基于MSP430與CC2500的有源超低功耗RFID標(biāo)簽設(shè)計(jì)

0 引 言

目前，無(wú)源 RFID 標(biāo)簽在很多領(lǐng)域都得到廣泛使用，包括物流、煙草、醫(yī)藥、二代身份證、奧運(yùn)門票、寵物管理等，但由于其讀碼距離短，只能使用在短距離讀碼的場(chǎng)合，例如物流、門禁、身份證等。而與之對(duì)應(yīng)的有源 RFID[1-3] 標(biāo)簽技術(shù)，得益于其讀碼距離長(zhǎng)的特點(diǎn)，各行業(yè)對(duì)其需求量逐步增大。目前制約有源 RFID 標(biāo)簽廣泛使用的主要癥結(jié)在于需要定期更換電池，導(dǎo)致標(biāo)簽維護(hù)成本較高，因此有必要設(shè)計(jì)一款超低功耗的有源 RFID 標(biāo)簽，解決目前已有有源 RFID 標(biāo)簽方案功耗偏高的問(wèn)題。

本文提出的基于 MSP430 與 CC2500 的標(biāo)簽設(shè)計(jì)方案，在分析原有 WoR（Wake on Radio，WoR）技術(shù)消耗功耗的基礎(chǔ)上提出了心跳喚醒的算法，使得新算法消耗功耗比 WoR 技術(shù)方案降低約 43.7%，同時(shí)通過(guò)合理設(shè)計(jì)睡眠偵聽(tīng)占空比，可在保證讀碼速度的前提下，使得有源 RFID 標(biāo)簽 99.7% 的間工作在極低功耗 10 μA 的睡眠狀態(tài)，較好地滿足有源 RFID標(biāo)簽對(duì)超低功耗的要求，大大延長(zhǎng)了有源 RFID 標(biāo)簽電池的使用壽命，可廣泛應(yīng)用于鐵路調(diào)度、電力巡檢、物流等行業(yè)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與電路設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

有源 RFID 標(biāo)簽系統(tǒng)由應(yīng)用系統(tǒng)、讀寫器與有源 RFID標(biāo)簽三部分組成，如圖 1 所示。應(yīng)用系統(tǒng)主要指電力線路巡視手持機(jī)、物流手持機(jī)、鐵路調(diào)度讀碼器具等。讀寫器與標(biāo)簽之間采用 2.4G 頻道實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信，完成讀寫器對(duì)標(biāo)簽的訪問(wèn)。讀寫器一般情況下嵌入到其他應(yīng)用系統(tǒng)中，由其所在的系統(tǒng)供電，使用串口與其所在的系統(tǒng)進(jìn)行信息交互。標(biāo)簽采用電池供電，一般情況下處于超低功耗的睡眠偵聽(tīng)狀態(tài)，由讀寫器喚醒。

1.2 電路設(shè)計(jì)

讀寫器與標(biāo)簽采用相同的 MCU+RF 設(shè)計(jì)方案，不同處在于讀寫器要對(duì)外開(kāi)放 UART 接口。MCU 與 RF 射頻部分之間采用 SPI 接口通信。MCU 采用 TI 低功耗 MSP430 系列MSP430F2274IRHAT，RF 采用 CC2500，電路設(shè)計(jì)可參考文獻(xiàn) [4]。標(biāo)簽 MCU 控制部分電路如圖 2 所示。

2 關(guān)鍵技術(shù)分析與解決

2.1 原有 WoR 功耗分析

在 MSP430F2274+CC2500 的組合中，WoR 低功耗模式要求 MSP430F2274 在偵聽(tīng)階段所有時(shí)間都處于睡眠狀態(tài)，而CC2500 則進(jìn)入WoR 狀態(tài)，即 CC2500 處于睡眠與偵聽(tīng)交替的狀態(tài)，如圖 3 所示。該過(guò)程可描述為 ：睡眠 > 喚醒 > 晶體校對(duì) > 數(shù)據(jù)接收 > 睡眠，該周期可以通過(guò) CC2500 內(nèi)部的寄存器進(jìn)行設(shè)置，當(dāng)數(shù)據(jù)接收階段偵聽(tīng)到數(shù)據(jù)包后，則從CC2500 的 GDO2 輸出一個(gè)電平跳變，把 MSP430F2274 喚 醒，從而激活標(biāo)簽并與讀寫器之間建立穩(wěn)定的通信。這時(shí)計(jì)算 CC2500 WoR 各時(shí)序功耗 ：SLEEP 模式下為 60 μA，IDLE模式下為 20 mA，通信模式下為 27 mA，可以看出，WoR 方案下 CC2500 功耗較高，主要原因在于射頻芯片一直處于上電狀態(tài)，消耗能量較多。

2.2 心跳偵聽(tīng)方案設(shè)計(jì)

