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基于RFID的低功耗有源手持机设计
作者：RFID世界网 收编
来源：21IC电子网
日期：2011-05-18 08:58:59
摘要：提出一种可以显著降低有源RFID手持机功耗的流程，并采用微处理器LPC2142为核心，结合MAX1551、LTC3530、LTC3525-5 V、CH45 2A、nRF24L01等外围器件，完成具有有源RFID标签读写功能的低功耗手持机的设计。该手持机在开阔场地的有效阅读距离可以达到80 m左右，其电池的待机时间为10天以上。
引言
射频识别技术(Radio Frequeney Identification，RFID)是从20世纪80年代发展起来的一项自动识别技术。通过射频信号对某个目标的ID进行自动识别得到对象信息，并获取相关数据。其突出优点是环境适应性强，能够穿透非金属材质，数据存储量大，抗干扰能力强。根据供电方式的不同，可以将RFID分为两类：一类是无源RFID，另一类是有源RFID。无源RFID工作时标签通过读写器的电磁场获得能量，标签本身不需要电池；有源RFID则恰恰相反，电子标签需要自备电池，提供全部器件工作所需的电源。与无源RFID系统相比，有源RFID系统对阅读器的发射功率要求更低，有效阅读距离也更远，因此在很多领域都有着广泛的应用。
1 有源RFID系统组成及工作原理
有源RFID系统由有源标签、阅读器和应用系统3个部分组成，如图1所示。有源标签具有唯一的身份识别码(即ID)，一些有源标签内部还集成了传感器，用于对特定物理量的测量。在阅读器的有效工作范围内，电子标签主动地将自己的ID和所测得的物理量以电磁波的形式发送给阅读器，阅读器将相关信息存储在自己的存储设备中。存储在阅读器中的数据可以通过以太网口、RS232、USB等通信接口传送给应用系统，以便对数据进行进一步处理。
本文设计的有源手持机的结构框图如图2所示。其核心是微处理器(Microprocessor Unit，MPU)；复位电路、时钟电路、电源、键盘、LCD显示是最小系统不可缺少的组成部分，用来维持系统正常工作以及进行人机交互；声音提示电路用来进行操作有误或者电池电量不足时的报警提示；背光电路可以为键盘和LCD提供背光；电量检测电路通过检测电池的电压，依照电池电量和电压的对照关系，间接地检测出电池的剩余电量；RF电路通过天线可以进行射频信号的收／发；外扩Flash可以存储读取到标签的身份识别码、汉字点阵字库以及相关属性等信息；USB接口可使手持机与PC机进行数据通信；JTAG接口用来下载和调试程序。
主控模块采用NXP公司基于ARM7内核的LPC2142微处理器。LPC2142具有USB2．O接口、2个I2C接口、2个串口、1个SPI接口、1个SSP接口、6个A／D通道，以及16 KB的RAM和64 KB的Flash；还具有实时时钟(RTC)，可以避免外接实时时钟带来的麻烦。通过分析得知，该微处理器完全可以满足系统的需求。主控模块的电路图如图3所示。
为保证系统能够可靠复位，采用专用的复位芯片CAT809进行系统的复位。复位电路如图4所示。
电量检测电路采用LPC2142内部的A／D转换器。A／D的参考电压Vref由电源电压+3．3 V通过电阻分压得到，如图5所示。参考电压的理论值是2．533 V，由于锂电池的电压最高可达4．2 V(满充时)，此时超出了A／D转换器的量程，所以需要对该量程进行扩充。解决办法是，将锂电池的输出电压(图中为3．7 V)通过两个一样的电阻进行分压，将分压后的电压进行检测，转换得到的电压值应该乘以2。
2．4 充电与静电防护电路
如图6所示，系统采用锂电池和USB的VBUS两路电源供电。两路电源汇合后接入锂电池充电芯片MAX1551的输入脚，对电池进行充电。／CHG脚为充电状态指示引脚，未充满时呈高阻态，充满时输出低电平。充电期间，微处理器通过检测这一引脚的状态来判断充电是否完成，并将充电状态显示在LCD上。为避免静电对微处理器造成损坏，需要对USB接口电路进行静电防护，这里采用的芯片是SN65220。
手持系统对电源的转换效率以及电源芯片的静态电流要求比较高。转换效率越高，芯片的静态电流越小，则同等条件下手持系统的电池使用时间就越长。电压转换电路如图7所示。采用凌力尔特公司的DC-DC转换芯片LTC3530和LTC3525-5V，在电池的可供电电压范围内，其效率在80％以上，最高可达90％以上；并且具有使能引脚，方便进行电源管理，可得到系统所需的+3．3 V和+5 V电源电压。为保证系统在关机时仍然可以通过开机键进行开机，需要对微处理器单独供电，这里采用转换芯片LP2985。
