn)：
1.  INTEGATION公司，IA4420 Universal ISM Band FSK Transceiver DATASHEET，2006
2.  TI/杭州利爾達(dá)科技有限公司，MSP430F2XX用戶手冊(cè)(中文版)，2006
3.  ISO/IEC18000-7：2004 《433 MHz有源RFID空中接口通信參數(shù)》