基于MCP2030無線激活的低功耗系統(tǒng)設計

引言

進入21世紀之后，隨著社會信息化的不斷普及與發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)的應用越來越廣泛。其中自備電源嵌入式系統(tǒng)由于受功耗的限制，其設計與應用一直受到制約。一般來說，正常工作的嵌入式系統(tǒng)電流消耗在mA級，而處于休眠狀態(tài)下可以控制在μA級左右，3個數(shù)量級的能源節(jié)約對于有限的自備電源無疑具有極大的誘惑，所以這類系統(tǒng)基本上都要采用休眠激活的方案以實現(xiàn)節(jié)能，達到延長工作壽命的目的。

目前可供采用的休眠激活方案主要有3種：事件激活法、定時激活法和定位激活法。事件激活法主要應用于檢測告警等場合，系統(tǒng)一般處于休眠模式，如果特定參數(shù)超限就會激發(fā)系統(tǒng)工作，這種方法一般要與相應的傳感器配合實現(xiàn)，微處理器中也要占用相應的中斷資源；定時激活法主要應用于周期工作的系統(tǒng)（如小區(qū)三表數(shù)據(jù)的采集）中，系統(tǒng)按照定時器設定的時間間隔定期上報采集數(shù)據(jù)，這種激活法的實現(xiàn)也非常方便，只需在相應的微處理器中添加定時器的中斷處理程序；定位激活法主要應用于對位置敏感的系統(tǒng)（如貴重資產(chǎn)管理和停車場的自動道閘等）中，該系統(tǒng)在特定位置安裝檢測設備，如果有監(jiān)管人員或設備離開或進入這些特定領域將會激發(fā)系統(tǒng)工作。定位激活法的實現(xiàn)有多種，本文主要介紹利用無線信號進行定位激活的一種實現(xiàn)方法。

1 基本原理

無線信號頻譜中LF頻段信號具有穿透能力強的特點，它可以穿透非磁性介質，如水、混凝土、塑料等（不受視線距離限制），所以利用LF頻段設計激活電路是一種較好方案。無線信號頻率與波長存在反比例關系，天線長度取決于波長長度。500MHz RF信號的波長為60 cm，天線很短，完全可以方便地實現(xiàn)；而125 kHz LF信號的波長為2.4km，做這樣的天線肯定不實際。所以利用LF頻段信號作為激活信號，接收端不再采用電磁場（radio）原理進行工作，而是直接通過接收磁場（magnetic）信號，然后利用磁場在線圈中的感應信號進行判斷處理，如圖1所示。該系統(tǒng)主要由磁場發(fā)射端和接收端兩種設備組成。

MCP2030是Microchip公司開發(fā)的專門針對低頻無線磁場通信的模擬前端器件。該器件集成有8個可編程配置寄存器和1個只讀狀態(tài)寄存器，根據(jù)寄存器配置，MCP2030可以輸出解調數(shù)據(jù)、載波時鐘和磁場強度RSSI。該器件模擬接收電路具有較強的靈敏度，可以接收識別1mVpp信號并解調8%的微弱調制信號。為了得到可靠的磁場信號，MCP2030采用了3組天線和3組接收解調電路。3組天線分別指向互相垂直的X、Y、Z軸，這樣無論接收器如何放置，總可以得到磁場信號，從而解決了磁場信號的方向性問題。其結構框圖如圖2所示。

MCP2030集成了無線信號數(shù)字序列濾波部件，可以根據(jù)需要設定數(shù)字序列，器件只有當接收到特定數(shù)字序列時才做出響應，所以可有效避免其他信號干擾所引起的激活現(xiàn)象。圖3所示為無線數(shù)字序列符合設定數(shù)字序列的情況，特定的數(shù)字序列為“2ms有2ms無”載波信號，此時LFDATA在監(jiān)測到特定序列之后輸出的ASK調制信號，如果無線數(shù)字序列不符合設定數(shù)字序列，LFDATA無輸出。

