手持式RFID讀寫器的低功耗設計與測試
文章出處：http://5052h112.com 作者：微計算機信息 人氣： 發表時間：2011年10月15日
0 引言
射頻識別RFID（Radio Frequency Identification）技術是利用無線射頻方式進行非接觸式雙向通信，以達到識別目標和交換數據的目的，實現對各種對象在不同狀態下的自動識別和管理的一種技術。目前廣泛應用于身份識別、門禁管理、防偽、商業供應鏈、公共交通管理、物流管理、生產線的自動化及過程控制、動物的跟蹤及管理、容器識別等領域。射頻識別讀寫器根據應用場合可分為固定式讀寫器和手持式讀寫器等，其中手持式讀寫器具有比較大的靈活性，適用于不宜安裝固定式RFID 系統的應用環境。
作為一種便攜式設備，手持式RFID 讀寫器一般采用可充電的電池來進行供電，因此，采用先進技術改進系統設計，降低功耗以提高其使用時間，是手持式讀寫器設計中需要重點研究解決的問題。本文主要介紹手持式RFID 讀寫器的低功耗設計方法，并通過測試軟件對所設計的讀寫器進行功耗測試。
1 系統硬件組成及工作原理
為滿足不同領域的應用需求及二次開發設計需要實現各種功能的要求，手持式RFID 讀寫器主要由主控制模塊、RF 收發模塊、顯示模塊、實時時鐘模塊、擴展存儲模塊、USB 接口模塊、串行通信接口模塊、以太網絡接口模塊、鍵盤模塊及電源系統等組成，其硬件組成結構圖如圖1 所示。手持式RFID 讀寫器通常由操作人員手持設備在某一區域內完成對射頻標簽相關信息的采集及顯示，并將相應數據存儲于讀寫器的存儲器中，待與計算機連接后通過串行通信接口或USB 接口傳送到本地計算機，也可通過網絡接口傳送到遠程的網絡計算機，以便計算機系統進行相應的數據處理及應用。為便于針對具體應用場合與應用系統計算機進行數據通信的需要，還提供了各種備選的通信接口，如USB 接口、RS232 接口、以太網絡接口等，二次開發時可根據需要適當選擇是否保留。同時，為使手持式RFID 讀寫器能滿足不同場合的供電需要，電源系統采用了USB 電源、AC 電源以及電池供電相結合的模式，以便為RFID 系統進行工作供電或電池充電。
圖1 RFID 讀寫器的組成結構圖
2 系統硬件低功耗設計
在單片機系統中，系統的功耗由靜態功耗s P 和動態功耗d P 組成，如式（1）、（2）所示。
式中， DD U 為工作電源電壓， DD I 為靜態時由電源流向電路內部的電流， TC I 為脈沖電流的時間平均值， T C 為芯片的負載電容， f 為工作頻率。
由式（1）（2）可知,對系統的功耗影響最大是工作電源電壓,其次是工作頻率,再就是負載電容。對設計人員而言，負載電容一般是不可控的，故在不影響系統性能的前提下，系統低功耗設計主要是盡可能選擇低工作電壓的器件，并在電路設計中使用低頻率的時鐘。
為了盡量減少系統的功耗，在手持式RFID 讀寫器的硬件設計中盡量采用低功耗器件，并根據不同工作狀態對系統的工作時鐘頻率進行調節。其中主控制器選用了高性能、超低功耗的MSP430F149 單片機，工作電壓為1.8～3.6V，可提供了6 種工作模式，即活動模式（AM）和低功耗模式0-4(LPM0-4)，能不同程度的減少芯片內部以及外部模塊的功耗。相應接口模塊也分別選用電壓工作為3.3V 以下的器件，如RF 收發模塊選用FM1702SL 射頻卡讀寫芯片，擴展存儲模塊選用AT45DB161B 串行FLASH 存儲器，顯示模塊及驅動芯片選用P13501 顯示模塊（含內置驅動芯片SSD1303）， USB 接口選用IPS1582，串行通信接口選用MAX3232、網絡接口模塊選用ENC28J60 等。
MSP430F149 單片機的基礎時鐘模塊主要由低頻晶體振蕩器（LFXT1）、高頻晶體振蕩器（XT2）、數字控制振蕩器(DCO)等模塊組成，可以提供主系統時鐘（MCLK）、子系統時鐘（SMCLK）及輔助時鐘（ACLK）3 種時鐘信號。為優化低功耗特性，在手持式RFID 讀寫器設計中MSP430F149 可在滿足系統性能的前提下，通過軟件對基本時鐘系統控制寄存器BCSCTL1、BCSCTL1 及DCO 控制寄存器DCOCTL 進行編程設置DCO 的頻率用作MCLK、SMCLK 的時鐘源，其范圍為32768Hz～8MHz。其中ACLK 可采用32768Hz 的LFXT1CLK 以提供穩定的系統時基和低功耗的備用工作時鐘頻率, MCU 在執行程序時所需的MCLK 由可快速啟動的DCOCLK 提供，SMCLK 可采用DCOCLK 作為擴展FLASH 的時鐘信號，以滿足擴展FLASH 的讀寫操作時序要求。
