《電子技術(shù)應(yīng)用》
您所在的位置:首頁 > 嵌入式技術(shù) > 設(shè)計應(yīng)用 > 基于MSP430F2012和IA4420的主動式RFID標(biāo)簽設(shè)計
基于MSP430F2012和IA4420的主動式RFID標(biāo)簽設(shè)計
摘要: 射頻識別(RFID)是近年來成長最快的無線技術(shù)之一,它將條形碼及無線技術(shù)的優(yōu)勢帶入資產(chǎn)管理,、產(chǎn)品跟蹤,、海運(yùn)及運(yùn)輸識別,、庫存控制和定位檢測中,。大多數(shù)RFID系統(tǒng)采用通過RF從閱讀器獲取電源的被動式標(biāo)簽。這樣有利于減小標(biāo)簽尺寸和降低成本,,但是會限制讀取范圍和數(shù)據(jù)存儲能力,。帶電池的主動式標(biāo)簽可以提供較大范圍的讀取能力和更強(qiáng)的可靠性,不過其尺寸較大,,也更貴一些,。采用最新的低功耗單片機(jī)和無線數(shù)傳芯片,設(shè)計一種不僅讀取距離遠(yuǎn),、可靠度高,,而且成本更低、壽命更長的主動式RFID標(biāo)簽是本設(shè)計研究的目的,。
Abstract:
Key words :

  概述

  射頻識別(RFID)是近年來成長最快的無線技術(shù)之一,,它將條形碼及無線技術(shù)的優(yōu)勢帶入資產(chǎn)管理、產(chǎn)品跟蹤,、海運(yùn)及運(yùn)輸識別,、庫存控制和定位檢測中。大多數(shù)RFID系統(tǒng)采用通過RF從閱讀器獲取電源的被動式標(biāo)簽。這樣有利于減小標(biāo)簽尺寸和降低成本,,但是會限制讀取范圍和數(shù)據(jù)存儲能力,。帶電池的主動式標(biāo)簽可以提供較大范圍的讀取能力和更強(qiáng)的可靠性,不過其尺寸較大,,也更貴一些,。采用最新的低功耗單片機(jī)和無線數(shù)傳芯片,設(shè)計一種不僅讀取距離遠(yuǎn),、可靠度高,而且成本更低,、壽命更長的主動式RFID標(biāo)簽是本設(shè)計研究的目的,。

  設(shè)計方案分析

  本設(shè)計完成的主動式RFID應(yīng)具有:低成本、低功耗,、閱讀距離長及距離可調(diào),、電池供電等特性。分析主動式RFID的這些特性要求,,形成設(shè)計方案如下:

  低成本:以通常的基于RFID的電子識別系統(tǒng)來講,,用于標(biāo)示物體的RFID標(biāo)簽總是有較大的使用量。標(biāo)簽的單價直接影響到系統(tǒng)整體造價的高低,。雖然主動式 RFID相比被動式RFID具有:識別距離遠(yuǎn),、識別速度快、防沖突性能好等優(yōu)勢,,但如果價格差別較大,,也會成為應(yīng)用推廣中的障礙。所以,,應(yīng)盡可能降低標(biāo)簽成本,。

  從器件選型入手,選用集成度高的MCU和無線數(shù)傳芯片,,盡量減少外圍器件的數(shù)量,,不僅可以降低硬件成本,還避免了生產(chǎn)過程中的統(tǒng)調(diào)工作,,降低了生產(chǎn)成本,。本設(shè)計選用MSP430F2012單片機(jī),內(nèi)部PLL電路可以節(jié)省一般單片機(jī)必需的外部晶振,;內(nèi)建電源電壓監(jiān)測/欠壓復(fù)位模塊 (BOR)省去了外部復(fù)位電路,;選用IA4420無線數(shù)傳芯片,是目前同類無線數(shù)傳芯片中外圍元件最少的一種(僅需一個10MHz晶振),;差分天線接口可直連設(shè)計在PCB上的微帶天線,。這些都使得本設(shè)計的硬件成本降到了最低。

 

  低功耗:由于主動式RFID標(biāo)簽為電池供電,為了延長電池使用壽命,,系統(tǒng)對低功耗性能要求嚴(yán)格,。MSP430單片機(jī)擁有0.5mA的保持模式待機(jī)電流和250mA/MIPS的運(yùn)行功耗,是目前業(yè)界公認(rèn)的低功耗單片機(jī),; IA4420的低功耗待機(jī)模式電流消耗低至0.3mA,。為本設(shè)計的低功耗性能提供了基礎(chǔ)保證。
低功耗設(shè)計,,一方面從元器件的選擇入手,,另一方面要設(shè)計優(yōu)化合理的運(yùn)行時序,在完成標(biāo)簽功能的前提下,,使電路在大多數(shù)時間處于待機(jī)狀態(tài),。

  長距離及距離可調(diào):無線信號在自由空間中的視距傳輸距離,與系統(tǒng)總增益的log對數(shù)成正比,,在不增加發(fā)射信號強(qiáng)度的情況下,,選擇高接收靈敏度無線數(shù)傳芯片可以達(dá)到增加傳輸距離的效果。