MCP2030具有功耗極低的顯著優(yōu)勢，為便于在自備電源的嵌入式系統(tǒng)中應用，專門設計優(yōu)化了3種工作模式，即休眠模式、待機模式和工作模式。休眠模式由SPI接口命令進行控制，進入休眠之后，除寄存器、存儲器和SPI功能電路之外，包括RF限幅器在內的所有電路都將關閉，以使消耗的電流最低（0.2μA），需要用上電復位以及除休眠命令外的任何其他SPI命令將器件從休眠模式喚醒；當天線輸入沒有LF信號時，器件將自動處于待機模式，但器件內部各部分電路已上電并準備接收輸入信號，待機模式下電流消耗的典型值為4μA（3個接收天線工作）；當在LF天線輸入上有LF信號且內部電路隨接收的數(shù)據(jù)而進行切換時，器件處于低電流工作模式，該模式下電流消耗僅為13μA。

除此之外，該器件還支持半電源和無電源工作模式。無電源工作方式下，器件完全從磁場中提取能量進行工作；在半電源工作方式下，器件盡可能從磁場獲取能量，不得已情況下由電源供電。

2 設計應用

有源射頻標簽是射頻識別系統(tǒng)中的重要組成部分，相比而言具有存儲容量大、通信距離遠、功能豐富的優(yōu)勢，可以廣泛應用于物流跟蹤、貴重資產(chǎn)管理等領域。其內部電路主要部件有：控制器、激活信號檢測電路、RAM/ROM、定時器、UHF收發(fā)器、電源等。其中，激活信號檢測電路可以由MCP2030進行實現(xiàn)，如圖4所示。利用MCP2030針對設定數(shù)字序列進行識別接收的能力，可以有效地控制標簽的工作狀態(tài)。當標簽到達安裝有射頻激活發(fā)射器的特定位置時，MCP2030從SPI接口上輸出相應的接收信號，使得控制器退出休眠狀態(tài)，并對數(shù)據(jù)進行接收、分析和處理，最終存儲在RAM/ROM相應的位置中。當需要與讀寫器進行信息交互時，控制器通過UHF收發(fā)器進行通信，控制器處理完之后自動進入休眠狀態(tài)，直到下一次接收到磁場激活信號或定時器產(chǎn)生定時中斷。

如圖4所示，MCP2030與控制器通過SPI接口進行連接，SPI接口定義分別為LFDATA、SCCLK、MCCS。該接口命令由16位的控制字組成，命令格式如下：

D13～D15為命令類型，MCP2030根據(jù)命令類型確定后續(xù)的數(shù)據(jù)含義并執(zhí)行相應的操作。其中，0x07為寫數(shù)據(jù)命令，0x06為讀數(shù)據(jù)命令。如果是寫數(shù)據(jù)或讀數(shù)據(jù)命令，則后續(xù)D9～D12為寄存器地址，分別指定該命令所要操作的寄存器地址，D1～D8為寄存器數(shù)據(jù)內容，D0為該命令行校驗信息；如果不是寫數(shù)據(jù)或讀數(shù)據(jù)命令，則D0～D12的數(shù)據(jù)內容無意義。

為使MCP2030正常工作，系統(tǒng)上電復位時要對該器件進行正確的初始化配置。在此設定無線信號數(shù)字濾波序列為2 ms有2ms無，使能通道自動選擇功能和解調信號輸出功能，初始化程序段如下：

控制器向MCP2030發(fā)送數(shù)據(jù)的程序實現(xiàn)如下：

控制器從MCP2030接收數(shù)據(jù)的程序段如下：

結語

本文針對MCP2030的特點具體介紹了其在有源射頻標簽中的應用。該器件不僅集成有3通道低頻接收電路以及3方向的磁場檢測接收電路，而且功耗低，具備多種節(jié)能工作模式，非常適合于其他要求低功耗無線激活的嵌入式系統(tǒng)應用。

參考文獻

　　[1] Microchip Technology Inc. MCP2030 Datasheet，2006.

　　[2] Microchip Technology Inc. Low Frequency Magnetic Transmitter Design，20071029.