基于低頻喚醒技術的半主動式電子標簽設計

羅通強，周受欽，謝小鵬，閆 雋

（1.華南理工大學 廣東 廣州 510641；2.中國國際海運集裝箱（集團）股份有限公司 廣東 深圳 518067）

半主動式電子標簽（Semi-active Tag），是一種使用電源供電的RFID電子標簽[1]。當被閱讀器信號喚醒后，半主動式電子標簽可作為一個收發器和閱讀器進行通信，與主動電子標簽（Active Tag）相比具有更低的功耗，與被動電子標簽（Passive Tag）相比具有更遠的通信距離，所以半主動式電子標簽被廣泛應用于智能交通、門禁系統、TPMS及集裝箱安全運輸等領域。目前半主動式電子標簽主要有兩種射頻低功耗處理方案：定時喚醒機制和低頻喚醒機制[2]。定時喚醒機制實現原理為：通過設定控制器的定時器，定時喚醒MCU控制射頻芯片向外發送電子標簽狀態信息。定時喚醒弊端很大，一般用于低功耗要求不是特別嚴格的場合。低頻喚醒則是通過低頻信號在一定距離和范圍內激活處于休眠狀態的電子標簽，使其開始工作，低頻喚醒可以大大降低系統的功耗[3]。本設計采用了低頻喚醒技術作為低功耗解決方案。

1 工作原理

半主動式電子標簽應答系統主要包括閱讀器、半主動式電子標簽和上位機。電子標簽平時處于休眠狀態，當接收到閱讀器喚醒指令后，接收來自閱讀器的操作指令，并上傳狀態信息。閱讀器通過串口與上位機連接，用于保存電子標簽的狀態信息，以供用戶查詢。

為實現低功耗及遠距離的可靠通信，半主動式電子標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。當電子標簽被低頻喚醒并通過了低頻數據配對后，采用另一種更遠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 硬件設計

半主動式電子標簽硬件電路的設計可分為七個模塊：控制模塊、高頻收發模塊、低頻喚醒接收模塊、電源模塊、存儲模塊、C2仿真調試接口及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。C8051F410是一款8位的CIP-51內核、低功耗混合信號片上型MCU，具有以下主要特點[4]：內部資源豐富，包括：6個可捕捉/比較模塊及帶看門狗功能的PCA、硬件CRC、32 kB的片內Flash和2304字節的片內RAM等；接口豐富，包括SMBus/I2C、SPI接口和UART接口，可以方便擴展外部接口；另外，具有活動、空閑、掛起、停機4種工作模式。通過這4種工作方式的切換可以實現系統的低功耗設計。

圖1 半主動式電子標簽結構框圖Fig.1 Diagram of semi-active tag

2.2 高頻收發模塊

電子標簽高頻部分主要實現高頻通信的數據收發，在此選用奧地利微電子的AS3940高頻收發芯片。AS3940是一款低功耗FSK調制的2.4 GHz射頻收發芯片，射頻收發器具有可編程的數據傳輸率，最高可達2 Mbit/s，工作頻率范圍為2 405～2 480 MHz ISM頻段，并集成了定時器和連接管理器，允許各種低功耗操作模式，掉電模式下功耗僅為1.5 μA，非常適合低功耗設計[5]。高頻收發模塊包括高頻收發芯片AS3940、LDB212G4020對稱變換器、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SPI進行配置。

2.3 低頻喚醒接收模塊

電子標簽低頻喚醒接收功能的實現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；支持可編程數據速率和帶時鐘恢復的曼徹斯特解碼，并提供了內置自動天線調諧器；喚醒靈敏度達到80 μVRMS，3通道低功耗偵聽模式功耗最低僅有1.7 μA。

低頻天線采用并聯諧振方式，由并聯電阻、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為天線線圈的感應電壓，RL為天線

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

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

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

設計中缺少電容值為340.2 pF和275.5 pF的電容，X、Y采用330 pF和10 pF的電容并聯代替，Z采用270 pF和6.8 pF的電容并聯代替。AS3933內部諧振電容組能以1 pF為步長編程到最大31 pF，諧振并聯的小容值電容亦可通過配置內部諧振電容組獲得。線圈的直流等效電阻，Cpar為并聯電容，Rpar為并聯電阻。為了達到最優的低頻接收靈敏度，對諧振電路匹配的阻容進行理論計算。

電路諧振時，并聯電容計算可通過湯姆遜公式獲得：

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

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

低頻喚醒接收模塊的電路圖如圖4所示。考慮程序處理的精簡性，AS3933芯片外接32.768 kHz的晶振，用于對低頻信號的頻率檢測。AS3933三個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，曼徹斯特解碼時鐘管腳CL_DAT3933和數據引腳DAT3933與MCU的P2腳相連，電源引腳外接電源。