針對(duì) CC2500 WoR 狀態(tài)下功耗較高的問(wèn)題，本文提出了一種心跳偵聽(tīng)方案，此方案不同于 WoR 方案，MCU MSP430FF2274 處于睡眠喚醒狀態(tài)時(shí)，CC2500 處于斷電與上電狀態(tài)。MCU 按 T2 T2 T 周期心跳速率打開(kāi) CC2500 接收狀態(tài)進(jìn)行喚醒幀的偵聽(tīng)，偵聽(tīng)持續(xù)時(shí)間為 T1 T1 T ，如圖 4 所示。另外心跳偵聽(tīng)須與讀寫器的喚醒幀配合才能達(dá)到碼片喚醒的效果 ：讀寫器連續(xù)發(fā)出 250 個(gè)同步幀，每一個(gè)喚醒幀長(zhǎng)度為 1 ms，周期為 4 ms，250 個(gè)喚醒幀持續(xù)時(shí)間為 1 s，標(biāo)簽按 1 s（T2 T2 T ）心跳速率偵聽(tīng)空間是否存在喚醒幀，偵聽(tīng)時(shí)間為 T1 TT1。在偵聽(tīng)期間，MSP430F2274 與 CC2500 均處于工作狀態(tài)，將這段時(shí)間稱為“捕獲窗口”，在捕獲窗口，紅色喚醒幀被標(biāo)簽捕獲，這時(shí)標(biāo)簽對(duì)紅色喚醒幀進(jìn)行通信解析，判斷該幀是否符合規(guī)約，如果符合規(guī)約則系統(tǒng)進(jìn)入同步狀態(tài)。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 讀寫器軟件設(shè)計(jì)

讀碼器主要功能包括寫碼、讀單碼、讀多碼、讀碼片電池電壓值，如圖 5 所示。軟件開(kāi)發(fā)可參考文獻(xiàn) [5]，圖 5 中串口指令由應(yīng)用系統(tǒng)主板下發(fā)。

3.2 標(biāo)簽軟件設(shè)計(jì)

整個(gè)標(biāo)簽程序主要完成偵聽(tīng)喚醒、寫碼應(yīng)答處理、讀碼應(yīng)答處理功能，另外還具有標(biāo)簽電池電量采集功能，通過(guò)附帶在上行通信幀中上報(bào)給讀寫器，主要流程如圖 6 所示。

4 測(cè)試結(jié)果

測(cè)試工具包括直流電源、示波器、標(biāo)簽。將 10 Ω 電阻與標(biāo)簽串聯(lián)后接到 3 V 直流電源，示波器表并聯(lián)在 10 Ω 電阻上。示波器測(cè)試波形如圖 7 所示。圖左線條為 10 Ω 電阻上的電壓，波形凸起部分為捕獲窗口，時(shí)長(zhǎng)為 3 ms，周期為 1 s，幅度為 200 mV，得到電流為 20 mA。圖右為標(biāo)簽喚醒、同步、發(fā)送數(shù)據(jù)電流波形。睡眠電流為 10 μA，偵聽(tīng)電流為 20 mA，數(shù)據(jù)發(fā)送電流為 20 mA。計(jì)算占空比，偵聽(tīng)時(shí)間為 3 ms，偵聽(tīng)周期為 1 s，因此碼片有 0.3% 處于偵聽(tīng)狀態(tài)，按一年算，偵聽(tīng)時(shí)間 ：24 h×365×0.3%=26.28 h ；碼片有 99.7% 時(shí)間處于睡眠狀態(tài)，睡眠時(shí)間 ：24 h×365×99.7%=8 733.72 h，按照電力巡檢每天采碼（喚醒、通信、交互的過(guò)程約 3 s） 按 10 次計(jì)算， 一年時(shí)間內(nèi)， 工作時(shí)間為 ：3s×10×365/3 600=3 h，功耗為 ：（26.28 h+3 h）×20 mA+（8 733.72 h×0.01 mA）=672.9 mAh，按照電池 80% 有效率計(jì)算，兩節(jié)干電池 5 000 mAh 容量，碼片至少可以使用 5 年。同理，如將 WoR 偵聽(tīng)頻率設(shè)置為 1 s，一年的功耗為 ：（26.28 h+3 h）×20 mA+（8 733.72 h×（0.01 mA +0.06 mA））=1 196.31 mAh，由此可計(jì)算出新的心跳算法比原 WoR 偵聽(tīng)算法一年功耗降低約 523.41 mAh，優(yōu)化比例達(dá)到 43.7%（MCU 睡眠狀態(tài)的電流為 0.01 mA，RF 芯片 WoR下睡眠電流為 0.06 mA）。

5 結(jié) 語(yǔ)

MSP430 與 CC2500 的組合經(jīng)常用來(lái)作為有源 RFID 標(biāo)簽的設(shè)計(jì)方案，但 RF 芯片 CC2500 提供的 WoR 喚醒偵聽(tīng)功能由于其功耗較高會(huì)影響有源 RFID 標(biāo)簽的電池使用壽命，本文通過(guò)分析 WoR 功耗產(chǎn)生的原因，將 RF 芯片中的 WoR 轉(zhuǎn)換成 MCU 心跳喚醒偵聽(tīng)，功耗降低約 43.7%，同時(shí)通過(guò)合理設(shè)計(jì)睡眠偵聽(tīng)占空比，可在保證讀碼速度的前提下，使得有源RFID標(biāo)簽99.7%的時(shí)間工作在極低功耗10 μA的睡眠狀態(tài)，該標(biāo)簽可廣范應(yīng)用在電力線路巡視、鐵路調(diào)度、物流等行業(yè)中。