??? 摘 要： 基于MSP430F149單片機(jī)的手持式RFID讀寫器低功耗設(shè)計(jì)策略及器件選擇方案，結(jié)合RFID讀寫器的工作情況提出了一種采用調(diào)節(jié)MSP430F149工作時(shí)鐘頻率和對系統(tǒng)工作模式進(jìn)行智能管理來降低讀寫器系統(tǒng)功耗的方法。
??? 關(guān)鍵詞： MSP430F149單片機(jī)；手持式RFID讀寫器；低功耗
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??? 射頻識別RFID（Radio Frequency Identification）技術(shù)是利用無線射頻方式進(jìn)行非接觸式雙向通信，以達(dá)到識別目標(biāo)和交換數(shù)據(jù)的目的，實(shí)現(xiàn)對各種對象在不同狀態(tài)下的自動(dòng)識別和管理的一種技術(shù)。射頻標(biāo)簽具有快速掃描、體積小、易封裝、抗污染能力和耐久性、可重復(fù)使用、穿透性和無屏閱讀、數(shù)據(jù)的記憶容量大、安全等特點(diǎn)。目前廣泛應(yīng)用于身份識別和門禁管理、防偽、商業(yè)供應(yīng)鏈、公共交通管理、物流管理、生產(chǎn)線的自動(dòng)化及過程控制、動(dòng)物的跟蹤及管理、容器識別等領(lǐng)域[1]。
??? 射頻識別讀寫器根據(jù)應(yīng)用場合可分為固定式讀寫器和手持式讀寫器等。手持式讀寫器具有比較大的靈活性，通常由操作人員手持設(shè)備在某一區(qū)域內(nèi)完成對射頻標(biāo)簽相關(guān)信息的采集及顯示，并將相應(yīng)數(shù)據(jù)存儲于讀寫器的存儲器中，待與計(jì)算機(jī)連接后通過串行通信接口或USB接口傳送到本地計(jì)算機(jī)，也可通過網(wǎng)絡(luò)接口傳送到遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)，以便計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理及應(yīng)用。
??? 手持式RFID讀寫器一般采用可充電電池供電，而電池的容量和使用時(shí)間有限，因此，必須對讀寫器進(jìn)行低功耗設(shè)計(jì)，以便提高電池使用時(shí)間。
1 系統(tǒng)硬件組成及工作原理
??? 手持式RFID讀寫器主要由主控制模塊、RF收發(fā)模塊、通信模塊、鍵盤及顯示模塊、電源系統(tǒng)等組成，其硬件組成結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。
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??? 主控制模塊可采用單片機(jī)等微處理器作為讀寫器的主控制器，負(fù)責(zé)接收用戶命令并對發(fā)送信號進(jìn)行編碼及對接收信號進(jìn)行解碼，主控制器與射頻標(biāo)簽的通信由射頻收發(fā)模塊實(shí)現(xiàn)。擴(kuò)展存儲模塊用于擴(kuò)展單片機(jī)的存儲器空間，以便于手持式讀寫器單獨(dú)使用時(shí)保存所需的射頻標(biāo)簽數(shù)據(jù)，以待數(shù)據(jù)上傳計(jì)算機(jī)，同時(shí)也可以保存用于顯示的用戶字庫。鍵盤與顯示模塊用于輸入或顯示相關(guān)的信息，實(shí)現(xiàn)用戶操作所需的人機(jī)界面。實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊用于提供準(zhǔn)確的日期時(shí)間以便記錄特定事件和操作時(shí)間。USB接口、串行通信接口、以太網(wǎng)接口等通信接口用于滿足二次開發(fā)時(shí)根據(jù)具體應(yīng)用場合與計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的需要，可適當(dāng)選擇是否保留。同時(shí)，為適應(yīng)手持式RFID讀寫器在不同場合的工作需要，電源系統(tǒng)采用了AC電源、USB電源及電池供電相結(jié)合的模式，以便為讀寫器進(jìn)行供電、充電。
2 系統(tǒng)硬件低功耗設(shè)計(jì)
??? 在單片機(jī)系統(tǒng)中，系統(tǒng)的功耗由靜態(tài)功耗Ps和動(dòng)態(tài)功耗Pd組成，如式(1)、式(2)所示[2-4]。
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式中，UDD為工作電源電壓，IDD為靜態(tài)時(shí)由電源流向電路內(nèi)部的電流，ITC為脈沖電流的時(shí)間平均值，CT為芯片的負(fù)載電容，f為芯片的工作頻率。
