射頻識(shí)別RFID（Radio Frequency Identification）技術(shù)是利用無(wú)線射頻方式進(jìn)行非接觸式雙向通信，以達(dá)到識(shí)別目標(biāo)和交換數(shù)據(jù)的目的，實(shí)現(xiàn)對(duì)各種對(duì)象在不同狀態(tài)下的自動(dòng)識(shí)別和管理的一種技術(shù)。目前廣泛應(yīng)用于身份識(shí)別、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(guò)程控制、動(dòng)物的跟蹤及管理、容器識(shí)別等領(lǐng)域。射頻識(shí)別讀寫器根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)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(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境。
作為一種便攜式設(shè)備，手持式RFID 讀寫器一般采用可充電的電池來(lái)進(jìn)行供電，因此，采用先進(jìn)技術(shù)改進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，降低功耗以提高其使用時(shí)間，是手持式讀寫器設(shè)計(jì)中需要重點(diǎn)研究解決的問(wèn)題。本文主要介紹手持式RFID 讀寫器的低功耗設(shè)計(jì)方法，并通過(guò)測(cè)試軟件對(duì)所設(shè)計(jì)的讀寫器進(jìn)行功耗測(cè)試。
1 系統(tǒng)硬件組成及工作原理
為滿足不同領(lǐng)域的應(yīng)用需求及二次開發(fā)設(shè)計(jì)需要實(shí)現(xiàn)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(fā)模塊、顯示模塊、實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊、擴(kuò)展存儲(chǔ)模塊、USB 接口模塊、串行通信接口模塊、以太網(wǎng)絡(luò)接口模塊、鍵盤模塊及電源系統(tǒng)等組成，其硬件組成結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。手持式RFID 讀寫器通常由操作人員手持設(shè)備在某一區(qū)域內(nèi)完成對(duì)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(chǔ)于讀寫器的存儲(chǔ)器中，待與計(jì)算機(jī)連接后通過(guò)串行通信接口或USB 接口傳送到本地計(jì)算機(jī)，也可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口傳送到遠(yuǎn)程的網(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。為便于針對(duì)具體應(yīng)用場(chǎng)合與應(yīng)用系統(tǒng)計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)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(wǎng)絡(luò)接口等，二次開發(fā)時(shí)可根據(jù)需要適當(dāng)選擇是否保留。同時(shí)，為使手持式RFID 讀寫器能滿足不同場(chǎng)合的供電需要，電源系統(tǒng)采用了USB 電源、AC 電源以及電池供電相結(jié)合的模式，以便為RFID 系統(tǒng)進(jìn)行工作供電或電池充電。
圖1 RFID 讀寫器的組成結(jié)構(gòu)圖
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s P 和動(dòng)態(tài)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(tài)時(shí)由電源流向電路內(nèi)部的電流， TC I 為脈沖電流的時(shí)間平均值， T C 為芯片的負(fù)載電容， f 為工作頻率。
由式（1）（2）可知,對(duì)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(duì)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)主要是盡可能選擇低工作電壓的器件，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)的功耗，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(duì)系統(tǒng)的工作時(shí)鐘頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)。其中主控制器選用了高性能、超低功耗的MSP430F149 單片機(jī)，工作電壓為1.8～3.6V，可提供了6 種工作模式，即活動(dòng)模式（AM）和低功耗模式0-4(LPM0-4)，能不同程度的減少芯片內(nèi)部以及外部模塊的功耗。相應(yīng)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(fā)模塊選用FM1702SL 射頻卡讀寫芯片，擴(kuò)展存儲(chǔ)模塊選用AT45DB161B 串行FLASH 存儲(chǔ)器，顯示模塊及驅(qū)動(dòng)芯片選用P13501 顯示模塊（含內(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 等。
MSP430F149 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)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）3 種時(shí)鐘信號(hào)。為優(yōu)化低功耗特性，在手持式RFID 讀寫器設(shè)計(jì)中MSP430F149 可在滿足系統(tǒng)性能的前提下，通過(guò)軟件對(duì)基本時(shí)鐘系統(tǒng)控制寄存器BCSCTL1、BCSCTL1 及DCO 控制寄存器DCOCTL 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32768Hz～8MHz。其中ACLK 可采用32768Hz 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，SMCLK 可采用DCOCLK 作為擴(kuò)展FLASH 的時(shí)鐘信號(hào)，以滿足擴(kuò)展FLASH 的讀寫操作時(shí)序要求。
