??? 摘 要： 基于MSP430F149單片機的手持式RFID讀寫器低功耗設計策略及器件選擇方案，結合RFID讀寫器的工作情況提出了一種采用調(diào)節(jié)MSP430F149工作時鐘頻率和對系統(tǒng)工作模式進行智能管理來降低讀寫器系統(tǒng)功耗的方法。
??? 關鍵詞： MSP430F149單片機；手持式RFID讀寫器；低功耗
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??? 射頻識別RFID（Radio Frequency Identification）技術是利用無線射頻方式進行非接觸式雙向通信，以達到識別目標和交換數(shù)據(jù)的目的，實現(xiàn)對各種對象在不同狀態(tài)下的自動識別和管理的一種技術。射頻標簽具有快速掃描、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。目前廣泛應用于身份識別和門禁管理、防偽、商業(yè)供應鏈、公共交通管理、物流管理、生產(chǎn)線的自動化及過程控制、動物的跟蹤及管理、容器識別等領域[1]。
??? 射頻識別讀寫器根據(jù)應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備在某一區(qū)域內(nèi)完成對射頻標簽相關信息的采集及顯示，并將相應數(shù)據(jù)存儲于讀寫器的存儲器中，待與計算機連接后通過串行通信接口或USB接口傳送到本地計算機，也可通過網(wǎng)絡接口傳送到遠程網(wǎng)絡計算機，以便計算機系統(tǒng)進行相應的數(shù)據(jù)處理及應用。
??? 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間有限，因此，必須對讀寫器進行低功耗設計，以便提高電池使用時間。
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，其硬件組成結構圖如圖1所示。
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??? 主控制模塊可采用單片機等微處理器作為讀寫器的主控制器，負責接收用戶命令并對發(fā)送信號進行編碼及對接收信號進行解碼，主控制器與射頻標簽的通信由射頻收發(fā)模塊實現(xiàn)。擴展存儲模塊用于擴展單片機的存儲器空間，以便于手持式讀寫器單獨使用時保存所需的射頻標簽數(shù)據(jù)，以待數(shù)據(jù)上傳計算機，同時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的信息，實現(xiàn)用戶操作所需的人機界面。實時時鐘模塊用于提供準確的日期時間以便記錄特定事件和操作時間。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)時根據(jù)具體應用場合與計算機進行數(shù)據(jù)通信的需要，可適當選擇是否保留。同時，為適應手持式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合的模式，以便為讀寫器進行供電、充電。
2 系統(tǒng)硬件低功耗設計
??? 在單片機系統(tǒng)中，系統(tǒng)的功耗由靜態(tài)功耗Ps和動態(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)時由電源流向電路內(nèi)部的電流，ITC為脈沖電流的時間平均值，CT為芯片的負載電容，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,再就是負載電容。對設計人員而言，負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)低功耗設計主要是選擇的器件有盡可能低的工作電壓，并在電路設計中使用低頻率的時鐘。
??? 為了盡量減少系統(tǒng)功耗，在手持式RFID讀寫器的硬件設計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)的工作時鐘頻率進行調(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，它是一款高性能、超低功耗的單片機，在1MHz時鐘條件下，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)部允許信號自動選中，以減少總的電流消耗。同時，MSP430F149提供了活動模式（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]。
?? ?在設計接口電路時還必須考慮節(jié)省功耗，接口芯片應盡量選用低電壓器件,盡量減小接口器件的負載電容。手持式RFID讀寫器的相應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，擴展存儲模塊選用AT45DB161B串行FLASH存儲器，顯示模塊及驅(qū)動芯片選用P13501顯示模塊(包括P13501顯示屏及內(nèi)置驅(qū)動芯片SSD1303)， USB接口選用IPS1582，串行通信接口選用MAX3232、網(wǎng)絡接口模塊選用ENC28J60、實時時鐘等。相應器件的工作電壓如表1所示。
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2.2 系統(tǒng)工作時鐘頻率的調(diào)節(jié)
