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

譚義

摘 要：MCU與RF芯片的組合被廣泛應(yīng)用在有源RFID標(biāo)簽設(shè)計(jì)中，其中MSP430與CC2500用途廣泛。RF芯片CC2500本身提供的WoR喚醒算法雖可滿足有源RFID的功能要求卻無法滿足超低功耗的技術(shù)指標(biāo)。文中提出的心跳偵聽喚醒算法使得標(biāo)簽功耗比原方案下降約43.7%，較好地滿足了有源RFID標(biāo)簽對(duì)超低功耗的要求，可廣泛應(yīng)用于鐵路調(diào)度、電力巡檢、物流等行業(yè)中。

關(guān)鍵詞：有源RFID；超低功耗；心跳偵聽；喚醒算法

中圖分類號(hào)：TP391.44 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2018）07-00-03

0 引 言

目前，無源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)通過合理設(shè)計(jì)睡眠偵聽占空比，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)，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)無線通信，完成讀寫器對(duì)標(biāo)簽的訪問。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，不同之處在于讀寫器要對(duì)外開放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處于睡眠與偵聽交替的狀態(tài)，如圖3所示。該過程可描述為：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 心跳偵聽方案設(shè)計(jì)

針對(duì)CC2500 WoR狀態(tài)下功耗較高的問題，本文提出了一種心跳偵聽方案，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周期心跳速率打開CC2500接收狀態(tài)進(jìn)行喚醒幀的偵聽，偵聽持續(xù)時(shí)間為T1，如圖4所示。另外心跳偵聽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）心跳速率偵聽空間是否存在喚醒幀，偵聽時(shí)間為T1。在偵聽期間，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，偵聽時(shí)間為3 ms，偵聽周期為1 s，因此碼片有0.3%處于偵聽狀態(tài)，按一年算，偵聽時(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

MSP430與CC2500的組合經(jīng)常用來作為有源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，功耗降低約43.7%，同時(shí)通過合理設(shè)計(jì)睡眠偵聽占空比，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。

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