键盘电路采用键盘管理芯片CH452A，如图8所示。通过I2C接口与MPU进行通信，手持机的开关机键采用一个分立按键实现，与按键并联的0．1μF电容可以消除抖动。
nRF24L01是一款工作在2．4～2．5 GHz世界通用ISM频段的单片无线收发器芯片。它具有面积小、数据传输速率高、低功耗等优点；可工作于跳频方式下，能有效地避开周围环境的干扰；通过SPI接口与微处理器进行数据通信，天线采用占用PCB空间较小的倒F型PCB天线。RF电路图如图9所示。
采用深圳耀宇科技公司型号为YM280T的2．8寸TFTLCD，可以工作在8总线模式下。其他电路如图10所示。
3 软件设计
3．1 数据包格式
增强型ShockBurst模式下的数据包格式如图11所示。
3．2 手持机工作流程
手持机的工作流程如图12所示。该流程针对可以读写的有源卡，需要把卡里边的信息读出来，然后扣除一定费用(或次数)后将修改后的信息写入ID卡。为节省功耗，设定若一次按键(含开机)之后的5 s(要根据实际情况设定)内没有按键按下，即让微处理器进入空闲模式，当再
次有按键按下时，通过键盘产生的外部中断将微处理器唤醒。
本系统制作的PCB板的大小为5 cm×10 cm，完全满足占用空间小的要求，元器件全部采用贴片的封装。测试时先测试电源部分，若电源没有问题再测试其他部分。每焊接一个模块，都要随时检查电源、地以及其他引脚的焊接是否可靠。整机测试时，首要要检测电源和地是否短路，检查无误之后才整体加电进行下一步的软硬件联调。
当软件中设定发射功率为0 dBm时，在开阔试验场地测试，通信距离为80m左右；在封闭楼道内测试，通信距离为30～40m。在空闲模式，从电池输出端测得的电流为4．8 mA，系统采用1400 mAh的锂电池，待机时间(处于空闲模式)可以达到10天以上。
结语
有源RFID手持机的设计难点在于小体积和低功耗的要求，这两个关键问题的解决关乎系统设计的成败。小体积是非功能性需求，可以通过选取封装尺寸小的元器件和去除实用性不强的接口(如RS232串口)实现。而低功耗的指标则需要采取软硬件相结合的低功耗措施来实现，除了在硬件上选取工作电流小、电源转换效率高、静态电流小的芯片之外，程序中采取有效的电源管理措施更是至关重要。一方面，可以进行有效的电源管理，将分区供电部分未用到的部分电源关掉；另一方面是处理器的低功耗模式的使用，对于那些不经常处于工作状态的应用场合，这将会极大地节省系统的功耗。本文所设计的有源RFID手持机已经应用于停车场管理系统中，具有待机时间长、体积小巧和可靠性高等优点，具有较好的推广价值。
射频识别技术(Radio Frequeney Identification，RFID)是从20世纪80年代发展起来的一项自动识别技术。通过射频信号对某个目标的ID进行自动识别得到对象信息，并获取相关数据。其突出优点是环境适应性强，能够穿透非金属材质，数据存储量大，抗干扰能力强。根据供电方式的不同，可以将RFID分为两类：一类是无源RFID，另一类是有源RFID。无源RFID工作时标签通过读写器的电磁场获得能量，标签本身不需要电池；有源RFID则恰恰相反，电子标签需要自备电池，提供全部器件工作所需的电源。与无源RFID系统相比，有源RFID系统对阅读器的发射功率要求更低，有效阅读距离也更远，因此在很多领域都有着广泛的应用。
1 有源RFID系统组成及工作原理
有源RFID系统由有源标签、阅读器和应用系统3个部分组成，如图1所示。有源标签具有唯一的身份识别码(即ID)，一些有源标签内部还集成了传感器，用于对特定物理量的测量。在阅读器的有效工作范围内，电子标签主动地将自己的ID和所测得的物理量以电磁波的形式发送给阅读器，阅读器将相关信息存储在自己的存储设备中。存储在阅读器中的数据可以通过以太网口、RS232、USB等通信接口传送给应用系统，以便对数据进行进一步处理。
本文设计的有源手持机的结构框图如图2所示。其核心是微处理器(Microprocessor Unit，MPU)；复位电路、时钟电路、电源、键盘、LCD显示是最小系统不可缺少的组成部分，用来维持系统正常工作以及进行人机交互；声音提示电路用来进行操作有误或者电池电量不足时的报警提示；背光电路可以为键盘和LCD提供背光；电量检测电路通过检测电池的电压，依照电池电量和电压的对照关系，间接地检测出电池的剩余电量；RF电路通过天线可以进行射频信号的收／发；外扩Flash可以存储读取到标签的身份识别码、汉字点阵字库以及相关属性等信息；USB接口可使手持机与PC机进行数据通信；JTAG接口用来下载和调试程序。
