2020年09月09日 | 基于MSP430单片机的低功耗有源RFID标签设计

　　引言

　　射频识别(RFID)技术近年来在国内外得到了迅速发展。对于需要电池供电的便携式系统，功耗也越来越受到人们的重视。本文将具体阐述基于 MSP430 F2012和CC1100低功耗设计理念的双向有源标签的软硬件实现方法。

　　低功耗设计

　　低功耗概述

　　功耗基本定义为能量消耗的速率，可分为瞬态功耗和平均功耗两类。两者意义不同，有不同的应用背景和优化策略，通常被笼统地概括为低功耗设计。实际研究中可根据不同情况区分为：

　　(1)瞬态功耗优化：目标是降低峰值功耗，解决电路可靠性问题。

　　(2)平均功耗优化：目标是降低给定时间内的能量消耗，主要针对电池供电的便携电子设备，以延长电池寿命或减轻设备重量。

　　功耗的物理来源

　　芯片电路的功耗主要来自两方面：动态功耗和静态功耗。动态功耗主要是电容的充放电和短路电流。静态功耗主要是漏电流，包括PN结反向电流和亚阈值电流，以及穿透电流。如果工作时序及软件算法设计有缺陷，会降低系统工作效率、延长工作时间，也会直接增加系统能量的消耗。

　　低功耗设计策略

　　算法级功耗优化：在电路设计的开始，就要进行算法的选择，应该尽量选择功耗效率高的算法。首先，从实现算法所需逻辑的大小来看，算法中操作的数目、所需要的带宽、存储操作、端口操作越少，此算法应用到的电路功耗越低。在实际的设计中，需要按照应用的要求进行总体性能和功耗的均衡。同时，算法中需要的协处理必须考虑，算法所需的协处理越简单、协作模块越少、实现算法所需要的功耗就越小。此外，算法中临时变量少、临时变量有效的时间短、循环的合理运用都会降低算法所需的功耗。

　　系统级功耗设计与管理：系统级的功耗管理主要是动态功耗管理。通常的做法是处于空闲状态的时候，运作于睡眠状态，只有部分设备处于工作之中;当产生一个中断时，由这个中断唤醒其它设备。实际上，这一部分需要硬件的支持，如：电源系统的低功耗技术;系统软硬件的划分，在于决定哪些功能模块由软件来实现功耗较小，哪些功能模块由硬件实现功耗较小;低功耗处理器的选择。

　　系统硬件设计

　　综合考虑系统功耗来源与低功耗设计策略，硬件设计选择具有低功耗特性的 单片机 及射频收发芯片，并尽量简化电路减少功耗开支。

　　主要芯片的选择

　　MSP430系列单片机的结构完全以系统低功耗运行为核心，电源采用1.8~3.6V 低电压，活动模式耗电250μA/MIPS，RAM数据保持方式下耗电仅0.1μA。由于系统在90%以上的时间内都是处于休眠或低功耗状态，因此漏电流成为影响系统功耗的另一个重要因素，其I/O输入端口的漏电流最大仅为50nA。加上有独特的时钟系统设计，包括两个不同的时钟系统：基本时钟系统和锁频环(FLL和FLL+)时钟系统或DCO数字震荡器时钟系统。由时钟系统产生CPU和各功能模块所需的时钟，并且这些时钟可以在指令的控制下打开或关闭，从而实现对总体功耗的控制。由于系统运行时使用的模块不同，即采用不同的工作模式，芯片的功耗会有明显的差别。在系统中共有一种活动模式(AM)和五种低功耗模式(LPM0~LPM4)。另外，MSP430系列单片机采用矢量中断，支持十多个中断源，并可以任意嵌套。用中断请求把CPU唤醒只需要6μs，通过合理编程，既可以降低系统功耗，又可以对外部请求做出快速响应。

　　射频芯片是整个RFID卡最核心的部分，直接关系到标签的读写距离和可靠性，同时也直接影响到整个系统的功耗。CC1100是Chipcon公司推出的单片UHF无线发射芯片，体积小，功耗低，数据速率支持1.2~500kbps的可编程控制，其工作电压范围为1.9~3.6V，可以工作在915MHz.、868MHz.、433MHz和315MHz四个波段，还可通过程序配置在所有频段提供-30~10 dBm输出功率内置地址解码器、先入先出堆栈区、调制处理器、时钟处理器、GFSK滤波器、低噪声放大器、频率合成器，功率放大器等功能模块。它具有两种低功耗工作模式：关机模式和空闲模式，在关机模式下工作电流小于200nA。本文中CC1100工作在433MHz的频率上，采用FSK调制方式，数据速率为100kbps，信道间隔为200kHz。

　　电路设计

　　为简化系统结构，本系统仅由必须的微处理器单元、射频收发单元、天线及电池单元组成。省去电池到器件之间的稳压电路，直接由电池给系统供电。节省了稳压电路所带来的静态电流消耗，使电池寿命进一步延长。为防止发射状态较大的电流造成电池电压瞬态降低，使用较大容量电容与电池并联。MSP430F2012内部集成的零功耗欠压复位(BOR)保护功能，可以在电压低于安全操作范围时执行完全复位，很好地解决了单片机复位不完全而产生的随机错误操作问题。

　　软件设计

　　尽量用软件来代替硬件也是低功耗系统设计常常采取的措施。本次程序开发综合考虑了时序调度和工作效率两方面问题，以降低系统的功耗。

　　合理设计工作时序

　　由于CPU的运行时间对系统的功耗影响极大，应尽可能缩短其工作时间，较长地处于空闲方式或掉电方式是软件设计降低 单片机 系统功耗的关键。程序运行流程图如图2(a)、(b)所示，当系统上电完成初始化操作即刻进入低功耗模式，只在系统接收到正确信息产生中断时才会唤醒单片机进入工作模式，尽量在短时间内完成对信息或数据的处理，当处理结束立即返回低功耗模式等待下一个中断到来。

　　提高工作效率

　　用宏定义来代替子程序调用。因为CPU进入子程序时，会首先将当前CPU寄存器推入堆栈(RAM)，在离开时又将CPU寄存器弹出堆栈，这样至少带来两次对RAM的操作，所以读RAM会比读Flash带来更大的功耗。用宏定义来代替子程序调用，无疑会降低系统的功耗。

　　尽量减少CPU的运算量，将一些运算的结果预先算好，放在Flash中，用查表的方法替代实时的计算，减少CPU的运算工作量，可以有效降低CPU的功耗;不可避免的实时计算，精度够了就结束;尽量使用短的数据类型：如尽量使用字符型的8位数据替代16位的整型数据，尽量使用分数运算而避免浮点数运算等。

　　让I/O模块间歇运行，不用的I/O模块或间歇使用的I/O模块要及时关掉，以节省电能。不用的I/O引脚要设置成输出或设置成输入，用上拉电阻拉高。若引脚没有初始化，可能会增大单片机的漏电流。

　　结论

　　本文详细介绍了基于 MSP430 单片机的低功耗有源RFID标签 的设计，合理地利用了MSP430单片机的中断、定时、运算等功能，借助于软件优势，对耗能较低的CC1100 模块采取限能工作措施，提高了电池的寿命，增加了系统可靠运行的时间，与其它设计功耗对比如图3所示。这种有源RFID标签的设计使 RFID的性能得到了改进，它在很大程度上解决了远距离、大流量、抗干扰、高速移动的标识物的识别难题。本设计完成的RFID标签与配套的阅读器可以组成人员或物品识别定位系统，广泛应用于采矿、工业生产、道路交通、物流运输、医疗、医药、国防安全等众多领域。