基于低頻喚醒技術(shù)的半主動(dòng)式電子標(biāo)簽設(shè)計(jì)

羅通強(qiáng)，周受欽，謝小鵬，閆 雋

（1.華南理工大學(xué) 廣東 廣州 510641；2.中國(guó)國(guó)際海運(yùn)集裝箱（集團(tuán)）股份有限公司 廣東 深圳 518067）

半主動(dòng)式電子標(biāo)簽（Semi-active Tag），是一種使用電源供電的RFID電子標(biāo)簽[1]。當(dāng)被閱讀器信號(hào)喚醒后，半主動(dòng)式電子標(biāo)簽可作為一個(gè)收發(fā)器和閱讀器進(jìn)行通信，與主動(dòng)電子標(biāo)簽（Active Tag）相比具有更低的功耗，與被動(dòng)電子標(biāo)簽（Passive Tag）相比具有更遠(yuǎn)的通信距離，所以半主動(dòng)式電子標(biāo)簽被廣泛應(yīng)用于智能交通、門禁系統(tǒng)、TPMS及集裝箱安全運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域。目前半主動(dòng)式電子標(biāo)簽主要有兩種射頻低功耗處理方案：定時(shí)喚醒機(jī)制和低頻喚醒機(jī)制[2]。定時(shí)喚醒機(jī)制實(shí)現(xiàn)原理為：通過(guò)設(shè)定控制器的定時(shí)器，定時(shí)喚醒MCU控制射頻芯片向外發(fā)送電子標(biāo)簽狀態(tài)信息。定時(shí)喚醒弊端很大，一般用于低功耗要求不是特別嚴(yán)格的場(chǎng)合。低頻喚醒則是通過(guò)低頻信號(hào)在一定距離和范圍內(nèi)激活處于休眠狀態(tài)的電子標(biāo)簽，使其開始工作，低頻喚醒可以大大降低系統(tǒng)的功耗[3]。本設(shè)計(jì)采用了低頻喚醒技術(shù)作為低功耗解決方案。

1 工作原理

半主動(dòng)式電子標(biāo)簽應(yīng)答系統(tǒng)主要包括閱讀器、半主動(dòng)式電子標(biāo)簽和上位機(jī)。電子標(biāo)簽平時(shí)處于休眠狀態(tài)，當(dāng)接收到閱讀器喚醒指令后，接收來(lái)自閱讀器的操作指令，并上傳狀態(tài)信息。閱讀器通過(guò)串口與上位機(jī)連接，用于保存電子標(biāo)簽的狀態(tài)信息，以供用戶查詢。

為實(shí)現(xiàn)低功耗及遠(yuǎn)距離的可靠通信，半主動(dòng)式電子標(biāo)簽采用雙頻通信方案。低頻方案采用了低頻接收模塊，低頻喚醒模式通信頻率選定為125 kHz。當(dāng)電子標(biāo)簽被低頻喚醒并通過(guò)了低頻數(shù)據(jù)配對(duì)后，采用另一種更遠(yuǎn)更可靠的高頻率通信方式，高頻通信方案采用的是ISM頻段的2.4 GHz通信頻率。

2 硬件設(shè)計(jì)

半主動(dòng)式電子標(biāo)簽硬件電路的設(shè)計(jì)可分為七個(gè)模塊：控制模塊、高頻收發(fā)模塊、低頻喚醒接收模塊、電源模塊、存儲(chǔ)模塊、C2仿真調(diào)試接口及LED指示模塊，如圖1所示。

2.1 控制模塊

綜合考慮電子標(biāo)簽的成本、低功耗要求以及可靠性等因素，控制芯片采用Silicon Labs公司的C8051F410單片機(jī)。C8051F410是一款8位的CIP-51內(nèi)核、低功耗混合信號(hào)片上型MCU，具有以下主要特點(diǎn)[4]：內(nèi)部資源豐富，包括：6個(gè)可捕捉/比較模塊及帶看門狗功能的PCA、硬件CRC、32 kB的片內(nèi)Flash和2304字節(jié)的片內(nèi)RAM等；接口豐富，包括SMBus/I2C、SPI接口和UART接口，可以方便擴(kuò)展外部接口；另外，具有活動(dòng)、空閑、掛起、停機(jī)4種工作模式。通過(guò)這4種工作方式的切換可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的低功耗設(shè)計(jì)。

圖1 半主動(dòng)式電子標(biāo)簽結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Diagram of semi-active tag

