用于定位的低功耗有源RFID標簽設計方案

　　該方案在硬件上采用了MSP430F2012單片機和nRF24L01射頻芯片的低功耗組合；軟件上則結合了RFID定位的特點，有別于一般以識別為主要目的的標簽的設計方法，并分析了其軟件設計流程以及簡單的防沖突能力。通過良好匹配的天線，本設計方案有效讀取距離可達幾十米，足以應付一般空間內定位的需求。

　　1.引言

　　射頻識別（RFID）技術是采用無線射頻的方式實現雙向數據交換并識別身份，RFID定位正是利用了這一識別特性，利用閱讀器和標簽之間的通信信號強度等參數進行空間的定位。RFID標簽按供電方式分為有源和無源2種，無源標簽通過捕獲閱讀器發射的電磁波獲取能量，具有成本低、尺寸小的優勢；有源標簽通常采用電池供電，具有通信距離遠、讀取速度快、可靠性好等優點，但需要考慮低功耗設計以增強電池的續航能力。本文從有源標簽的設計理念出發，針對小范圍空間RFID定位的需求，根據低功耗、高效率的原則進行RFID標簽的設計，并闡述了其硬件組成、軟件流程和防沖突能力。

　　2.系統硬件設計

　　2.1 系統結構

　　有源標簽在設計中除了需要考慮低成本、小型化之外，最重要的是要采取低功耗設計。RFID標簽從整體結構上看，通常包括2個部分：控制端和射頻端，因此在選擇控制芯片和射頻芯片時需要優先考慮其低功耗性能。本文在此基礎上選擇了MSP430F2012 控制芯片和nRF24L01射頻芯片；天線則選用了Nordic公司的PCB單端天線；標簽采用3V-500mAh紐扣電池供電。系統工作在2.4GHz 全球ISM頻段。系統結構框圖如圖1所示。

　　2.2 芯片選擇及低功耗設計

　　TI推出的MSP430系列單片機是16位Flash型RISC指令集單片機，以超低功耗聞名業界。MSP430F2012芯片工作電壓僅為1.8~3.6V，掉電工作模式下消耗電流為0.1μA，等待工作模式下消耗電流僅為0.5μA［4］。本設計中，MSP430F2012被長時間置于等待工作模式，通過中斷喚醒的方式使其短暫進入工作狀態，以節省電能。MSP430F2012具有3組獨立的時鐘源：

　　片內V L O（超低功耗振蕩器）、片外晶振、DCO（數字控制振蕩器）。其中，片外時鐘基于外部晶振；DCO由片內產生，且頻率可調。顯然，主系統時鐘頻率的高低決定著系統的功耗，尤其是選擇了高速片外晶振的情況下，因此，MSP430F2012提供了在不同時鐘源間進行切換的功能。

　　在實際設計中，通過實時重新配置基礎時鐘控制寄存器以實現主系統時鐘和輔助系統時鐘間的切換，既不失性能，又節約了能耗。

　　MSP430F2012具有LPM0~LPM4五種低功耗模式，合理的利用這五種預設的模式是降低 MCU功耗的關鍵，本設計中，MSP430F2012在上電配置完畢后將直接進入LPM3模式，同時開啟中斷，等待外部中斷信號。此外，由于 MSP430F2012是一款多功能通用單片機，片內集成了較多功能模塊，在上電配置時即停止所有不使用的功能模塊也能起到降低系統功耗的目的。

　　由于R F I D標簽消耗能量的近2 / 3用于無線收發， 因此選擇一款超低功耗的無線收發芯片就顯得至關重要。

　　nRF24L01是Nordic公司開發的2.4GHz超低功耗單片無線收發芯片，芯片有125個頻點，可實現點對點和點對多點的無線通信，最大傳輸速率可達2 M b p s，工作電壓為1.9~3.6V.為了凸顯其低功耗性能，芯片預置了兩種待機模式和一種掉電模式。更值得一提的是nRF24L01的 ShockBurstTM模式及增強型ShockBurstTM模式，S h o c k B u r s t T M模式真正實現了低速進高速出，即M C U將數據低速送入nRF24L01片內FIFO，卻以1Mbps或2Mbps高速發射出去。本設計正是利用了增強型ShockBurstTM模式，使得 MSP430F2012即便在32768Hz低速晶振下也能通過射頻端高速的將數據發射出去，既降低了功耗，又提高了效率，增強了系統防沖突和應付移動目標能力。

　　2.3 電路設計

　　本系統主要運用于RFID定位方面，除了簡單的識別外，重點在于閱讀器對標簽信號強度的測量，因此閱讀器與標簽間不會有大數據量頻繁的讀寫操作，在電路設計時可省略片外EEPROM.同時還可以省去穩壓電路以節省靜態電流消耗。硬件原理圖如圖2所示。

　　3.系統軟件設計

　　系統軟件設計選用了IAR EmbeddedWorkbench V4.11B平臺下的C語言編程環境，設計中綜合考慮了M S P 4 3 0 F 2 0 1 2和nRF24L01芯片的低功耗性能、穩定性和程序執行效率。