引言

　　射頻識別技術(RFID)是近年迅速發展起來的一項新技術,它利用射頻信號通過空間耦合實現非接觸式信息傳遞,達到自動識別目的。RFID標簽具有防水、防磁、可以在一定距離內讀取數據等優點,標簽存儲的數據安個、可靠、具有可重復改寫等特點。由于無線射頻識別技術融合了無線定位、產品電子編碼和互聯網技術,近年得到快速發展,廣泛用于社會、經濟、國防等領域,成為新一輪技術變革的催化劑。

　　有源RFID標簽的電池壽命一直是制約其廣泛應用的瓶頸。當電池失效后,或更換電池,或將卡廢棄,而且在電池接近壽命終了時,容量、電壓下降,識別卡的可靠性降低,不得不提前更新,不僅會造成一定的浪費,還可能因個別電池提前失效,影響整個系統可信度。

　　本文設計了一種可充電的有源RFID電子標簽,采用兩種工作模式,有效地減少了功耗,并可通過125kHz天線接收信號對標簽電池充電,大幅度延長了標簽的使用壽命,提高了標簽識別的可靠性。

　　硬件系統組成

　　硬件系統由微處理器模塊、射頻收發模塊、無線接收模塊組成,總體結構如圖1所示。

　　微處理器實現對射頻模塊的配置,對收發信息的處理,對比較器和定時器中斷的響應以及對FLASH內容的改寫;射頻收發模塊采用GMSK調制模式對信號進行編解碼及發射與接收;無線接收模塊與MSP430比較器中斷端口相連,使單片機產生中斷進入工作狀態,并通過倍壓整流電路對供電電池進行充電。

　　1.1微控制器模塊

　　微控制器模塊選用TI公司的MSP430系列單片機MSP430F147[6]。MSP430是一個以超低功耗為主要特點的單片機系列,用戶可以根據CPU和外圍模塊對時鐘的需要,通過軟件控制MSP430時鐘系統,合理地利用系統資源,實現整個應用系統的超低功耗。系統的這些超低功耗特性是靠系統對中斷的響應來實現的。在本設計中,標簽CPU處于LPM3低功耗休眠狀態,通過定時器中斷或比較器中斷將其喚醒,完成工作之后進入LPM3休眠狀態,CPU只工作于突發狀態,有效的減少功率消耗,延長了供電電池壽命。

　　1.2射頻收發模塊

　　射頻收發模塊選用Nordic公司的nrf2401射頻收發芯片[7]。Nrf2401工作于2.4GHz ISM頻段,采用GMSK調制方式,芯片內置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器和調制器等功能模塊,輸出功率和通信頻道可通過程序進行配置。Nrf2401能耗非常低,在以-5dBm的功率發射時,工作電流只有10.5mA,接收時工作電流只有18mA。芯片具有多種低功率模式,使低功耗設計更方便。射頻收發模塊系統框圖如圖2所示。

　　射頻收發模塊通過3線SPI模式與MSP430單片機進行通信,有四種工作模式:收發模式、配置模式、空閑模式和關機模式,由PWR_UP、CE和CS三個引腳決定。本設計采用ShockBurstTM收發模式,在此模式下,nRF2401自動處理字頭和CRC校驗碼,使用片內的先入先出堆棧區,數據低速從微控制器送入,高速(1Mbps)發射,與射頻協議相關的所有高速信號處理都在片內進行,這樣可以盡量節能,并且數據在空中停留時間短,抗干擾性高。

　　RFID中的天線要求小型化、全向、高增益、帶寬相對較寬。本文采用1/4波長單極子微帶天線,諧振頻率主要取決于微帶線的長度[8]。1/4波長單極子微帶天線是一種依賴于地參考面的單端天線,這種天線必須有地參考面,并且地參考面從天線的匱點起至少要鋪滿1/4波長,地參考面的大小直接影響到天線的諧振點、增益以及阻抗。考慮到天線介質材料、與地參考面的距離、地參考面的大小、微帶線的寬度厚度等參數都影響到天線的性能,本設計采用標準的FR4板材,厚度1.6mm,介電常數4.4,天線諧振在2.45GHz,微帶線寬為1.5mm,那么可以算出板上的傳輸波長為92mm,因此理想的天線長度應該是23mm。

