模塊電路設(shè)計
系統(tǒng)選用MSP430F413單片機和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(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RFID系統(tǒng)正常工作時所需的磁感應(yīng)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(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(shè)計目的是為了節(jié)省電源開支,，當(dāng)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(dāng)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(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
CPU的運行時間對系統(tǒng)的功耗影響很大,，所以應(yīng)盡可能縮短其工作時間,，使系統(tǒng)較長時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入休眠模式,，只有當(dāng)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(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(guān)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(wù)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(jié)果預(yù)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(jié)
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,。