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(shè)計(jì)方案。該方案以TI公司的16位單片機(jī)MSP430F2012為核心芯片，結(jié)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(gòu)建。重點(diǎn)闡述讀寫器" title="讀寫器">讀寫器和射頻卡的硬件設(shè)計(jì)、工作特性，并給出其內(nèi)部構(gòu)造。利用LSD-FET430仿真器和串口調(diào)試軟件對硬件系統(tǒng)進(jìn)行仿真測試，驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)方案的可行性。
　　關(guān)鍵詞： 礦井人員定位；MSP430F2012；CC1100；讀寫器；射頻卡

?

　　礦井人員定位系統(tǒng)集成了計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、射頻識別、數(shù)據(jù)庫和微電子電路等多種新技術(shù)，能夠?qū)崟r(shí)采集到礦井人員的位置信息，經(jīng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫反饋給地面監(jiān)控中心，并通過互聯(lián)網(wǎng)達(dá)到在線監(jiān)控的目的。一旦事故發(fā)生，可以根據(jù)礦井人員的位置采取有效的救援措施，使人員傷亡和各項(xiàng)損失降到最低。目前不少有關(guān)礦井人員定位方面的報(bào)道和研究^[1][2]，但其射頻讀寫系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(shí)間工作。本設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)
　　用于礦井人員定位的射頻讀寫系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)、讀寫器和射頻卡組成，讀寫器和射頻卡的硬件設(shè)計(jì)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(gòu)成，根據(jù)實(shí)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(jié)構(gòu)圖。

?

1.1 控制模塊
　　不論是讀寫器還是射頻卡，要實(shí)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(diào)制到射頻信號上的編碼信號，并對經(jīng)解調(diào)處理的射頻卡回送信號進(jìn)行必要的處理，然后將結(jié)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(shí)現(xiàn)與后端應(yīng)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(gè)超低功耗單片機(jī)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(gè)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，主要面向有源系統(tǒng)中需要電池供電的應(yīng)用。本設(shè)計(jì)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(jī)MSP430F2012，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

?

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(chǎn)生射頻能量，將讀寫器欲發(fā)往射頻卡的命令調(diào)制到讀寫器發(fā)射的載頻信號上，形成已調(diào)制的發(fā)射信號，經(jīng)讀寫器的天線發(fā)送出去。發(fā)送出去的已調(diào)信號經(jīng)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(yīng)，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(jìn)行必要的加工處理并從中解調(diào)，提取出射頻卡回送的編碼數(shù)據(jù)。
　　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(yīng)用于UHF的無線傳輸芯片，體積小、功耗低，數(shù)據(jù)傳送速率為1.2kb/s～500kb/s，其典型工作頻率是315MHz、433MHz、868MHz和915MHz，實(shí)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(jù)文獻(xiàn)[6]可知在礦井無線通信最佳頻段為900MHz左右，因此本設(shè)計(jì)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(shí)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(shè)計(jì)選用可寫入射頻卡，其存儲器的讀寫訪問按字段進(jìn)行，采用EEPROM工藝。閱讀器中的接口模塊主要是連接計(jì)算機(jī)的RS232口，其實(shí)質(zhì)是一個(gè)電壓轉(zhuǎn)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(shè)接口SPI(Serial Peripheral Interface)總線系統(tǒng)是一種同步串行外設(shè)接口,允許MCU 與各種外圍設(shè)備以串行方式進(jìn)行通信、數(shù)據(jù)交換。外圍設(shè)備包括FLASHRAM、A/D轉(zhuǎn)換器、網(wǎng)絡(luò)控制器、MCU等。SPI系統(tǒng)可直接與各個(gè)廠家生產(chǎn)的多種標(biāo)準(zhǔn)外圍器件直接接口，使用4 條線:串行時(shí)鐘線(SCK)、主機(jī)輸入/從機(jī)輸出數(shù)據(jù)線MISO（Multiple-Input Single-Output）、主機(jī)輸出/從機(jī)輸入數(shù)據(jù)線MOSI和低電平有效的從機(jī)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(chǎn)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(yīng)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(jù)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)，最大場強(qiáng)方向?yàn)?.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(shè)計(jì)的工作特性
　　在礦井復(fù)雜環(huán)境中，采用具有休眠機(jī)制的低功耗芯片將更加有利于整個(gè)系統(tǒng)長時(shí)間穩(wěn)定有效運(yùn)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(shí)間是接收狀態(tài)時(shí)間的數(shù)倍。當(dāng)閱讀器上的CC1100接到射頻卡發(fā)出的編碼信息后，產(chǎn)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(jì)算機(jī)，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(shí)器電路，定時(shí)器Timer定時(shí)1s產(chǎn)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(shí)一個(gè)隨機(jī)時(shí)間后把自己的ID號和電池電壓經(jīng)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(shí)間較長，休眠時(shí)處于低功耗狀態(tài)，只有在被喚醒或激活的小段時(shí)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(zhuǎn)入休眠狀態(tài)；讀寫器被激活，向上位機(jī)傳送編碼信息，之后轉(zhuǎn)入休眠狀態(tài)。這種設(shè)計(jì)比其他空閑狀態(tài)時(shí)仍正常消耗電量的射頻讀寫系統(tǒng)功耗要低很多。

?

2.2 射頻讀寫系統(tǒng)工作流程
　　在整個(gè)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(jì)算機(jī)的應(yīng)用系統(tǒng)來控制，它是連接后端應(yīng)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(shí)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(dāng)計(jì)算機(jī)的應(yīng)用系統(tǒng)發(fā)出查詢命令時(shí)，指令經(jīng)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(jī)，上位機(jī)通過實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫分析收到的信息并進(jìn)行比較處理，并分時(shí)段保存。當(dāng)事故發(fā)生時(shí)，可以根據(jù)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(jié)果與結(jié)論
　　TI公司的MSP430系列包容了MCU在國際上的先進(jìn)技術(shù)JTAG和Flash在線編程技術(shù)，利用BOOTSTRAP在燒斷熔絲以后只要幾根線就可以更改并運(yùn)行內(nèi)部的程序，這為在線改寫提供了很方便的途徑。本設(shè)計(jì)系統(tǒng)是利用LSD-FET430仿真器和串口調(diào)試軟件進(jìn)行仿真測試，在915MHz時(shí)得到仿真結(jié)果如圖5所示。

?

?

　　由圖5調(diào)試結(jié)果可以看出，當(dāng)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(jī)的串口調(diào)試軟件，顯示出其ID號，圖5(a)為發(fā)送2次4個(gè)射頻卡時(shí)接收到的結(jié)果，圖5(b)為發(fā)送5次4個(gè)射頻卡時(shí)接收到的結(jié)果。仿真和調(diào)試的結(jié)果證明了該設(shè)計(jì)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(yīng)用。