3 低功耗的軟件控制
在低功耗硬件的基礎(chǔ)上，通過(guò)軟件采用MSP430F149 的可編程中斷結(jié)構(gòu)編程來(lái)管理系統(tǒng)的工作模式及外圍模塊的開關(guān)連接，從而控制讀寫器降低系統(tǒng)功耗。
為充分利用MSP430F149 的低功耗功能，根據(jù)手持式RFID 讀寫器的工作狀態(tài)將其工作模式設(shè)為射頻模式、通信模式和待機(jī)模式，以盡量延長(zhǎng)讀寫器的工作時(shí)間。其中射頻模式應(yīng)用于操作人員進(jìn)行射頻識(shí)別的讀寫操作，當(dāng)射頻標(biāo)簽進(jìn)入工作區(qū)域時(shí)產(chǎn)生中斷使MSP430F149工作模式由低功耗模式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 串行通信或網(wǎng)絡(luò)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(dòng)模式AM；待機(jī)模式則在系統(tǒng)無(wú)操作時(shí)由鍵盤中斷或定時(shí)超時(shí)中斷使MSP430F149工作模式由其他模式進(jìn)行低功耗模式LPM4。
另外，在不同的工作狀態(tài)也可通過(guò)軟件將MCU 的P1~P6 連接的接口電路設(shè)置為高阻狀態(tài)或?qū)⑾鄳?yīng)外圍模塊工作在省電工作模式，從而也可降低系統(tǒng)的功耗。如FM1702SLRF 收發(fā)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(hào)或通過(guò)軟件設(shè)置FM1702SL 內(nèi)部控制寄存器設(shè)置為省電模式，以實(shí)現(xiàn)低功耗的控制。
4 功耗測(cè)試及結(jié)果分析
為測(cè)試手持式RFID 讀寫器的系統(tǒng)功耗，按相應(yīng)測(cè)試規(guī)程設(shè)計(jì)的功耗測(cè)試主程序及功耗測(cè)試中斷程序的流程圖分別如圖2、圖3 所示。系統(tǒng)在功耗測(cè)試主程序的控制下進(jìn)行待測(cè)試狀態(tài)，其中在接口初始化模塊中將鍵盤及顯示接口設(shè)置為功耗測(cè)試需要的功能，并提示用戶按測(cè)試流程進(jìn)行相應(yīng)測(cè)試，等待操作人員進(jìn)行功耗測(cè)試操作。當(dāng)操作人員按預(yù)定測(cè)試規(guī)程按下相應(yīng)鍵后調(diào)用功耗測(cè)試中斷程序進(jìn)行測(cè)試。在相應(yīng)中斷程序中可按提示信息將主系統(tǒng)時(shí)鐘MCLK 及子系統(tǒng)時(shí)鐘SMCLK 時(shí)鐘頻率設(shè)置為8MHz、1MHz、400KHz,然后選擇工作模式設(shè)置為射頻模式、USB 通信模式或待機(jī)模式，最后選擇相應(yīng)模塊狀態(tài)設(shè)置為連接或關(guān)閉，并經(jīng)延時(shí)使系統(tǒng)工作穩(wěn)定后提示測(cè)試功耗，最后執(zhí)行中斷返回命令返回主程序待進(jìn)行其他條件下的功耗測(cè)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(hào)、模擬及數(shù)字電路正常工作，OLED 顯示標(biāo)簽信息，其他通信模塊關(guān)閉；USB 通信模式下則是系統(tǒng)中MCU 設(shè)為活動(dòng)模式、USB 通信工作，OLED 顯示通信信息，其他模塊關(guān)閉；待機(jī)模式下則是MCU 設(shè)為低功耗模式LPM4，其他模塊都關(guān)閉。
圖2 功耗測(cè)試程序流程圖
圖3 功耗測(cè)試中斷程序流程圖
手持式RFID 讀寫器進(jìn)行功耗測(cè)試時(shí)電源系統(tǒng)采用了1900mAh3.6V～4.2V 鋰電池供電。RS232 串行通信及以太網(wǎng)絡(luò)通信通常用AC 電源提供工作電源，故不進(jìn)行功耗測(cè)試。在工作電壓為3.3V 條件下測(cè)得系統(tǒng)的消耗電流如圖4 所示。
圖4 測(cè)試結(jié)果示意圖
盡管芯片的個(gè)體差異及功耗測(cè)試程序可能存在差異，測(cè)試時(shí)得到的數(shù)據(jù)會(huì)不完全相同，但從圖4 仍可看出功耗變化的趨勢(shì)：（1）同一模式相同狀態(tài)下降低系統(tǒng)的工作時(shí)鐘頻率可以降低讀寫器的功耗；（2）同一模式關(guān)閉相應(yīng)模塊，可降低系統(tǒng)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(jī)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(jié)束語(yǔ)
手持式RFID 讀寫器采用了超低功耗的MSP430F149 單片機(jī)，并選用了低電壓器件，降低系統(tǒng)工作電壓。本設(shè)計(jì)的創(chuàng)新點(diǎn)是采用硬件設(shè)計(jì)和軟件管理的靜動(dòng)態(tài)相結(jié)合方法來(lái)降低系統(tǒng)的功耗。測(cè)試結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)方法有效地降低了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的功耗。對(duì)進(jìn)一步優(yōu)化手持式RFID 讀寫器軟件設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義，也可為其他低功耗系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供一種具有一定參考價(jià)值的設(shè)計(jì)方法。目前項(xiàng)目已投入試用，經(jīng)濟(jì)效益達(dá)20 萬(wàn)元。
