基于MSP430單片機(jī)的低功耗射頻識(shí)別系統(tǒng)

易金橋，譚建軍，廖紅華，黃 勇

(湖北民族學(xué)院信息工程學(xué)院，湖北恩施445000)

自1970年第一張IC卡問世以來，射頻識(shí)別(RFID)技術(shù)［1］在人們的生產(chǎn)生活中被廣泛應(yīng)用.早期的接觸式IC卡對腐蝕和污染缺乏抵抗能力［2］，從而大大降低了IC卡的使用壽命和使用范圍.近年來，非接觸式射頻識(shí)別技術(shù)取得飛速發(fā)展［3］，并逐步替代接觸式IC卡，在實(shí)際應(yīng)用中得到普遍推廣.非接觸式射頻識(shí)別技術(shù)由于實(shí)現(xiàn)工藝簡單、成本低等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于身份識(shí)別、產(chǎn)品防偽、電子標(biāo)簽、產(chǎn)品跟蹤、IC卡等應(yīng)用系統(tǒng)中，并在服務(wù)領(lǐng)域、貨物銷售、物流快遞、生產(chǎn)企業(yè)和材料流通等領(lǐng)域得到了快速普及和推廣.但是對于要求功耗低、信息量大、工作距離遠(yuǎn)的RFID應(yīng)用場合，有必要研究采用線圈型天線的射頻識(shí)別系統(tǒng).

MSP430單片機(jī)是目前業(yè)界公認(rèn)的最低功耗微處理器［4］，本文以MSP430單片機(jī)為控制核心，設(shè)計(jì)了包含閱讀器和應(yīng)答器的射頻識(shí)別系統(tǒng)，具有結(jié)構(gòu)簡單、低功耗、響應(yīng)速度快、信息存儲(chǔ)量大、傳輸距離遠(yuǎn)、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景.

1 系統(tǒng)原理

射頻識(shí)別系統(tǒng)由閱讀器和應(yīng)答器兩部分構(gòu)成［5］，系統(tǒng)框圖如圖1所示.其中閱讀器采用單電源供電，由有源晶振產(chǎn)生頻率穩(wěn)定的載波信號(hào)，經(jīng)過高頻功率放大器后，由初級(jí)線圈向外發(fā)射.應(yīng)答器由次級(jí)線圈通過電磁耦合方式從閱讀器端獲得能量，對高頻電磁場能進(jìn)行整流、濾波和穩(wěn)壓，為應(yīng)答器子系統(tǒng)提供工作所需的電能.

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 System structure diagram

應(yīng)答器通過耦合方式獲取電能后，MSP430單片機(jī)、調(diào)制器等芯片正常工作，MSP430單片機(jī)讀取預(yù)置開關(guān)信號(hào)后，對其進(jìn)行編碼，編碼信號(hào)經(jīng)過負(fù)載調(diào)制后由次級(jí)線圈諧振回路發(fā)射出去.閱讀器線圈感應(yīng)到應(yīng)答器端發(fā)送來的編碼信號(hào)后，通過放大電路、檢波電路和整形電路處理，最后送往MSP430單片機(jī).MSP430單片機(jī)對編碼信號(hào)進(jìn)行解碼并在LCD上顯示.

閱讀器要實(shí)現(xiàn)對應(yīng)答器的讀寫操作，需要對應(yīng)答器發(fā)送讀寫編碼信號(hào).閱讀器是通過MSP430單片機(jī)讀取按鍵編碼值來控制有源晶振的電源開關(guān)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的ASK調(diào)制，已調(diào)信號(hào)經(jīng)過放大后由原邊線圈發(fā)射出去，應(yīng)答器的副邊線圈接收到通過電磁耦合方式傳輸過來的編碼信號(hào)后，經(jīng)過包絡(luò)檢波和整形，送入單片機(jī)經(jīng)行解碼，實(shí)現(xiàn)閱讀器端對應(yīng)答器寫入信息的功能.

2 系統(tǒng)理論分析

應(yīng)答器線圈進(jìn)入閱讀器天線產(chǎn)生的交變電磁場中，形成類似于隔離變壓器原理的電磁場能耦合裝置，閱讀器和應(yīng)答器的線圈相當(dāng)于變壓器的初級(jí)線圈和次級(jí)線圈，閱讀器的初級(jí)線圈和應(yīng)答器的次級(jí)線圈之間的耦合系數(shù)決定了傳輸能量的效率［6］.

