基于MSP430單片機的低功耗主動式RFID標(biāo)簽設(shè)計

引言　　射頻識別（rfid）技術(shù)近年來在國內(nèi)外得到了迅速發(fā)展。對于需要電池供電的便攜式系統(tǒng)，功耗也越來越受到人們的重視。本文將具體闡述基于msp430f2012和cc1100低功耗設(shè)計理念的雙向主動式標(biāo)簽的軟硬件實現(xiàn)方法?！　〉凸脑O(shè)計　　低功耗概述　　功耗基本定義為能量消耗的速率，可分為瞬態(tài)功耗和平均功耗兩類。兩者意義不同，有不同的應(yīng)用背景和優(yōu)化策略，通常被籠統(tǒng)地概括為低功耗設(shè)計。實際研究中可根據(jù)不同情況區(qū)分為：　　(1)瞬態(tài)功耗優(yōu)化：目標(biāo)是降低峰值功耗，解決電路可靠性問題?！　?2)平均功耗優(yōu)化：目標(biāo)是降低給定時間內(nèi)的能量消耗，主要針對電池供電的便攜電子設(shè)備，以延長電池壽命或減輕設(shè)備重量?！　」牡奈锢韥碓础　⌒酒娐返墓闹饕獊碜詢煞矫妫簞討B(tài)功耗和靜態(tài)功耗。動態(tài)功耗主要是電容的充放電和短路電流。靜態(tài)功耗主要是漏電流，包括pn結(jié)反向電流和亞閾值電流，以及穿透電流。如果工作時序及軟件算法設(shè)計有缺陷，會降低系統(tǒng)工作效率、延長工作時間，也會直接增加系統(tǒng)能量的消耗?！　〉凸脑O(shè)計策略　　算法級功耗優(yōu)化：在電路設(shè)計的開始，就要進行算法的選擇，應(yīng)該盡量選擇功耗效率高的算法。首先，從實現(xiàn)算法所需邏輯的大小來看，算法中操作的數(shù)目、所需要的帶寬、存儲操作、端口操作越少，此算法應(yīng)用到的電路功耗越低。在實際的設(shè)計中，需要按照應(yīng)用的要求進行總體性能和功耗的均衡。同時，算法中需要的協(xié)處理必須考慮，算法所需的協(xié)處理越簡單、協(xié)作模塊越少、實現(xiàn)算法所需要的功耗就越小。此外，算法中臨時變量少、臨時變量有效的時間短、循環(huán)的合理運用都會降低算法所需的功耗。　　系統(tǒng)級功耗設(shè)計與管理：系統(tǒng)級的功耗管理主要是動態(tài)功耗管理。通常的做法是處于空閑狀態(tài)的時候，運作于睡眠狀態(tài)，只有部分設(shè)備處于工作之中；當(dāng)產(chǎn)生一個中斷時，由這個中斷喚醒其它設(shè)備。實際上，這一部分需要硬件的支持，如：電源系統(tǒng)的低功耗技術(shù)；系統(tǒng)軟硬件的劃分，在于決定哪些功能模塊由軟件來實現(xiàn)功耗較小，哪些功能模塊由硬件實現(xiàn)功耗較小；低功耗處理器的選擇?！　∠到y(tǒng)硬件設(shè)計　　綜合考慮系統(tǒng)功耗來源與低功耗設(shè)計策略，硬件設(shè)計選擇具有低功耗特性的單片機及射頻收發(fā)芯片，并盡量簡化電路減少功耗開支?！　≈饕酒倪x擇　　msp430系列單片機的結(jié)構(gòu)完全以系統(tǒng)低功耗運行為核心，電源采用1.8~3.6v 低電壓，活動模式耗電250μa/mips，ram數(shù)據(jù)保持方式下耗電僅0.1μa。由于系統(tǒng)在90%以上的時間內(nèi)都是處于休眠或低功耗狀態(tài)，因此漏電流成為影響系統(tǒng)功耗的另一個重要因素，其i/o輸入端口的漏電流最大僅為50na。加上有獨特的時鐘系統(tǒng)設(shè)計，包括兩個不同的時鐘系統(tǒng)：基本時鐘系統(tǒng)和鎖頻環(huán)（fll和fll+）時鐘系統(tǒng)或dco數(shù)字震蕩器時鐘系統(tǒng)。由時鐘系統(tǒng)產(chǎn)生cpu和各功能模塊所需的時鐘，并且這些時鐘可以在指令的控制下打開或關(guān)閉，從而實現(xiàn)對總體功耗的控制。由于系統(tǒng)運行時使用的模塊不同，即采用不同的工作模式，芯片的功耗會有明顯的差別。在系統(tǒng)中共有一種活動模式（am）和五種低功耗模式（lpm0~lpm4）。另外，msp430系列單片機采用矢量中斷，支持十多個中斷源，并可以任意嵌套。用中斷請求把cpu喚醒只需要6μs，通過合理編程，既可以降低系統(tǒng)功耗，又可以對外部請求做出快速響應(yīng)。　　射頻芯片是整個rfid卡最核心的部分，直接關(guān)系到標(biāo)簽的讀寫距離和可靠性，同時也直接影響到整個系統(tǒng)的功耗。cc1100是chipcon公司推出的單片uhf無線發(fā)射芯片，體積小，功耗低，數(shù)據(jù)速率支持1.2~500kbps的可編程控制，其工作電壓范圍為1.9~3.6v，可以工作在915mhz.、868mhz.、433mhz和315mhz四個波段，還可通過程序配置在所有頻段提供-30~10 dbm輸出功率內(nèi)置地址解碼器、先入先出堆棧區(qū)、調(diào)制處理器、時鐘處理器、gfsk濾波器、低噪聲放大器、頻率合成器，功率放大器等功能模塊。它具有兩種低功耗工作模式：關(guān)機模式和空閑模式，在關(guān)機模式下工作電流小于200na。本文中cc1100工作在433mhz的頻率上，采用fsk調(diào)制方式，數(shù)據(jù)速率為100kbps，信道間隔為200khz。　　電路設(shè)計　　為簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，本系統(tǒng)僅由必須的微處理器單元、射頻收發(fā)單元、天線及電池單元組成。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。節(jié)省了穩(wěn)壓電路所帶來的靜態(tài)電流消耗，使電池壽命進一步延長。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)。msp430f2012內(nèi)部集成的零功耗欠壓復(fù)位（bor）保護功能，可以在電壓低于安全操作范圍時執(zhí)行完全復(fù)位，很好地解決了單片機復(fù)位不完全而產(chǎn)生的隨機錯誤操作問題?！　≤浖O(shè)計　　盡量用軟件來代替硬件也是低功耗系統(tǒng)設(shè)計常常采取的措施。本次程序開發(fā)綜合考慮了時序調(diào)度和工作效率兩方面問題，以降低系統(tǒng)的功耗。　　合理