概述
射頻識別(RFID)是近年來成長最快的無線技術(shù)之一，它將條形碼及無線技術(shù)的優(yōu)勢帶入資產(chǎn)管理、產(chǎn)品跟蹤、海運(yùn)及運(yùn)輸識別、庫存控制和定位檢測中。大多數(shù)RFID系統(tǒng)采用通過RF從閱讀器獲取電源的被動式標(biāo)簽。這樣有利于減小標(biāo)簽尺寸和降低成本，但是會限制讀取范圍和數(shù)據(jù)存儲能力。帶電池的主動式標(biāo)簽可以提供較大范圍的讀取能力和更強(qiáng)的可靠性，不過其尺寸較大，也更貴一些。采用最新的低功耗單片機(jī)和無線數(shù)傳芯片，設(shè)計一種不僅讀取距離遠(yuǎn)、可靠度高，而且成本更低、壽命更長的主動式RFID標(biāo)簽是本設(shè)計研究的目的。
設(shè)計方案分析
本設(shè)計完成的主動式RFID應(yīng)具有：低成本、低功耗、閱讀距離長及距離可調(diào)、電池供電等特性。分析主動式RFID的這些特性要求，形成設(shè)計方案如下：
低成本：以通常的基于RFID的電子識別系統(tǒng)來講，用于標(biāo)示物體的RFID標(biāo)簽總是有較大的使用量。標(biāo)簽的單價直接影響到系統(tǒng)整體造價的高低。雖然主動式 RFID相比被動式RFID具有：識別距離遠(yuǎn)、識別速度快、防沖突性能好等優(yōu)勢，但如果價格差別較大，也會成為應(yīng)用推廣中的障礙。所以，應(yīng)盡可能降低標(biāo)簽成本。
從器件選型入手，選用集成度高的MCU和無線數(shù)傳芯片，盡量減少外圍器件的數(shù)量，不僅可以降低硬件成本，還避免了生產(chǎn)過程中的統(tǒng)調(diào)工作，降低了生產(chǎn)成本。本設(shè)計選用MSP430F2012單片機(jī)，內(nèi)部PLL電路可以節(jié)省一般單片機(jī)必需的外部晶振；內(nèi)建電源電壓監(jiān)測/欠壓復(fù)位模塊 (BOR)省去了外部復(fù)位電路；選用IA4420無線數(shù)傳芯片，是目前同類無線數(shù)傳芯片中外圍元件最少的一種(僅需一個10MHz晶振)；差分天線接口可直連設(shè)計在PCB上的微帶天線。這些都使得本設(shè)計的硬件成本降到了最低。
低功耗：由于主動式RFID標(biāo)簽為電池供電，為了延長電池使用壽命，系統(tǒng)對低功耗性能要求嚴(yán)格。MSP430單片機(jī)擁有0.5mA的保持模式待機(jī)電流和250mA/MIPS的運(yùn)行功耗，是目前業(yè)界公認(rèn)的低功耗單片機(jī)； IA4420的低功耗待機(jī)模式電流消耗低至0.3mA。為本設(shè)計的低功耗性能提供了基礎(chǔ)保證。
低功耗設(shè)計，一方面從元器件的選擇入手，另一方面要設(shè)計優(yōu)化合理的運(yùn)行時序，在完成標(biāo)簽功能的前提下，使電路在大多數(shù)時間處于待機(jī)狀態(tài)。
長距離及距離可調(diào)：無線信號在自由空間中的視距傳輸距離，與系統(tǒng)總增益的log對數(shù)成正比，在不增加發(fā)射信號強(qiáng)度的情況下，選擇高接收靈敏度無線數(shù)傳芯片可以達(dá)到增加傳輸距離的效果。
IA4420 具有-109dBm的接收靈敏度和最大8dBm射頻信號輸出功率，室外開闊地實(shí)測傳輸距離達(dá)200米以上。按“6dB”法則，在無線系統(tǒng)中，總增益每增加或減少 6dB ，傳輸距離延長或縮短一倍。IA4420的信號輸出功率具有0，-3dBm，-6 dBm，-9 dBm，-12 dBm，-15 dBm，-18 dBm，-21 dBm共8級可調(diào)，配合0、-6、-14、-20可調(diào)的接收端LAN增益，實(shí)現(xiàn)了標(biāo)簽閱讀距離的大范圍多級可調(diào)。