  IA4420 具有-109dBm的接收靈敏度和最大8dBm射頻信號輸出功率,,室外開闊地實(shí)測傳輸距離達(dá)200米以上,。按“6dB”法則,在無線系統(tǒng)中,,總增益每增加或減少 6dB ,,傳輸距離延長或縮短一倍。IA4420的信號輸出功率具有0,,-3dBm,,-6 dBm,-9 dBm,,-12 dBm,,-15 dBm,-18 dBm,,-21 dBm共8級可調(diào),,配合0、-6,、-14,、-20可調(diào)的接收端LAN增益,實(shí)現(xiàn)了標(biāo)簽閱讀距離的大范圍多級可調(diào),。

  電池供電:本設(shè)計選用單節(jié)CR2032紐扣式鋰錳電池,,該電池公稱電壓3V,容量200mAh,,建議間歇放電電流<15mA,。CR2032具有每年低于1%的內(nèi)在超低漏電以及極其平坦的放電曲線(這兩種特性是延長電池使用壽命的理想選擇),。本設(shè)計省去電池到器件之間的穩(wěn)壓電路,直接由電池給系統(tǒng)供電,。也節(jié)省了穩(wěn)壓電路所帶來的靜態(tài)電流消耗,,使電池壽命進(jìn)一步延長。為防止發(fā)射狀態(tài)較大的電流造成電池電壓瞬態(tài)降低,,使用較大容量電容與電池并聯(lián),。

  直接用電池為單片機(jī)供電,一個值得注意的問題是:更換電池時電池導(dǎo)線的機(jī)械接觸會產(chǎn)生電源噪聲,,使單片機(jī)復(fù)位不完全而產(chǎn)生隨機(jī)錯誤操作,。 MSP430F2012內(nèi)部集成零功耗欠壓復(fù)位 (BOR) 保護(hù)功能,可以在電壓低于安全操作范圍時執(zhí)行完全復(fù)位,,很好地解決了這一問題,。

  硬件電路設(shè)計

  MSP430F2011

MSP430是TI公司的一個超低功耗單片機(jī)系列,完美地整合了低功耗,、速度和片上外圍器件:CPU采用16位精簡指令集,集成了16個通用寄存器和常數(shù)發(fā)生器,,極大提高了代碼的執(zhí)行效率,;該系列單片機(jī)還將大量的外圍模塊整合到片內(nèi),適合構(gòu)成較完整的片上系統(tǒng),;提供了5種低功耗模式,,主要面向電池供電的應(yīng)用。本設(shè)計選用的MSP430系列中更低成本,,更高性能的新型單片機(jī)—MSP430F2012,。

  IA4420

IA4420是Integration公司推出的一體化無線數(shù)傳芯片,RF功能全內(nèi)置,,外部只要一個10MHz晶振即可工作,。

  主動式RFID標(biāo)簽的電路圖見圖1。

               主動式RFID標(biāo)簽

                 圖1 主動式RFID標(biāo)簽電路圖

 

  通訊協(xié)議

  所有的標(biāo)簽和閱讀器的無線數(shù)據(jù)傳輸均工作在同一個無線電頻率,。在標(biāo)簽閱讀器的讀取范圍 (無線信號覆蓋范圍)內(nèi)只有一個標(biāo)簽的情況下,,標(biāo)簽與閱讀器進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)無線通訊,無線電信號不會產(chǎn)生沖突,。但如果閱讀器的讀取范圍有多個標(biāo)簽存在,,則需要考慮多個標(biāo)簽同時發(fā)送數(shù)據(jù)(多路存取)時產(chǎn)生的無線電信號沖突,并制定相應(yīng)的防沖突機(jī)制加以解決,。

 

  本設(shè)計遵從ISO/IEC 18000-7《433 MHz有源RFID空中接口通信參數(shù)》中關(guān)于主動式RFID標(biāo)簽通訊協(xié)議的物理層,、數(shù)據(jù)鏈路層的所有約定。

  結(jié)語

  本設(shè)計通過合理選擇元件,,圍繞低成本,、低功耗,、長距離、電池供電等特性要求優(yōu)化電路以及在設(shè)計中遵從ISO/IEC標(biāo)準(zhǔn)通訊協(xié)議,,設(shè)計完成的主動式RFID標(biāo)簽在性能指標(biāo),、穩(wěn)定性、兼容國際標(biāo)準(zhǔn)和低硬件成本方面具有非常大優(yōu)勢,。

  以本設(shè)計完成的RFID標(biāo)簽,,與配套的閱讀器可以組成人員或物品電子識別/定位系統(tǒng),廣泛應(yīng)用于采礦,、工業(yè)生產(chǎn),、道路交通、物流運(yùn)輸,、醫(yī)療,、醫(yī)藥、國防安全等眾多領(lǐng)域,。

此內(nèi)容為AET網(wǎng)站原創(chuàng),,未經(jīng)授權(quán)禁止轉(zhuǎn)載。