閱讀器線圈標(biāo)記為L1，應(yīng)答器線圈標(biāo)記為L2，則通過L2的磁通量φ=BS.其中S為面積，B為磁感應(yīng)強(qiáng)度.

本系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)所用的耦合線圈為圓形空芯線圈，由直徑為0.85 mm的漆包線密繞10圈而成，線圈直徑為6.6±0.5cm，耦合線圈電感的實(shí)測值約為 13μH.

系統(tǒng)的載頻如果選得較高，則與之諧振的電容則非常小，由于線圈寄生電容的影響，調(diào)試十分困難.若載頻選得較低，則會(huì)降低能量發(fā)射和耦合的效率.經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)，綜合考慮選擇載波頻率為4MHz.

閱讀器射頻輸出端采用初級(jí)線圈和電容串聯(lián)耦合構(gòu)成諧振回路，則串聯(lián)諧振頻率可表示為

根據(jù)載波頻率計(jì)算匹配電容C約為120pF，因此選取一個(gè)100pF的固定電容和一個(gè)3～33 pF的可調(diào)電容并聯(lián)得到.為了提高應(yīng)答器的能量耦合系數(shù)，增大線圈的感應(yīng)距離，采用高Q值的并聯(lián)諧振回路.

3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 閱讀器電路的設(shè)計(jì)

閱讀器單元主要由MSP430單片機(jī)、載波發(fā)生器、濾波電路、功率放大電路、檢波電路和施密特電路組成，負(fù)責(zé)產(chǎn)生載波信號(hào)，為應(yīng)答器提供能量，解調(diào)感應(yīng)自應(yīng)答器發(fā)射的編碼信號(hào)，顯示等，通過讀取按鍵編碼值控制晶振進(jìn)行ASK調(diào)制，并向應(yīng)答器發(fā)送編碼信號(hào)，實(shí)現(xiàn)寫入、讀出應(yīng)答器的存儲(chǔ)信息.

3.1.1 調(diào)制及發(fā)射電路 本系統(tǒng)采用4MHz有源晶振產(chǎn)生載波信號(hào)，通過MSP430單片機(jī)的P2.1端口產(chǎn)生高低電平編碼信號(hào)控制9014高頻三極管的基極，從而控制有源晶振的電源，實(shí)現(xiàn)ASK調(diào)制.有源晶振輸出的方波信號(hào)經(jīng)過L1、C1和C2組成的二階低通濾波器濾除高次諧波，得到穩(wěn)定的正弦波輸出，由C1971組成的功率放大電路進(jìn)行功率放大，最后輸出至C和C3組成的串聯(lián)諧振回路向外輻射.閱讀器的調(diào)制與發(fā)射電路如圖2所示.

圖2 調(diào)制與發(fā)射電路Fig.2 Modulation and transmission circuit

3.1.2 接收與解調(diào)電路 閱讀器的接收電路由檢波電路、放大電路、比較整形電路等部分構(gòu)成.檢波電路采用包絡(luò)檢波法，該電路簡單，輸入靈敏度高，非常適合于解調(diào)負(fù)載調(diào)制在發(fā)射端引起的微小變化.由于發(fā)射功率較大，檢波后的信號(hào)包含非常大的直流分量，因此，采用一個(gè)LC串聯(lián)電路濾除直流分量和高頻分量，經(jīng)過LM386放大器放大后，再輸出給比較器LM311，最后由單片機(jī)進(jìn)行解調(diào).閱讀器的接受與解調(diào)電路如圖3所示.

圖3 接收與解調(diào)電路Fig.3 Receiving and demodulation circuit

3.2 應(yīng)答器電路設(shè)計(jì)

應(yīng)答器主要由微處理器、電源管理電路、預(yù)置開關(guān)電路、負(fù)載調(diào)制電路、檢波整形電路等部分組成.實(shí)現(xiàn)的功能是應(yīng)答器通過耦合線圈諧振耦合獲取能量，再經(jīng)整流濾波電路，向儲(chǔ)能電容器充電以獲得系統(tǒng)工作所需電能;當(dāng)穩(wěn)壓電路輸出電壓達(dá)到額定值時(shí)，應(yīng)答器開始工作，單片機(jī)讀取撥碼開關(guān)值，并通過串口發(fā)送編碼信號(hào)，經(jīng)過負(fù)載調(diào)制后，由次級(jí)線圈向外發(fā)射.