電池供電：本設(shè)計選用單節(jié)CR2032紐扣式鋰錳電池，該電池公稱電壓3V，容量200mAh，建議間歇放電電流<15mA。CR2032具有每年低于1%的內(nèi)在超低漏電以及極其平坦的放電曲線(這兩種特性是延長電池使用壽命的理想選擇)。本設(shè)計省去電池到器件之間的穩(wěn)壓電路，直接由電池給系統(tǒng)供電。也節(jié)省了穩(wěn)壓電路所帶來的靜態(tài)電流消耗，使電池壽命進(jìn)一步延長。為防止發(fā)射狀態(tài)較大的電流造成電池電壓瞬態(tài)降低，使用較大容量電容與電池并聯(lián)。
直接用電池為單片機(jī)供電，一個值得注意的問題是：更換電池時電池導(dǎo)線的機(jī)械接觸會產(chǎn)生電源噪聲，使單片機(jī)復(fù)位不完全而產(chǎn)生隨機(jī)錯誤操作。 MSP430F2012內(nèi)部集成零功耗欠壓復(fù)位 (BOR) 保護(hù)功能，可以在電壓低于安全操作范圍時執(zhí)行完全復(fù)位，很好地解決了這一問題。
硬件電路設(shè)計
MSP430F2011
MSP430是TI公司的一個超低功耗單片機(jī)系列，完美地整合了低功耗、速度和片上外圍器件：CPU采用16位精簡指令集，集成了16個通用寄存器和常數(shù)發(fā)生器，極大提高了代碼的執(zhí)行效率；該系列單片機(jī)還將大量的外圍模塊整合到片內(nèi)，適合構(gòu)成較完整的片上系統(tǒng)；提供了5種低功耗模式，主要面向電池供電的應(yīng)用。本設(shè)計選用的MSP430系列中更低成本，更高性能的新型單片機(jī)—MSP430F2012。
IA4420
IA4420是Integration公司推出的一體化無線數(shù)傳芯片，RF功能全內(nèi)置，外部只要一個10MHz晶振即可工作。
主動式RFID標(biāo)簽的電路圖見圖1。
圖1 主動式RFID標(biāo)簽電路圖
通訊協(xié)議
所有的標(biāo)簽和閱讀器的無線數(shù)據(jù)傳輸均工作在同一個無線電頻率。在標(biāo)簽閱讀器的讀取范圍 (無線信號覆蓋范圍)內(nèi)只有一個標(biāo)簽的情況下，標(biāo)簽與閱讀器進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)無線通訊，無線電信號不會產(chǎn)生沖突。但如果閱讀器的讀取范圍有多個標(biāo)簽存在，則需要考慮多個標(biāo)簽同時發(fā)送數(shù)據(jù)(多路存取)時產(chǎn)生的無線電信號沖突，并制定相應(yīng)的防沖突機(jī)制加以解決。
本設(shè)計遵從ISO/IEC 18000-7《433 MHz有源RFID空中接口通信參數(shù)》中關(guān)于主動式RFID標(biāo)簽通訊協(xié)議的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層的所有約定。
結(jié)語
本設(shè)計通過合理選擇元件，圍繞低成本、低功耗、長距離、電池供電等特性要求優(yōu)化電路以及在設(shè)計中遵從ISO/IEC標(biāo)準(zhǔn)通訊協(xié)議，設(shè)計完成的主動式RFID標(biāo)簽在性能指標(biāo)、穩(wěn)定性、兼容國際標(biāo)準(zhǔn)和低硬件成本方面具有非常大優(yōu)勢。
以本設(shè)計完成的RFID標(biāo)簽，與配套的閱讀器可以組成人員或物品電子識別/定位系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于采礦、工業(yè)生產(chǎn)、道路交通、物流運(yùn)輸、醫(yī)療、醫(yī)藥、國防安全等眾多領(lǐng)域。