主控模块采用NXP公司基于ARM7内核的LPC2142微处理器。LPC2142具有USB2．O接口、2个I2C接口、2个串口、1个SPI接口、1个SSP接口、6个A／D通道，以及16 KB的RAM和64 KB的Flash；还具有实时时钟(RTC)，可以避免外接实时时钟带来的麻烦。通过分析得知，该微处理器完全可以满足系统的需求。主控模块的电路图如图3所示。
为保证系统能够可靠复位，采用专用的复位芯片CAT809进行系统的复位。复位电路如图4所示。
电量检测电路采用LPC2142内部的A／D转换器。A／D的参考电压Vref由电源电压+3．3 V通过电阻分压得到，如图5所示。参考电压的理论值是2．533 V，由于锂电池的电压最高可达4．2 V(满充时)，此时超出了A／D转换器的量程，所以需要对该量程进行扩充。解决办法是，将锂电池的输出电压(图中为3．7 V)通过两个一样的电阻进行分压，将分压后的电压进行检测，转换得到的电压值应该乘以2。
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2．4 充电与静电防护电路
如图6所示，系统采用锂电池和USB的VBUS两路电源供电。两路电源汇合后接入锂电池充电芯片MAX1551的输入脚，对电池进行充电。／CHG脚为充电状态指示引脚，未充满时呈高阻态，充满时输出低电平。充电期间，微处理器通过检测这一引脚的状态来判断充电是否完成，并将充电状态显示在LCD上。为避免静电对微处理器造成损坏，需要对USB接口电路进行静电防护，这里采用的芯片是SN65220。
手持系统对电源的转换效率以及电源芯片的静态电流要求比较高。转换效率越高，芯片的静态电流越小，则同等条件下手持系统的电池使用时间就越长。电压转换电路如图7所示。采用凌力尔特公司的DC-DC转换芯片LTC3530和LTC3525-5V，在电池的可供电电压范围内，其效率在80％以上，最高可达90％以上；并且具有使能引脚，方便进行电源管理，可得到系统所需的+3．3 V和+5 V电源电压。为保证系统在关机时仍然可以通过开机键进行开机，需要对微处理器单独供电，这里采用转换芯片LP2985。
键盘电路采用键盘管理芯片CH452A，如图8所示。通过I2C接口与MPU进行通信，手持机的开关机键采用一个分立按键实现，与按键并联的0．1μF电容可以消除抖动。
nRF24L01是一款工作在2．4～2．5 GHz世界通用ISM频段的单片无线收发器芯片。它具有面积小、数据传输速率高、低功耗等优点；可工作于跳频方式下，能有效地避开周围环境的干扰；通过SPI接口与微处理器进行数据通信，天线采用占用PCB空间较小的倒F型PCB天线。RF电路图如图9所示。
采用深圳耀宇科技公司型号为YM280T的2．8寸TFTLCD，可以工作在8总线模式下。其他电路如图10所示。
3 软件设计
3．1 数据包格式
增强型ShockBurst模式下的数据包格式如图11所示。
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3．2 手持机工作流程
手持机的工作流程如图12所示。该流程针对可以读写的有源卡，需要把卡里边的信息读出来，然后扣除一定费用(或次数)后将修改后的信息写入ID卡。为节省功耗，设定若一次按键(含开机)之后的5 s(要根据实际情况设定)内没有按键按下，即让微处理器进入空闲模式，当再
次有按键按下时，通过键盘产生的外部中断将微处理器唤醒。
本系统制作的PCB板的大小为5 cm×10 cm，完全满足占用空间小的要求，元器件全部采用贴片的封装。测试时先测试电源部分，若电源没有问题再测试其他部分。每焊接一个模块，都要随时检查电源、地以及其他引脚的焊接是否可靠。整机测试时，首要要检测电源和地是否短路，检查无误之后才整体加电进行下一步的软硬件联调。
当软件中设定发射功率为0 dBm时，在开阔试验场地测试，通信距离为80m左右；在封闭楼道内测试，通信距离为30～40m。在空闲模式，从电池输出端测得的电流为4．8 mA，系统采用1400 mAh的锂电池，待机时间(处于空闲模式)可以达到10天以上。
结语
有源RFID手持机的设计难点在于小体积和低功耗的要求，这两个关键问题的解决关乎系统设计的成败。小体积是非功能性需求，可以通过选取封装尺寸小的元器件和去除实用性不强的接口(如RS232串口)实现。而低功耗的指标则需要采取软硬件相结合的低功耗措施来实现，除了在硬件上选取工作电流小、电源转换效率高、静态电流小的芯片之外，程序中采取有效的电源管理措施更是至关重要。一方面，可以进行有效的电源管理，将分区供电部分未用到的部分电源关掉；另一方面是处理器的低功耗模式的使用，对于那些不经常处于工作状态的应用场合，这将会极大地节省系统的功耗。本文所设计的有源RFID手持机已经应用于停车场管理系统中，具有待机时间长、体积小巧和可靠性高等优点，具有较好的推广价值。