??? 由式(1)、式(2)可知,對系統(tǒng)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(fù)載電容。對設(shè)計(jì)人員而言，負(fù)載電容一般是不可控的，故在不影響系統(tǒng)性能的前提下，系統(tǒng)低功耗設(shè)計(jì)主要是選擇的器件有盡可能低的工作電壓，并在電路設(shè)計(jì)中使用低頻率的時(shí)鐘。
??? 為了盡量減少系統(tǒng)功耗，在手持式RFID讀寫器的硬件設(shè)計(jì)中盡量采用低功耗器件，并根據(jù)不同工作狀態(tài)對系統(tǒng)的工作時(shí)鐘頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)。
2.1 低功耗器件的選型
??? RFID讀寫器的主控制器選用MSP430F149單片機(jī)，它是一款高性能、超低功耗的單片機(jī)，在1MHz時(shí)鐘條件下，工作電流視工作模式不同為0.1μA～400μA，工作電壓為1.8V～3.6V。大多數(shù)指令都可以單時(shí)鐘周期執(zhí)行，訪問為16位總線，存儲模塊由模塊內(nèi)部允許信號自動(dòng)選中，以減少總的電流消耗。同時(shí)，MSP430F149提供了活動(dòng)模式（AM）和五種低功耗模式0～4(LPM0～LPM4)，能不同程度地減少系統(tǒng)的功耗[5]。
?? ?在設(shè)計(jì)接口電路時(shí)還必須考慮節(jié)省功耗，接口芯片應(yīng)盡量選用低電壓器件,盡量減小接口器件的負(fù)載電容。手持式RFID讀寫器的相應(yīng)接口電路中也分別選用電壓工作為3.3V以下的低電壓器件，如RF收發(fā)模塊選用FM1702SL射頻卡讀寫芯片，擴(kuò)展存儲模塊選用AT45DB161B串行FLASH存儲器，顯示模塊及驅(qū)動(dòng)芯片選用P13501顯示模塊(包括P13501顯示屏及內(nèi)置驅(qū)動(dòng)芯片SSD1303)， USB接口選用IPS1582，串行通信接口選用MAX3232、網(wǎng)絡(luò)接口模塊選用ENC28J60、實(shí)時(shí)時(shí)鐘等。相應(yīng)器件的工作電壓如表1所示。
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2.2 系統(tǒng)工作時(shí)鐘頻率的調(diào)節(jié)
??? MSP430F14x系列單片機(jī)的基礎(chǔ)時(shí)鐘模塊主要由低頻晶體振蕩器（LFXT1）、高頻晶體振蕩器（XT2）、數(shù)字控制振蕩器(DCO)、鎖頻環(huán)（FLL）及FLL+等模塊組成，可以提供主系統(tǒng)時(shí)鐘（MCLK）、子系統(tǒng)時(shí)鐘（SMCLK）及輔助時(shí)鐘（ACLK）三種時(shí)鐘信號[5]。
?? ?MCU的工作電壓越高、時(shí)鐘頻率越快，則系統(tǒng)功耗越大，因此，MSP430F149可在能夠正常滿足系統(tǒng)性能的前提下，通過軟件對基本時(shí)鐘系統(tǒng)控制寄存器BCSCTL1、BCSCTL1及DCO控制寄存器DCOCTL中的RSELx、DCOx、MODx位進(jìn)行編程設(shè)置DCO的頻率用作MCLK、SMCLK的時(shí)鐘源，其范圍為32 768Hz～8MHz。在手持式RFID讀寫器設(shè)計(jì)中，為優(yōu)化低功耗特性，根據(jù)不同的工作狀態(tài)，ACLK可采用32 768Hz的LFXT1CLK以提供穩(wěn)定的系統(tǒng)時(shí)基和低功耗的備用工作時(shí)鐘頻率；MCU在執(zhí)行程序時(shí)所需的MCLK由可快速啟動(dòng)的DCOCLK提供；子系統(tǒng)時(shí)鐘SMCLK可采用DCOCLK作為擴(kuò)展FLASH的時(shí)鐘信號，以滿足擴(kuò)展FLASH讀寫操作時(shí)序的要求。
3 低功耗的軟件控制
?? ?手持式RFID讀寫器的基本工作主要包括射頻標(biāo)簽的讀寫、鍵盤操作、信息顯示、數(shù)據(jù)通信等，其中射頻標(biāo)簽的讀寫操作所需功耗最大，且使用最頻繁。因此，在低功耗硬件的基礎(chǔ)上，通過軟件利用MSP430F149可編程中斷結(jié)構(gòu)編程進(jìn)行系統(tǒng)工作模式的管理及外圍模塊的開關(guān)連接，從而控制讀寫器降低系統(tǒng)功耗。
3.1 工作模式的管理
??? MSP430F149通過軟件可對狀態(tài)寄存器SR中CPUOff、OSCOff、SCG0與SCG1進(jìn)行組合，提供6種工作模式來實(shí)現(xiàn)其模塊的智能運(yùn)行管理和MCU工作模式組合應(yīng)用，以滿足超低功耗的各種要求。