　　Nrf2401片內含有收發轉換開關,以差分形式向外發射信號或者接收信號,差分阻抗為400Ω,而本文設計的微帶天線的阻抗為50Ω,為實現最大功率傳輸,設計一個阻抗變換及差分單端轉換電路,如圖3所示。通過ADS以及Designer下的仿真工具仿真證明在2.45G時天線和發射電路實現了最佳功率匹配。

　　1.3無線接收模塊

　　無線接收模塊由125kHz天線、天線匹配端口和倍壓整流電路組成,如圖4所示。圖4無線接收模塊原理如圖4所示,

　　如圖4所示C1、C2、C3與外接天線(ANT1、ANT2接天線兩端)構成天線匹配電路,其中C1是微調電容,用于調諧天線諧振狀態。后端為4倍壓整流電路,假設匹配輸出端電壓峰值為E1,通過4倍壓整流后INT與GND間的電壓可達到42E1,可以很好的達到倍壓的目的。INT接MSP430比較器中斷端口(P2.3),并通過肖特基二極管(壓降約為0.3V)與電池正極相連。當由125kHz接收到的信號經倍壓整流后輸出INT與GND間的電壓大于或等于中斷觸發電壓時,觸發比較器中斷,將MSP430從低功耗狀態喚醒,完成工作之后再次進入相應的休眠狀態。同時,當INT與GND間的電壓大于(電池電壓Vcc+二極管壓降0.3V)時,可對電池進行充電,有效地延長了供電電池的壽命。

　　系統軟件設計

　　標簽系統包括系統初始化配置和中斷響應兩大部分,其程序流程圖如圖5所示。

　　系統初始化配置主要包括MSP430各端口初始化、時鐘設置、nrf2401配置及定時器和比較器中斷設置等。標簽具有兩種工作狀態,分別由定時器中斷和比較器中斷觸發。當由定時器中斷觸發時,標簽只發送唯一標識,有利于裝備管理和設備跟蹤,同時縮短了標簽進入工作狀態的時間,有利于降低功耗;當由比較器中斷觸發時,標簽發送標簽標識及FLASH改寫請求,而后進入接收狀態,當標簽接收到讀寫器改寫信號后可改寫FLASH信息,有效地提高了標簽的安全性能,對FLASH改寫完畢后發送確認信號,并進入低功耗LMP3模式。

　　表1為標簽系統功耗數據,Nrf2401發射功率可調,本設計采用-5dBm的功率發射,工作電流只有10.5mA。標簽大部分時間處于LMP3低功耗模式下,系統總功耗只有5.5μW。當定時器中斷觸發時,標簽發送標簽信息,發送時間很短,有效地降低了功耗。當由比較器中斷觸發時,標簽與讀寫器進行信息交互,系統所需功耗較大,時間較長,在此過程中,由125kHz天線接收到的能量信號若滿足電池充電條件(VINT-GND>(Vcc+0.3V)),可對標簽供電電池進行充電。實驗證明,當標簽處于讀寫器2m范圍內,可觸發比較器中斷,將標簽激活;當標簽處于讀寫器0～0.8m范圍內,可對標簽供電電池進行充電。分析可知,本設計采用兩種工作狀態有效地減少了系統功耗,同時可對標簽供電電池進行充電,使標簽的使用壽命大幅度延長。

　　結論

　　本文基于TI公司的單片機MSP430F147和Nordic公司的射頻芯片Nrf2401設計了一種有源電子標簽,對軟硬件設計進行了詳細的描述。本設計的創新點在于電子標簽具有兩種工作狀態,有效地減少了功率消耗,同時可采用125kHz能量信號對標簽供電電池進行充電,延長了電池使用壽命。此種標簽可廣泛地應用于裝備管理和儀器設備的跟蹤方面。