摘 要： 介紹一種用于礦井人員定位" title="礦井人員定位">礦井人員定位的超低功耗" title="超低功耗">超低功耗射頻讀寫系統(tǒng)" title="讀寫系統(tǒng)">讀寫系統(tǒng)的硬件設計方案。該方案以TI公司的16位單片機MSP430F2012為核心芯片，結合Chipcon公司最新推出的無線射頻收發(fā)芯片CC1100和外圍元器件構建。重點闡述讀寫器" title="讀寫器">讀寫器和射頻卡的硬件設計、工作特性，并給出其內部構造。利用LSD-FET430仿真器和串口調試軟件對硬件系統(tǒng)進行仿真測試，驗證了該設計方案的可行性。
　　關鍵詞： 礦井人員定位；MSP430F2012；CC1100；讀寫器；射頻卡

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　　礦井人員定位系統(tǒng)集成了計算機網絡、射頻識別、數據庫和微電子電路等多種新技術，能夠實時采集到礦井人員的位置信息，經實時數據庫反饋給地面監(jiān)控中心，并通過互聯(lián)網達到在線監(jiān)控的目的。一旦事故發(fā)生，可以根據礦井人員的位置采取有效的救援措施，使人員傷亡和各項損失降到最低。目前不少有關礦井人員定位方面的報道和研究^[1][2]，但其射頻讀寫系統(tǒng)設計中選用的主控芯片和射頻芯片大多功耗高，不利于在礦井惡劣環(huán)境中長時間工作。本設計選用的MSP430F2012和CC1100均是最新推出的超低功耗芯片，適合于礦井人員定位。
1 射頻讀寫系統(tǒng)硬件設計
　　用于礦井人員定位的射頻讀寫系統(tǒng)由計算機、讀寫器和射頻卡組成，讀寫器和射頻卡的硬件設計是該系統(tǒng)的核心[2]。讀寫器主要包括控制模塊" title="控制模塊">控制模塊、射頻收發(fā)模塊、接口模塊和天線；而射頻卡主要由控制模塊、射頻收發(fā)模塊、存儲器和天線構成，根據實際的需要分有源射頻卡和無源射頻卡^[2][3]。圖1是用于礦井人員定位的射頻讀寫系統(tǒng)結構圖。

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1.1 控制模塊
　　不論是讀寫器還是射頻卡，要實現(xiàn)信號的編碼處理，控制模塊是必不可少的?？刂颇K主要由基帶信號處理單元和智能單元組成?；鶐幚韱卧獙l(fā)出的命令編碼為便于調制到射頻信號上的編碼信號，并對經解調處理的射頻卡回送信號進行必要的處理，然后將結果送入讀寫器的智能單元中。智能單元是讀寫器的控制核心，實現(xiàn)與后端應用程序的規(guī)范、控制通信、加密和解碼、執(zhí)行防沖突算法等。
　　MSP430^[4]是TI公司的一個超低功耗單片機系列，它有5種可編程的工作模式，其中活動模式下的工作電流僅需幾百微安，LPM3模式下僅需0.55?滋A。MSP430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發(fā)生器，極大提高了代碼的執(zhí)行效率；該系列單片機還將大量的外圍模塊整合到片內，適合構成較完整的片上系統(tǒng)；提供了5種低功耗模式，主要面向有源系統(tǒng)中需要電池供電的應用。本設計的控制模塊選用了MSP430系列中更低成本、更高性能的新型單片機MSP430F2012，其內部結構如圖2所示。

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1.2 無線收發(fā)模塊
　　無線收發(fā)模塊主要完成射頻信號的處理功能，包括產生射頻能量，將讀寫器欲發(fā)往射頻卡的命令調制到讀寫器發(fā)射的載頻信號上，形成已調制的發(fā)射信號，經讀寫器的天線發(fā)送出去。發(fā)送出去的已調信號經過空間信道傳送到射頻卡上，射頻卡對接收到的射頻信號做出響應，形成返回讀寫器天線的發(fā)射回波信號；將射頻卡返回到讀寫器的回波信號進行必要的加工處理并從中解調，提取出射頻卡回送的編碼數據。
　　無線收發(fā)模塊選用的芯片是Chipcon公司最新推出的CC1100^[5]射頻芯片，它是一種特別適合應用于UHF的無線傳輸芯片，體積小、功耗低，數據傳送速率為1.2kb/s～500kb/s，其典型工作頻率是315MHz、433MHz、868MHz和915MHz，實際的工作頻帶為：300MHz～348MHz，400MHz～464MHz和800MHz～920MHz，在所有頻段提供的輸出功率為-30dbm～10dbm。根據文獻[6]可知在礦井無線通信最佳頻段為900MHz左右，因此本設計選用915MHz為中心頻率，帶寬為200kHz，上行與下行信道的間隔也是200kHz。
　　圖3為CC1100在915MHz時的外圍器件組成的電路。