??? 為了充分利用MSP430F149的低功耗功能，根據(jù)手持式RFID讀寫器的工作狀態(tài)，可將工作模式分為射頻模式、通信模式和待機(jī)模式。其中射頻模式應(yīng)用于操作人員進(jìn)行射頻識別的讀寫操作，對應(yīng)地在射頻標(biāo)簽進(jìn)入工作區(qū)域時(shí)產(chǎn)生中斷，使MSP430F149由低功耗模式LPM3切換到活動(dòng)模式AM；通信模式應(yīng)用于讀寫器進(jìn)行USB通信或RS232通信或網(wǎng)絡(luò)通信等操作，由鍵盤中斷，使MSP430F149由低功耗模式LPM4切換到活動(dòng)模式AM；待機(jī)模式則在系統(tǒng)無操作時(shí)由鍵盤中斷或定時(shí)超時(shí)中斷，使MSP430F149由其他模式進(jìn)入低功耗模式LPM4。
??? 在正常工作時(shí)，MSP430F149使用活動(dòng)模式MCU全速運(yùn)行，其他相關(guān)模塊與外設(shè)進(jìn)行相應(yīng)數(shù)據(jù)的傳輸、保存、顯示等工作，功耗最大；在待機(jī)模式下，MSP430F149被設(shè)為低功耗模式，MCU以及內(nèi)部總線停止運(yùn)行，直到鍵盤或射頻收發(fā)模塊發(fā)出中斷信號，MSP430F149才會重新處于活動(dòng)狀態(tài)。通過軟件對三種工作模式進(jìn)行智能管理與控制，使得讀寫器在滿足正常工作的條件下盡可能減少了系統(tǒng)的功耗。
3.2 內(nèi)部模塊及相關(guān)接口的開關(guān)控制
??? MSP430F149內(nèi)部除基礎(chǔ)時(shí)鐘模塊外，還包括看門狗定時(shí)器WDT、兩個(gè)16位定時(shí)器模塊A3及B7、兩個(gè)串行通信模塊USART0及USART1、一個(gè)模擬比較器模塊A和一個(gè)12位模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊ADC12等[5]，這些模塊都可單獨(dú)控制使其進(jìn)入禁用狀態(tài)，從而可降低系統(tǒng)的功耗。RF收發(fā)模塊等外圍模塊通過MCU并行端口P1～P6進(jìn)行接口，在不同的工作狀態(tài)也可通過軟件將接口電路設(shè)置為高阻狀態(tài)或?qū)⑾鄳?yīng)模塊工作在省電工作模式，從而也可降低系統(tǒng)的功耗。如RF收發(fā)模塊選用的FM1702SL提供了硬件電源關(guān)閉、軟件電源關(guān)閉及待機(jī)等三種省電模式，可由MCU的 IO信號或通過軟件設(shè)置FM1702SL控制寄存器進(jìn)行省電模式設(shè)置，從而實(shí)現(xiàn)接口的低功耗控制。
4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
??? 手持式RFID讀寫器的電源系統(tǒng)采用了AC電源、USB電源以及電池相結(jié)合方式對系統(tǒng)供電，提供3.3V和5V兩路電壓輸出，其中5V為FM1702SL發(fā)射電路提供工作電源，3.3V為其他模塊提供工作電源。在射頻模式、USB通信模式及待機(jī)模式下可采用電池供電，電池采用1 900mAh 3.6V～4.2V鋰電池。USB通信模式還可采用USB電源供電，而RS232串口、以太網(wǎng)絡(luò)通信模式下則只能使用AC適配器供電。
??? 為測試手持式RFID讀寫器使用電池供電的系統(tǒng)功耗，在相應(yīng)功耗測試程序中，將MSP430F149的輔助時(shí)鐘ACK固定為3 2768Hz，主系統(tǒng)時(shí)鐘MCLK及子主系統(tǒng)時(shí)鐘SMCLK分別為8MHz、1MHz、400kHz時(shí)鐘頻率，并對相應(yīng)模塊開或關(guān)控制條件進(jìn)行測試。其中射頻模式下系統(tǒng)中MCU設(shè)為活動(dòng)模式、RF收發(fā)模塊的發(fā)射電路連續(xù)發(fā)射載波信號、模擬及數(shù)字電路正常工作，OLED顯示信息，其他通信模塊關(guān)閉；USB通信模式下系統(tǒng)中MCU設(shè)為活動(dòng)模式、USB通信模塊工作，OLED顯示信息，其他模塊關(guān)閉；待機(jī)模式下MCU設(shè)為低功耗模式LPM4，其他模塊都關(guān)閉。相應(yīng)條件下測得系統(tǒng)的消耗電流如表2所示。
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??? 雖然芯片的個(gè)體差異及功耗測試程序可能存在差異，測試時(shí)得到的數(shù)據(jù)會不完全相同，但從表2中的數(shù)據(jù)仍然可以很明顯看出：降低系統(tǒng)的工作時(shí)鐘頻率并適當(dāng)關(guān)閉空閑模塊，可以降低讀寫器的功耗，同時(shí)，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(jī)模式的功耗最高可降低到射頻模式的1/10以下，效果明顯。應(yīng)用證明，電池使用時(shí)間得到了提高，手持式RFID讀寫器具有更好的競爭力，可在不同應(yīng)用領(lǐng)域中針對具體應(yīng)用進(jìn)一步進(jìn)行二次開發(fā)使用。
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