2.2 高頻收發(fā)模塊

電子標(biāo)簽高頻部分主要實(shí)現(xiàn)高頻通信的數(shù)據(jù)收發(fā)，在此選用奧地利微電子的AS3940高頻收發(fā)芯片。AS3940是一款低功耗FSK調(diào)制的2.4 GHz射頻收發(fā)芯片，射頻收發(fā)器具有可編程的數(shù)據(jù)傳輸率，最高可達(dá)2 Mbit/s，工作頻率范圍為2 405～2 480 MHz ISM頻段，并集成了定時(shí)器和連接管理器，允許各種低功耗操作模式，掉電模式下功耗僅為1.5 μA，非常適合低功耗設(shè)計(jì)[5]。高頻收發(fā)模塊包括高頻收發(fā)芯片AS3940、LDB212G4020對(duì)稱變換器、低通濾波器LFL152、16 MHz的晶振、外圍匹配電路及50 Ω的PCB天線，如圖2所示。AS3940與MCU的SPI管腳連接，通過(guò)SPI進(jìn)行配置。

2.3 低頻喚醒接收模塊

電子標(biāo)簽低頻喚醒接收功能的實(shí)現(xiàn)核心是奧地利微電子的AS3933芯片。AS3933是一款3通道可編程低頻喚醒接收器，主要的功能特點(diǎn)有[6]：3通道ASK喚醒接收，可編程16位或32位曼徹斯特喚醒碼；接收頻率范圍廣泛：15～150 kHz；支持可編程數(shù)據(jù)速率和帶時(shí)鐘恢復(fù)的曼徹斯特解碼，并提供了內(nèi)置自動(dòng)天線調(diào)諧器；喚醒靈敏度達(dá)到80 μVRMS，3通道低功耗偵聽模式功耗最低僅有1.7 μA。

低頻天線采用并聯(lián)諧振方式，由并聯(lián)電阻、電容和電感組成。為克服低頻接收的方向性，天線采用PREMO的3DC1515S-0477J的三維正交低頻天線，其中X、Y軸方向上的電感LXY=4.77 mH、直流等效電阻RXY=93 Ω，Z軸方向上的電感LZ=5.89 mH、直流等效電阻RZ=142 Ω，低頻諧振的頻率f=125 kHz。低頻天線并聯(lián)諧振的等效電路如圖3，其中L為天線線圈的電感值，u為天線線圈的感應(yīng)電壓，RL為天線

圖2 高頻收發(fā)模塊電路圖Fig.2 Circuit of UHF transceiver module

當(dāng) L=LXY=4.77 mH，f=125 kHz，代入（1）式求得 CparXY=340.2 pF；

當(dāng) L=LZ=5.89 mH，f=125 kHz， 代入 （1） 式求得 CparZ=275.5 pF。

設(shè)計(jì)中缺少電容值為340.2 pF和275.5 pF的電容，X、Y采用330 pF和10 pF的電容并聯(lián)代替，Z采用270 pF和6.8 pF的電容并聯(lián)代替。AS3933內(nèi)部諧振電容組能以1 pF為步長(zhǎng)編程到最大31 pF，諧振并聯(lián)的小容值電容亦可通過(guò)配置內(nèi)部諧振電容組獲得。線圈的直流等效電阻，Cpar為并聯(lián)電容，Rpar為并聯(lián)電阻。為了達(dá)到最優(yōu)的低頻接收靈敏度，對(duì)諧振電路匹配的阻容進(jìn)行理論計(jì)算。

電路諧振時(shí)，并聯(lián)電容計(jì)算可通過(guò)湯姆遜公式獲得：

圖3 低頻天線并聯(lián)諧振等效電路Fig.3 Parallel resonant equivalent circuit of LF antenna

根據(jù)天線諧振電路相關(guān)參數(shù)，選取Q=25.1值，代入（2）式分別求得XYZ軸諧振并聯(lián)電阻：RparXY=250 kΩ，RparZ=470 kΩ。

低頻喚醒接收模塊的電路圖如圖4所示?？紤]程序處理的精簡(jiǎn)性，AS3933芯片外接32.768 kHz的晶振，用于對(duì)低頻信號(hào)的頻率檢測(cè)。AS3933三個(gè)接收通道的管腳分別與3D低頻天線的XYZ軸引腳相連，配置引腳與MCU的SPI相連，喚醒管腳WAKE3933與MCU的P0管腳相連，曼徹斯特解碼時(shí)鐘管腳CL_DAT3933和數(shù)據(jù)引腳DAT3933與MCU的P2腳相連，電源引腳外接電源。

