芯片電路的功耗主要來自開關(guān)的動態(tài)功耗和漏電的靜態(tài)功耗,。動態(tài)功耗主要是電容的充放電(包括網(wǎng)絡(luò)電容和輸入負(fù)載)以及P/N MOS同時(shí)打開形成的瞬間短路電流。靜態(tài)功耗主要是擴(kuò)散區(qū)與襯底形成二極管的反偏電流和關(guān)斷晶體管中通過柵氧的電流,。工作時(shí)序及軟件算法設(shè)計(jì)有缺陷,，會降低系統(tǒng)工作效率、延長工作時(shí)間,，也會直接增加系統(tǒng)能量的消耗,。本文將具體闡述低功耗設(shè)計(jì)理念在基于MSP430和MFRC522的非接觸式讀寫器上的應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)。
模塊電路設(shè)計(jì)
系統(tǒng)選用MSP430F413單片機(jī)和MFRC522射頻芯片,。為簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu),，本系統(tǒng)僅由低電壓報(bào)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(jìn)一步減少功耗,，在系統(tǒng)處于休眠模式時(shí)可通過指令關(guān)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(dāng)一個(gè)RFID系統(tǒng)正常工作時(shí)所需的磁感應(yīng)強(qiáng)度B一定時(shí),，安培匝數(shù)NI由環(huán)形天線的邊長a以及標(biāo)簽和讀寫器天線的距離x來共同決定,。其關(guān)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(fù)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(biāo)準(zhǔn)。一般來說，Q=20時(shí),，整個(gè)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(gè)無源器件實(shí)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(shè)計(jì)目的是為了節(jié)省電源開支,，當(dāng)系統(tǒng)處于休眠模式時(shí)停止發(fā)射無線電波,，可外加一個(gè)紅外對管來檢測是否有卡進(jìn)入天線范圍。當(dāng)紅外接收管接收到外界有卡時(shí)立即進(jìn)入中斷,，跳出休眠模式,，對外發(fā)射無線電波，并進(jìn)行相關(guān)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(jìn)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(shè)計(jì)
CPU的運(yùn)行時(shí)間對系統(tǒng)的功耗影響很大,，所以應(yīng)盡可能縮短其工作時(shí)間,，使系統(tǒng)較長時(shí)間處于休眠或低功耗模式。當(dāng)系統(tǒng)上電完成初始化操作后立即進(jìn)入休眠模式,，只有當(dāng)紅外接收管接收到信號時(shí)產(chǎn)生中斷才打開天線進(jìn)入工作模式,。其中斷服務(wù)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(fù)位
P1OUT = 0xFF; //打開SPI接口
station=1; //轉(zhuǎn)入工作模式
P2OUT|=BIT6; //LED亮
P2IFG&= ~(BIT7); //清除標(biāo)記}
圖3是程序運(yùn)行的流程圖。
圖3 低功耗非接觸式射頻讀寫器的設(shè)計(jì)流程圖
圖3是程序運(yùn)行的流程圖,。
MSP430有五種低功耗模式,，本系統(tǒng)采用的是LPM_3，此時(shí)DC發(fā)生器的DC電流被關(guān)閉,，只有晶振活動,。用晶振做系統(tǒng)主時(shí)鐘和定時(shí)器時(shí)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(gè)0.03ms的脈沖,，間斷地檢測在天線范圍內(nèi)是否有卡，有卡時(shí)紅外接收管產(chǎn)生中斷進(jìn)入中斷服務(wù)程序,。這樣讓I/O口間歇運(yùn)行既不影響正常讀卡也能節(jié)省電能,。
盡量減少CPU的運(yùn)算量，將一些運(yùn)算的結(jié)果預(yù)先算好,，放在Flash里,，用查表的方式代替實(shí)時(shí)計(jì)算，需要運(yùn)算時(shí)最好使用分?jǐn)?shù)運(yùn)算，盡量避免浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算,。定義變量時(shí),，盡量使用字符型變量。減少CPU的運(yùn)算量可以有效降低CPU的功耗,。
總結(jié)
本文利用MSP430單片機(jī)的中斷,、定時(shí)、運(yùn)算等功能,，借助于軟件優(yōu)勢,，及MFRC522的低電壓，小體積等特點(diǎn),，使讀卡器讀卡距離為0~60mm,，休眠模式的電流<10μA，工作模式時(shí)電流約為150mA,，延長了電池的壽命,，增加了系統(tǒng)可靠運(yùn)行的時(shí)間。