低功耗有源RFID标签设计与实现

　　引言

　　射频识别技术(RFID)是近年迅速发展起来的一项新技术,它利用射频信号通过空间耦合实现非接触式信息传递,达到自动识别目的。RFID标签具有防水、防磁、可以在一定距离内读取数据等优点,标签存储的数据安个、可靠、具有可重复改写等特点。由于无线射频识别技术融合了无线定位、产品电子编码和互联网技术,近年得到快速发展,广泛用于社会、经济、国防等领域,成为新一轮技术变革的催化剂。

　　有源RFID标签的电池寿命一直是制约其广泛应用的瓶颈。当电池失效后,或更换电池,或将卡废弃,而且在电池接近寿命终了时,容量、电压下降,识别卡的可靠性降低,不得不提前更新,不仅会造成一定的浪费,还可能因个别电池提前失效,影响整个系统可信度。

　　本文设计了一种可充电的有源RFID电子标签,采用两种工作模式,有效地减少了功耗,并可通过125kHz天线接收信号对标签电池充电,大幅度延长了标签的使用寿命,提高了标签识别的可靠性。

　　硬件系统组成

　　硬件系统由微处理器模块、射频收发模块、无线接收模块组成,总体结构如图1所示。

　　微处理器实现对射频模块的配置,对收发信息的处理,对比较器和定时器中断的响应以及对FLASH内容的改写;射频收发模块采用GMSK调制模式对信号进行编解码及发射与接收;无线接收模块与MSP430比较器中断端口相连,使单片机产生中断进入工作状态,并通过倍压整流电路对供电电池进行充电。

　　1.1微控制器模块

　　微控制器模块选用TI公司的MSP430系列单片机MSP430F147[6]。MSP430是一个以超低功耗为主要特点的单片机系列,用户可以根据CPU和外围模块对时钟的需要,通过软件控制MSP430时钟系统,合理地利用系统资源,实现整个应用系统的超低功耗。系统的这些超低功耗特性是靠系统对中断的响应来实现的。在本设计中,标签CPU处于LPM3低功耗休眠状态,通过定时器中断或比较器中断将其唤醒,完成工作之后进入LPM3休眠状态,CPU只工作于突发状态,有效的减少功率消耗,延长了供电电池寿命。

　　1.2射频收发模块

　　射频收发模块选用Nordic公司的nrf2401射频收发芯片[7]。Nrf2401工作于2.4GHz ISM频段,采用GMSK调制方式,芯片内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制器等功能模块,输出功率和通信频道可通过程序进行配置。Nrf2401能耗非常低,在以-5dBm的功率发射时,工作电流只有10.5mA,接收时工作电流只有18mA。芯片具有多种低功率模式,使低功耗设计更方便。射频收发模块系统框图如图2所示。

　　射频收发模块通过3线SPI模式与MSP430单片机进行通信,有四种工作模式:收发模式、配置模式、空闲模式和关机模式,由PWR_UP、CE和CS三个引脚决定。本设计采用ShockBurstTM收发模式,在此模式下,nRF2401自动处理字头和CRC校验码,使用片内的先入先出堆栈区,数据低速从微控制器送入,高速(1Mbps)发射,与射频协议相关的所有高速信号处理都在片内进行,这样可以尽量节能,并且数据在空中停留时间短,抗干扰性高。

　　RFID中的天线要求小型化、全向、高增益、带宽相对较宽。本文采用1/4波长单极子微带天线,谐振频率主要取决于微带线的长度[8]。1/4波长单极子微带天线是一种依赖于地参考面的单端天线,这种天线必须有地参考面,并且地参考面从天线的匮点起至少要铺满1/4波长,地参考面的大小直接影响到天线的谐振点、增益以及阻抗。考虑到天线介质材料、与地参考面的距离、地参考面的大小、微带线的宽度厚度等参数都影响到天线的性能,本设计采用标准的FR4板材,厚度1.6mm,介电常数4.4,天线谐振在2.45GHz,微带线宽为1.5mm,那么可以算出板上的传输波长为92mm,因此理想的天线长度应该是23mm。

　　Nrf2401片内含有收发转换开关,以差分形式向外发射信号或者接收信号,差分阻抗为400Ω,而本文设计的微带天线的阻抗为50Ω,为实现最大功率传输,设计一个阻抗变换及差分单端转换电路,如图3所示。通过ADS以及Designer下的仿真工具仿真证明在2.45G时天线和发射电路实现了最佳功率匹配。

　　1.3无线接收模块

　　无线接收模块由125kHz天线、天线匹配端口和倍压整流电路组成,如图4所示。图4无线接收模块原理如图4所示,

　　如图4所示C1、C2、C3与外接天线(ANT1、ANT2接天线两端)构成天线匹配电路,其中C1是微调电容,用于调谐天线谐振状态。后端为4倍压整流电路,假设匹配输出端电压峰值为E1,通过4倍压整流后INT与GND间的电压可达到42E1,可以很好的达到倍压的目的。INT接MSP430比较器中断端口(P2.3),并通过肖特基二极管(压降约为0.3V)与电池正极相连。当由125kHz接收到的信号经倍压整流后输出INT与GND间的电压大于或等于中断触发电压时,触发比较器中断,将MSP430从低功耗状态唤醒,完成工作之后再次进入相应的休眠状态。同时,当INT与GND间的电压大于(电池电压Vcc+二极管压降0.3V)时,可对电池进行充电,有效地延长了供电电池的寿命。

　　系统软件设计

　　标签系统包括系统初始化配置和中断响应两大部分,其程序流程图如图5所示。

　　系统初始化配置主要包括MSP430各端口初始化、时钟设置、nrf2401配置及定时器和比较器中断设置等。标签具有两种工作状态,分别由定时器中断和比较器中断触发。当由定时器中断触发时,标签只发送唯一标识,有利于装备管理和设备跟踪,同时缩短了标签进入工作状态的时间,有利于降低功耗;当由比较器中断触发时,标签发送标签标识及FLASH改写请求,而后进入接收状态,当标签接收到读写器改写信号后可改写FLASH信息,有效地提高了标签的安全性能,对FLASH改写完毕后发送确认信号,并进入低功耗LMP3模式。

　　表1为标签系统功耗数据,Nrf2401发射功率可调,本设计采用-5dBm的功率发射,工作电流只有10.5mA。标签大部分时间处于LMP3低功耗模式下,系统总功耗只有5.5μW。当定时器中断触发时,标签发送标签信息,发送时间很短,有效地降低了功耗。当由比较器中断触发时,标签与读写器进行信息交互,系统所需功耗较大,时间较长,在此过程中,由125kHz天线接收到的能量信号若满足电池充电条件(VINT-GND>(Vcc+0.3V)),可对标签供电电池进行充电。实验证明,当标签处于读写器2m范围内,可触发比较器中断,将标签激活;当标签处于读写器0～0.8m范围内,可对标签供电电池进行充电。分析可知,本设计采用两种工作状态有效地减少了系统功耗,同时可对标签供电电池进行充电,使标签的使用寿命大幅度延长。

　　结论

　　本文基于TI公司的单片机MSP430F147和Nordic公司的射频芯片Nrf2401设计了一种有源电子标签,对软硬件设计进行了详细的描述。本设计的创新点在于电子标签具有两种工作状态,有效地减少了功率消耗,同时可采用125kHz能量信号对标签供电电池进行充电,延长了电池使用寿命。此种标签可广泛地应用于装备管理和仪器设备的跟踪方面。