2.4 其他功能模塊

電子標(biāo)簽的其他功能模塊包括電源模塊、存儲(chǔ)模塊、C2仿真調(diào)試接口及LED狀態(tài)指示模塊。電源模塊主要包括5 V鋰電池、LP2985 3.3 V電源芯片、LP2985 3.6 V電源芯片、BQ24085充電芯片等。5 V直流鋰電池通過(guò)LP2985電源芯片形成3.3 V、3.6 V穩(wěn)壓輸送到各自所需模塊供電。充電部分在電子標(biāo)簽電池電量不足時(shí)可以使其進(jìn)行及時(shí)的充電，以備后續(xù)使用；為了實(shí)現(xiàn)標(biāo)簽操作和狀態(tài)信息的實(shí)時(shí)記錄以備查詢，設(shè)計(jì)了一個(gè)外部存儲(chǔ)模塊。存儲(chǔ)模塊的選用的芯片是FM3130。C2仿真調(diào)試接口是C8051F系列單片機(jī)集成的一個(gè)

低頻天線性能和其品質(zhì)因數(shù)Q關(guān)系密切，一般來(lái)講，Q值越高低頻喚醒作用距離越遠(yuǎn)，不過(guò)Q值太高會(huì)導(dǎo)致標(biāo)簽通頻帶寬縮小，影響數(shù)據(jù)的正確性。設(shè)計(jì)中Q值大小無(wú)法遵循協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，廠家推薦的Q值范圍為20～30。并聯(lián)諧振電路有載品質(zhì)因數(shù)Q可由下式得到：具有在線片內(nèi)編程和調(diào)試的接口；LED狀態(tài)指示模塊用于指示電子標(biāo)簽充電狀態(tài)、低頻喚醒狀態(tài)、高頻數(shù)據(jù)收發(fā)狀態(tài)。

圖4 低頻喚醒接收模塊電路圖Fig.4 Circuit of LF wake-up receiver module

3 軟件設(shè)計(jì)

電子標(biāo)簽軟件主要由3部分組成：初始化部分、休眠模式部分、低頻喚醒接收部分、高頻收發(fā)部分。

初始化部分主要包括MCU內(nèi)部、外部設(shè)備初始化和軟件初始化，包括定時(shí)器初始化，端口配置，RTC初始化，中斷初始化，SPI初始化，AS3940初始化，AS3933初始化，晶振初始化，以及部分變量初始化等。休眠模式主要為了降低功耗，包括：關(guān)閉一些外設(shè)和MCU進(jìn)入掛起狀態(tài)，包括禁止AS3940，禁止FM3130等。低頻喚醒接收部分主要包括P0端口匹配中斷喚醒MCU接收低頻數(shù)據(jù)，解析并校驗(yàn)配對(duì)數(shù)據(jù)。高頻收發(fā)部分用于電子標(biāo)簽高頻響應(yīng)閱讀器并向其發(fā)送高頻信息，完成高頻響應(yīng)后轉(zhuǎn)入接收來(lái)自閱讀器發(fā)來(lái)的高頻信息。如圖5所示為半主動(dòng)式電子標(biāo)簽主程序流程圖。

圖5 半主動(dòng)式電子標(biāo)簽主程序流程圖Fig.5 Main program flow chart of semi-active tag

3.1 通信協(xié)議

電子標(biāo)簽低頻指令數(shù)據(jù)包格式如表1所示。表1中協(xié)議ID用于說(shuō)明設(shè)備通信采用的協(xié)議的版本號(hào)，協(xié)議版本號(hào)用于以后協(xié)議的更新區(qū)別；模式表示電子標(biāo)簽喚醒后的狀況；CRC校檢位用于判斷數(shù)據(jù)接收的準(zhǔn)確性。低頻配對(duì)接收到閱讀器ID數(shù)據(jù)符合設(shè)置的要求后，才進(jìn)行高頻響應(yīng)。

高頻響應(yīng)閱讀器指令數(shù)據(jù)包格式定義見表2。表2中協(xié)議ID和表1中協(xié)議ID的作用一樣。起始幀和結(jié)束幀用于保證數(shù)據(jù)接收的完整性，軟件編程中可通過(guò)起始幀判斷數(shù)據(jù)接收的開始，通過(guò)結(jié)束幀判斷數(shù)據(jù)接收的完成；CRC校檢位用于判斷數(shù)據(jù)接收的準(zhǔn)確性；當(dāng)起始幀和結(jié)束幀都接收到，并且CRC正確則表示數(shù)據(jù)接收正確。

表1 電子標(biāo)簽低頻指令數(shù)據(jù)包格式（字節(jié)）Tab.1 Protocol format of semi-active tag LF communication instructions