1.3 存儲器和接口模塊
　　射頻卡中的存儲器主要用于存儲人員的信息（ID號）和卡片的電壓信息，其容量一般不要求太大，可以節(jié)約能耗。本設計選用可寫入射頻卡，其存儲器的讀寫訪問按字段進行，采用EEPROM工藝。閱讀器中的接口模塊主要是連接計算機的RS232口，其實質是一個電壓轉換電路，將MSP430的TDO、TDI、TMS、TCK、GND、RST/NMI引腳的電壓與RS232的DB9電壓匹配。
　　CC1100與MSP430采用的是SPI接口連接^[5]， 串行外設接口SPI(Serial Peripheral Interface)總線系統(tǒng)是一種同步串行外設接口,允許MCU 與各種外圍設備以串行方式進行通信、數據交換。外圍設備包括FLASHRAM、A/D轉換器、網絡控制器、MCU等。SPI系統(tǒng)可直接與各個廠家生產的多種標準外圍器件直接接口，使用4 條線:串行時鐘線(SCK)、主機輸入/從機輸出數據線MISO（Multiple-Input Single-Output）、主機輸出/從機輸入數據線MOSI和低電平有效的從機選擇線SS。
1.4 天線
　　射頻讀寫系統(tǒng)中，天線是必不可少的部分，用于產生電磁波，在讀寫器與射頻卡之間傳送信息。天線的形狀和尺寸決定系統(tǒng)的感應頻率范圍等性能，頻率越高，天線越靈敏，面積也越小。天線有偶極子、微帶面、縫隙式和線圈式等類型，天線的極化方式有線極化、圓極化、橢圓極化等，根據不同的頻段可以選擇不同類型和不同極化方式的天線。本設計中的讀寫器天線采用915MHz諧振頻率線極化天線，天線輻射功率為1W左右，射頻卡天線采用的三角微帶天線模型設計，最大場強方向為0.125。
2 射頻讀寫系統(tǒng)工作特性及工作流程
2.1 超低功耗設計的工作特性
　　在礦井復雜環(huán)境中，采用具有休眠機制的低功耗芯片將更加有利于整個系統(tǒng)長時間穩(wěn)定有效運行。閱讀器中的MSP430通常情況下處于休眠狀態(tài)，而CC1100一直處于接收狀態(tài)，且休眠狀態(tài)的時間是接收狀態(tài)時間的數倍。當閱讀器上的CC1100接到射頻卡發(fā)出的編碼信息后，產生中斷通知MCU,MCU發(fā)出指令激活MSP430，MSP430將接收到的射頻卡的ID號和電池電壓的編碼信息通過RS232傳送給計算機，然后繼續(xù)休眠。
　　射頻卡中的MSP430通常情況下處于休眠狀態(tài)，CC1100也處于休眠狀態(tài)，但MSP430中有定時器電路，定時器Timer定時1s產生中斷，將處于休眠狀態(tài)的MSP430喚醒；MSP430通過SD16_A測量射頻卡中的電池電壓，并延時一個隨機時間后把自己的ID號和電池電壓經編碼后通過CC1100發(fā)送出去，然后繼續(xù)睡眠。
　　圖4為MSP430的超低功耗工作特性。由圖4可以看出閱讀器和射頻卡中的MSP430處于休眠的時間較長，休眠時處于低功耗狀態(tài)，只有在被喚醒或激活的小段時間中正常功耗下工作。射頻卡被喚醒，向讀寫器發(fā)送編碼信息，發(fā)送完立即轉入休眠狀態(tài)；讀寫器被激活，向上位機傳送編碼信息，之后轉入休眠狀態(tài)。這種設計比其他空閑狀態(tài)時仍正常消耗電量的射頻讀寫系統(tǒng)功耗要低很多。

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2.2 射頻讀寫系統(tǒng)工作流程
　　在整個系統(tǒng)中，讀寫器是核心部件，讀寫器和射頻卡的所有工作都由上位計算機的應用系統(tǒng)來控制，它是連接后端應用系統(tǒng)與前端信息載體——射頻卡之間的主要通道^[2]。射頻卡定時將自身的信息編碼處理發(fā)送給讀寫器，讀寫器將其解碼處理后存入存儲器中。當計算機的應用系統(tǒng)發(fā)出查詢命令時，指令經RS232線傳到讀寫器智能單元，讀寫器發(fā)出指令將收到的射頻卡信息傳送給上位機，上位機通過實時數據庫分析收到的信息并進行比較處理，并分時段保存。當事故發(fā)生時，可以根據下面采集到的人員位置信息采取有效的救援措施，使損失降到最低^[3]。
3 系統(tǒng)仿真結果與結論
　　TI公司的MSP430系列包容了MCU在國際上的先進技術JTAG和Flash在線編程技術，利用BOOTSTRAP在燒斷熔絲以后只要幾根線就可以更改并運行內部的程序，這為在線改寫提供了很方便的途徑。本設計系統(tǒng)是利用LSD-FET430仿真器和串口調試軟件進行仿真測試，在915MHz時得到仿真結果如圖5所示。

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　　由圖5調試結果可以看出，當射頻卡被喚醒后，將其ID號發(fā)送給讀寫器，讀寫器通過RS232線傳到上位機的串口調試軟件，顯示出其ID號，圖5(a)為發(fā)送2次4個射頻卡時接收到的結果，圖5(b)為發(fā)送5次4個射頻卡時接收到的結果。仿真和調試的結果證明了該設計方案的可行性，該讀寫系統(tǒng)因其低功耗性將在礦井等惡劣環(huán)境中逐步得到應用。