模塊電路設計

系統(tǒng)選用MSP430F413單片機和MFRC522射頻芯片。為簡化系統(tǒng)結構，本系統(tǒng)僅由低電壓報警單元、MCU單元、射頻收發(fā)單元、天線、紅外發(fā)射接收以及外圍信號組成。

本系統(tǒng)選用的是SPI接口方式，其連接圖如圖1所示。

圖1 MCU與射頻接口及下載接口圖

MSP430選用JTAG接口下載仿真程序。為了進一步減少功耗，在系統(tǒng)處于休眠模式時可通過指令關閉SPI接口和MCU中無用的端口。

射頻卡讀寫器采用電感耦合式天線，主要用于產(chǎn)生磁通量，而磁通量用于向射頻卡提供電源并在讀卡器與射頻卡之間傳輸信息。當一個RFID系統(tǒng)正常工作時所需的磁感應強度B一定時，安培匝數(shù)NI由環(huán)形天線的邊長a以及標簽和讀寫器天線的距離x來共同決定。其關系式為：

電感耦合式天線的特征值主要有品質(zhì)因數(shù)(Q)和諧振頻率。一般而言，Q一方面衡量能量的傳輸效率，另一方面也衡量頻率的選擇性。對于并聯(lián)諧振回路，Q可以定義為：

Q=2πfRC=R/(2πfL)(f在本系統(tǒng)中為13.56MHz) (2)

式中：f為諧振頻率；R為負載電阻；L為回路電感；C為回路電容。Q值越高，天線的輸出能量越高，然而太高的Q值會干擾讀寫器的帶通特性，從而無法遵從協(xié)議標準。一般來說，Q=20時，整個系統(tǒng)的帶通特性與帶寬都比較好。RFID系統(tǒng)中的品質(zhì)因數(shù)一般在10~30內(nèi)取值，最大不要超過60。

MFRC522從TX1和TX2引腳發(fā)射的信號是已調(diào)制的13.56MHz載波信號，輔以多個無源器件實現(xiàn)匹配和濾波功能，以直接驅(qū)動天線。其匹配電路和信號接收電路如圖2所示。

圖2 天線匹配電路

紅外發(fā)射接收電路部分的設計目的是為了節(jié)省電源開支，當系統(tǒng)處于休眠模式時停止發(fā)射無線電波，可外加一個紅外對管來檢測是否有卡進入天線范圍。當紅外接收管接收到外界有卡時立即進入中斷，跳出休眠模式，對外發(fā)射無線電波，并進行相關的操作。這種通過指令間斷打開紅外發(fā)射管檢測是否有卡再進入中斷喚醒CPU和打開天線的方法縮短了天線和紅外管的電流消耗，從而節(jié)省了功耗。

軟件設計

CPU的運行時間對系統(tǒng)的功耗影響很大，所以應盡可能縮短其工作時間，使系統(tǒng)較長時間處于休眠或低功耗模式。當系統(tǒng)上電完成初始化操作后立即進入休眠模式，只有當紅外接收管接收到信號時產(chǎn)生中斷才打開天線進入工作模式。其中斷服務程序如下：

#pragma vector=PORT2 _VECTOR__interrupt void Port_2(void)

{ LPM3_EXIT； //退出休眠

PcdAntennaOn()； //開啟天線

PcdReset()； //RC522復位

P1OUT = 0xFF； //打開SPI接口

station=1； //轉入工作模式

P2OUT|=BIT6； //LED亮

P2IFG&= ~(BIT7)； //清除標記}

圖3是程序運行的流程圖。

圖3 程序運行流程圖

MSP430有五種低功耗模式，本系統(tǒng)采用的是LPM_3，此時DC發(fā)生器的DC電流被關閉，只有晶振活動。用晶振做系統(tǒng)主時鐘和定時器時鐘源，對紅外接收管腳中斷使能定義，使紅外發(fā)射管每隔0.24s發(fā)射一個0.03ms的脈沖，間斷地檢測在天線范圍內(nèi)是否有卡，有卡時紅外接收管產(chǎn)生中斷進入中斷服務程序。這樣讓I/O口間歇運行既不影響正常讀卡也能節(jié)省電能。

盡量減少CPU的運算量，將一些運算的結果預先算好，放在Flash里，用查表的方式代替實時計算，需要運算時最好使用分數(shù)運算，盡量避免浮點數(shù)運算。定義變量時，盡量使用字符型變量。減少CPU的運算量可以有效降低CPU的功耗。

總結

本文利用MSP430單片機的中斷、定時、運算等功能，借助于軟件優(yōu)勢，及MFRC522的低電壓，小體積等特點，使讀卡器讀卡距離為0~60mm，休眠模式的電流<10μA，工作模式時電流約為150mA，延長了電池的壽命，增加了系統(tǒng)可靠運行的時間。