3.2 低頻通信程序

通過(guò)MCU的SPI口對(duì)AS3933各工作寄存器進(jìn)行配置，以滿足低頻喚醒接收數(shù)據(jù)的要求。AS3933低功耗偵聽模式采用ON/OFF模式，配置使AS3933喚醒需要滿足16位曼徹斯特喚醒類型碼（Pattern）檢測(cè)，數(shù)據(jù)接收開啟曼徹斯特解碼。AS3933低頻喚醒協(xié)議波形如圖6所示，協(xié)議波形包括載波頭（Carrier Brust）、前導(dǎo)碼（Preamble）、喚醒類型碼（Pattern）、數(shù)據(jù)（Data）。低頻喚醒信號(hào)的頻率為125 kHz，ASK調(diào)制，協(xié)議中各類型碼數(shù)據(jù)均采用曼徹斯特編碼，AS3933數(shù)據(jù)接收速率為每秒鐘2730個(gè)曼徹斯特位，根據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè)算得每位曼徹斯特位時(shí)長(zhǎng)為366 μs。以下低頻喚醒協(xié)議各類型碼的格式要求的說(shuō)明：

表2 電子標(biāo)簽高頻響應(yīng)閱讀器指令數(shù)據(jù)包格式（字節(jié)）Tab.2 Protocol format of semi-active tag UHF communication instructions

圖6 AS3933低頻喚醒協(xié)議波形Fig.6 LF wake-up protocol of AS3933

載波頭（Carrier Brust）：按照 125 kHz的操作頻率，載波頭的時(shí)長(zhǎng) tc應(yīng)滿足：0.616 ms＜tc＜4.73 ms，編制為 10 位曼徹斯特碼，tc=3.66 ms；前導(dǎo)碼（Preamble）：配置 AS3933 前導(dǎo)碼的時(shí)長(zhǎng)tpb應(yīng)滿足 tpb＞3.5 ms，加上 1位分離位，編制為 11位曼徹斯特碼，tpb=4.026 ms；喚醒類型碼（Pattern）：在寄存器R6和R5中配置AS3933的16位喚醒類型碼的格式，編制為 16位曼徹斯特碼；數(shù)據(jù)（Data）：按照表1低頻指令數(shù)據(jù)包格式進(jìn)行編制，共10字節(jié)，160位曼徹斯特碼。

頻率檢測(cè)125 kHz的低頻波的載波頭、前導(dǎo)碼、喚醒類型碼滿足設(shè)定要求，則喚醒管腳WAKE3933產(chǎn)生一個(gè)高電平喚醒MCU，隨即在AS3933數(shù)據(jù)時(shí)鐘管腳CL_DAT3933輸出曼徹斯時(shí)鐘脈沖復(fù)原波形，同時(shí)數(shù)據(jù)管腳DAT3933輸出曼徹斯特解碼數(shù)據(jù)，如圖7所示。

圖7 曼徹斯特時(shí)脈復(fù)原下的同步數(shù)據(jù)Fig.7 Synchronization of data with recovered Manchester clock

時(shí)鐘管腳CL_DAT3933的每個(gè)上升沿對(duì)應(yīng)一位曼徹斯特解碼后的數(shù)據(jù)，這極大地方便了接收數(shù)據(jù)程序的處理。低頻數(shù)據(jù)采用MCU的PCA捕獲模塊捕獲CL_DAT3933管腳輸出的上升沿并產(chǎn)生中斷，在中斷程序中讀取DAT3933管腳高低電平狀態(tài)，高電平則相關(guān)低頻變量賦1，低電平則賦0，每接收1位低頻數(shù)據(jù)，低頻變量左移1位，同時(shí)位計(jì)數(shù)器加1。接收完8位（1字節(jié)）數(shù)據(jù)后，低頻變量清零，字節(jié)計(jì)數(shù)器加1。判斷接收完成12字節(jié)的低頻數(shù)據(jù)后，低頻接收喚醒標(biāo)志置位，完全退出捕獲中斷函數(shù)。低頻數(shù)據(jù)的接收程序流程圖如圖8所示。

圖8 低頻數(shù)據(jù)接收程序流程圖Fig.8 Program flow chart of LF data receiver

電子標(biāo)簽需要接收10字節(jié)，共160個(gè)曼徹斯特位的數(shù)低頻據(jù)，數(shù)據(jù)時(shí)長(zhǎng)約為59 ms，故設(shè)定喚醒狀態(tài)的維持時(shí)間為100 ms。完成10字節(jié)低頻數(shù)據(jù)接收后，MCU將向AS3933發(fā)送清除喚醒指令使電子標(biāo)簽回到低功耗的低頻偵聽模式。

4 結(jié) 論

半主動(dòng)式電子標(biāo)簽大部分時(shí)間處于休眠狀態(tài)，影響其電池使用時(shí)間的主要因素是休眠狀態(tài)下的功耗。對(duì)其進(jìn)行低頻喚醒通信測(cè)試，半主動(dòng)式電子標(biāo)簽在休眠狀態(tài)下的功耗僅約為45.6 μA，實(shí)測(cè)可靠的低頻喚醒通信距離為3.4 m。采用低頻喚醒技術(shù)降低了電子標(biāo)簽的功耗，能大大延長(zhǎng)了電子標(biāo)簽電池的使用時(shí)間。

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