3 低功耗的軟件控制
在低功耗硬件的基礎上，通過軟件采用MSP430F149 的可編程中斷結構編程來管理系統的工作模式及外圍模塊的開關連接，從而控制讀寫器降低系統功耗。
為充分利用MSP430F149 的低功耗功能，根據手持式RFID 讀寫器的工作狀態將其工作模式設為射頻模式、通信模式和待機模式，以盡量延長讀寫器的工作時間。其中射頻模式應用于操作人員進行射頻識別的讀寫操作，當射頻標簽進入工作區域時產生中斷使MSP430F149工作模式由低功耗模式LPM3 切換到活動模式AM；通信模式應用于讀寫器進行USB 通信或RS232 串行通信或網絡通信等操作，由鍵盤中斷使MSP430F149 工作模式由低功耗模式LPM4切換到活動模式AM；待機模式則在系統無操作時由鍵盤中斷或定時超時中斷使MSP430F149工作模式由其他模式進行低功耗模式LPM4。
另外，在不同的工作狀態也可通過軟件將MCU 的P1~P6 連接的接口電路設置為高阻狀態或將相應外圍模塊工作在省電工作模式，從而也可降低系統的功耗。如FM1702SLRF 收發芯片提供了Hard Power Down、Soft Power Down 及Stand by 三種省電模式，可由MCU 的IO線信號或通過軟件設置FM1702SL 內部控制寄存器設置為省電模式，以實現低功耗的控制。
4 功耗測試及結果分析
為測試手持式RFID 讀寫器的系統功耗，按相應測試規程設計的功耗測試主程序及功耗測試中斷程序的流程圖分別如圖2、圖3 所示。系統在功耗測試主程序的控制下進行待測試狀態，其中在接口初始化模塊中將鍵盤及顯示接口設置為功耗測試需要的功能，并提示用戶按測試流程進行相應測試，等待操作人員進行功耗測試操作。當操作人員按預定測試規程按下相應鍵后調用功耗測試中斷程序進行測試。在相應中斷程序中可按提示信息將主系統時鐘MCLK 及子系統時鐘SMCLK 時鐘頻率設置為8MHz、1MHz、400KHz,然后選擇工作模式設置為射頻模式、USB 通信模式或待機模式，最后選擇相應模塊狀態設置為連接或關閉，并經延時使系統工作穩定后提示測試功耗，最后執行中斷返回命令返回主程序待進行其他條件下的功耗測試。其中射頻模式下，系統中MCU 設為活動模式、RF 收發模塊的發射電路連續發射載波信號、模擬及數字電路正常工作，OLED 顯示標簽信息，其他通信模塊關閉；USB 通信模式下則是系統中MCU 設為活動模式、USB 通信工作，OLED 顯示通信信息，其他模塊關閉；待機模式下則是MCU 設為低功耗模式LPM4，其他模塊都關閉。
圖2 功耗測試程序流程圖
圖3 功耗測試中斷程序流程圖
手持式RFID 讀寫器進行功耗測試時電源系統采用了1900mAh3.6V～4.2V 鋰電池供電。RS232 串行通信及以太網絡通信通常用AC 電源提供工作電源，故不進行功耗測試。在工作電壓為3.3V 條件下測得系統的消耗電流如圖4 所示。
圖4 測試結果示意圖
盡管芯片的個體差異及功耗測試程序可能存在差異，測試時得到的數據會不完全相同，但從圖4 仍可看出功耗變化的趨勢：（1）同一模式相同狀態下降低系統的工作時鐘頻率可以降低讀寫器的功耗；（2）同一模式關閉相應模塊，可降低系統的功耗，特別是射頻模式更為明顯；（3）采用低功耗的工作模式可使讀寫器的功耗得到明顯的改善，特別是待機模式的功耗最高可降低到射頻模式的近10 倍以下，效果明顯。
5 結束語
手持式RFID 讀寫器采用了超低功耗的MSP430F149 單片機，并選用了低電壓器件，降低系統工作電壓。本設計的創新點是采用硬件設計和軟件管理的靜動態相結合方法來降低系統的功耗。測試結果表明，該設計方法有效地降低了系統設計的功耗。對進一步優化手持式RFID 讀寫器軟件設計具有一定的指導意義，也可為其他低功耗系統的設計提供一種具有一定參考價值的設計方法。目前項目已投入試用，經濟效益達20 萬元。