應(yīng)答器線圈與電容C10、C11構(gòu)成并聯(lián)諧振電路，從閱讀器端耦合能量，經(jīng)整流濾波后給應(yīng)答器提供電源.電路中采用高頻二極管進(jìn)行全波整流，以獲取足夠高的電壓，經(jīng)電容器濾波后采用7805進(jìn)行穩(wěn)壓，為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電能.

應(yīng)答器通過單片機(jī)的I/O口輸出高低電平來控制模擬開關(guān)TS5A3366通斷，實(shí)現(xiàn)負(fù)載調(diào)制.當(dāng)模擬開關(guān)接通時(shí)，次級(jí)線圈的反射阻抗并聯(lián)到閱讀器線圈上，與其共同構(gòu)成丙類功率放大器的輸出阻抗，從而影響諧振頻率偏移，丙類功放輸出失諧，輸出電壓減小;當(dāng)模擬開關(guān)斷開時(shí)，反射阻抗發(fā)生變化，閱讀器線圈電壓也隨之升高.在閱讀器端可以通過檢波方式檢測輸出電壓變化，從而獲得到應(yīng)答器的解調(diào)信號(hào).

應(yīng)答器單元的解調(diào)電路和閱讀器的解調(diào)電路相同，由包絡(luò)檢波電路、放大電路和整形電路三部分構(gòu)成，最后由MSP430單片機(jī)進(jìn)行解調(diào).應(yīng)答器的電源管理電路、負(fù)載調(diào)制電路和解調(diào)電路如圖4所示.

圖4 電源管理、負(fù)載調(diào)制與預(yù)置開關(guān)電路Fig.4 Power management，load modulation and preset switch circuit

4 系統(tǒng)軟件的功能設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)工作流程

由兩片MSP430單片機(jī)構(gòu)成了射頻識(shí)別系統(tǒng)的控制核心，因此其軟件流程圖也分為閱讀器部分和應(yīng)答器部分，系統(tǒng)工作流程圖如圖5所示.

4.2 編碼與解碼的軟件設(shè)計(jì)

以編解碼芯片 PT2262/PT2272的設(shè)計(jì)思想為基礎(chǔ)［7－8］，用軟件方法設(shè)計(jì)本系統(tǒng)的編解碼過程.

編碼過程:2個(gè)窄脈沖表示“0”，2個(gè)寬脈沖表示“1”，每組字碼之間還有1個(gè)同步碼隔開.窄脈沖寬為200μs，寬脈沖寬為1200 μs;兩個(gè)窄脈沖之間寬1200μs;兩個(gè)寬脈沖之間寬200μs;在4組字碼中，每組的字碼間隔為14 000 μs.因此，采用單片機(jī)軟件解碼時(shí)，只要判斷出起始碼，并且識(shí)別其后面的字碼脈沖寬度即可.發(fā)送數(shù)據(jù)“0”、“1”的碼位圖如圖6所示.

圖5 系統(tǒng)工作流程圖Fig.5 System work flow diagram

圖6 碼位圖Fig.6 Code sequence diagram

解碼過程:首先單片機(jī)循環(huán)記錄接收模塊信號(hào)電平脈沖的長度，再從記錄高低電平組成的波形中，找出連續(xù)8個(gè)1200μs時(shí)長的脈沖信號(hào)為特征波形段，即幀前碼，并確認(rèn)幀前碼之前是否存在一個(gè)時(shí)長為14000 μs的低電平，如果有，將解碼并存儲(chǔ)結(jié)果，然后根據(jù)指令碼執(zhí)行相應(yīng)控制功能.如沒有，則放棄記錄的數(shù)據(jù)，直到滿足條件為止.

下面是基于MSP430F2274單片機(jī)C語言解碼的部分源代碼.

5 結(jié)語

本系統(tǒng)以MSP430單片機(jī)作為處理器，以能量耦合的方式設(shè)計(jì)非接觸式射頻識(shí)別系統(tǒng).采用負(fù)載調(diào)制方法有效提高了能量的利用率，采用MSP430單片機(jī)有效的降低了系統(tǒng)的功耗，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀寫和擦除功能.閱讀器采用分立元件組成的功率放大電路，效率高，能夠向應(yīng)答器提供足夠的功率.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)測試運(yùn)行效果良好，顯示正確率大于98%，響應(yīng)時(shí)間小于2S，有效通信距離大于10cm.

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