??? MSP430F14x系列單片機的基礎時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)時鐘（MCLK）、子系統(tǒng)時鐘（SMCLK）及輔助時鐘（ACLK）三種時鐘信號[5]。
?? ?MCU的工作電壓越高、時鐘頻率越快，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位進行編程設置DCO的頻率用作MCLK、SMCLK的時鐘源，其范圍為32 768Hz～8MHz。在手持式RFID讀寫器設計中，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)時基和低功耗的備用工作時鐘頻率；MCU在執(zhí)行程序時所需的MCLK由可快速啟動的DCOCLK提供；子系統(tǒng)時鐘SMCLK可采用DCOCLK作為擴展FLASH的時鐘信號，以滿足擴展FLASH讀寫操作時序的要求。
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簽的讀寫、鍵盤操作、信息顯示、數(shù)據(jù)通信等，其中射頻標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上，通過軟件利用MSP430F149可編程中斷結構編程進行系統(tǒng)工作模式的管理及外圍模塊的開關連接，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進行組合，提供6種工作模式來實現(xiàn)其模塊的智能運行管理和MCU工作模式組合應用，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、通信模式和待機模式。其中射頻模式應用于操作人員進行射頻識別的讀寫操作，對應地在射頻標簽進入工作區(qū)域時產(chǎn)生中斷，使MSP430F149由低功耗模式LPM3切換到活動模式AM；通信模式應用于讀寫器進行USB通信或RS232通信或網(wǎng)絡通信等操作，由鍵盤中斷，使MSP430F149由低功耗模式LPM4切換到活動模式AM；待機模式則在系統(tǒng)無操作時由鍵盤中斷或定時超時中斷，使MSP430F149由其他模式進入低功耗模式LPM4。
??? 在正常工作時，MSP430F149使用活動模式MCU全速運行，其他相關模塊與外設進行相應數(shù)據(jù)的傳輸、保存、顯示等工作，功耗最大；在待機模式下，MSP430F149被設為低功耗模式，MCU以及內(nèi)部總線停止運行，直到鍵盤或射頻收發(fā)模塊發(fā)出中斷信號，MSP430F149才會重新處于活動狀態(tài)。通過軟件對三種工作模式進行智能管理與控制，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)部模塊及相關接口的開關控制
??? MSP430F149內(nèi)部除基礎時鐘模塊外，還包括看門狗定時器WDT、兩個16位定時器模塊A3及B7、兩個串行通信模塊USART0及USART1、一個模擬比較器模塊A和一個12位模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊ADC12等[5]，這些模塊都可單獨控制使其進入禁用狀態(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進行接口，在不同的工作狀態(tài)也可通過軟件將接口電路設置為高阻狀態(tài)或?qū)⑾鄳K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提供了硬件電源關閉、軟件電源關閉及待機等三種省電模式，可由MCU的 IO信號或通過軟件設置FM1702SL控制寄存器進行省電模式設置，從而實現(xiàn)接口的低功耗控制。
4 實驗結果與分析
??? 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，在相應功耗測試程序中，將MSP430F149的輔助時鐘ACK固定為3 2768Hz，主系統(tǒng)時鐘MCLK及子主系統(tǒng)時鐘SMCLK分別為8MHz、1MHz、400kHz時鐘頻率，并對相應模塊開或關控制條件進行測試。其中射頻模式下系統(tǒng)中MCU設為活動模式、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，其他通信模塊關閉；USB通信模式下系統(tǒng)中MCU設為活動模式、USB通信模塊工作，OLED顯示信息，其他模塊關閉；待機模式下MCU設為低功耗模式LPM4，其他模塊都關閉。相應條件下測得系統(tǒng)的消耗電流如表2所示。
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??? 雖然芯片的個體差異及功耗測試程序可能存在差異，測試時得到的數(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)的工作時鐘頻率并適當關閉空閑模塊，可以降低讀寫器的功耗，同時，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。應用證明，電池使用時間得到了提高，手持式RFID讀寫器具有更好的競爭力，可在不同應用領域中針對具體應用進一步進行二次開發(fā)使用。
參考文獻
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