2.4 其他功能模塊

電子標簽的其他功能模塊包括電源模塊、存儲模塊、C2仿真調試接口及LED狀態指示模塊。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LP2985電源芯片形成3.3 V、3.6 V穩壓輸送到各自所需模塊供電。充電部分在電子標簽電池電量不足時可以使其進行及時的充電，以備后續使用；為了實現標簽操作和狀態信息的實時記錄以備查詢，設計了一個外部存儲模塊。存儲模塊的選用的芯片是FM3130。C2仿真調試接口是C8051F系列單片機集成的一個

低頻天線性能和其品質因數Q關系密切，一般來講，Q值越高低頻喚醒作用距離越遠，不過Q值太高會導致標簽通頻帶寬縮小，影響數據的正確性。設計中Q值大小無法遵循協議標準，廠家推薦的Q值范圍為20～30。并聯諧振電路有載品質因數Q可由下式得到：具有在線片內編程和調試的接口；LED狀態指示模塊用于指示電子標簽充電狀態、低頻喚醒狀態、高頻數據收發狀態。

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

3 軟件設計

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

初始化部分主要包括MCU內部、外部設備初始化和軟件初始化，包括定時器初始化，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：關閉一些外設和MCU進入掛起狀態，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接收低頻數據，解析并校驗配對數據。高頻收發部分用于電子標簽高頻響應閱讀器并向其發送高頻信息，完成高頻響應后轉入接收來自閱讀器發來的高頻信息。如圖5所示為半主動式電子標簽主程序流程圖。

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

3.1 通信協議

電子標簽低頻指令數據包格式如表1所示。表1中協議ID用于說明設備通信采用的協議的版本號，協議版本號用于以后協議的更新區別；模式表示電子標簽喚醒后的狀況；CRC校檢位用于判斷數據接收的準確性。低頻配對接收到閱讀器ID數據符合設置的要求后，才進行高頻響應。

高頻響應閱讀器指令數據包格式定義見表2。表2中協議ID和表1中協議ID的作用一樣。起始幀和結束幀用于保證數據接收的完整性，軟件編程中可通過起始幀判斷數據接收的開始，通過結束幀判斷數據接收的完成；CRC校檢位用于判斷數據接收的準確性；當起始幀和結束幀都接收到，并且CRC正確則表示數據接收正確。

表1 電子標簽低頻指令數據包格式（字節）Tab.1 Protocol format of semi-active tag LF communication instructions

3.2 低頻通信程序

通過MCU的SPI口對AS3933各工作寄存器進行配置，以滿足低頻喚醒接收數據的要求。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，數據接收開啟曼徹斯特解碼。AS3933低頻喚醒協議波形如圖6所示，協議波形包括載波頭（Carrier Brust）、前導碼（Preamble）、喚醒類型碼（Pattern）、數據（Data）。低頻喚醒信號的頻率為125 kHz，ASK調制，協議中各類型碼數據均采用曼徹斯特編碼，AS3933數據接收速率為每秒鐘2730個曼徹斯特位，根據數據手冊算得每位曼徹斯特位時長為366 μs。以下低頻喚醒協議各類型碼的格式要求的說明：

表2 電子標簽高頻響應閱讀器指令數據包格式（字節）Tab.2 Protocol format of semi-active tag UHF communication instructions

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

載波頭（Carrier Brust）：按照 125 kHz的操作頻率，載波頭的時長 tc應滿足：0.616 ms＜tc＜4.73 ms，編制為 10 位曼徹斯特碼，tc=3.66 ms；前導碼（Preamble）：配置 AS3933 前導碼的時長tpb應滿足 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；數據（Data）：按照表1低頻指令數據包格式進行編制，共10字節，160位曼徹斯特碼。

頻率檢測125 kHz的低頻波的載波頭、前導碼、喚醒類型碼滿足設定要求，則喚醒管腳WAKE3933產生一個高電平喚醒MCU，隨即在AS3933數據時鐘管腳CL_DAT3933輸出曼徹斯時鐘脈沖復原波形，同時數據管腳DAT3933輸出曼徹斯特解碼數據，如圖7所示。

圖7 曼徹斯特時脈復原下的同步數據Fig.7 Synchronization of data with recovered Manchester clock

時鐘管腳CL_DAT3933的每個上升沿對應一位曼徹斯特解碼后的數據，這極大地方便了接收數據程序的處理。低頻數據采用MCU的PCA捕獲模塊捕獲CL_DAT3933管腳輸出的上升沿并產生中斷，在中斷程序中讀取DAT3933管腳高低電平狀態，高電平則相關低頻變量賦1，低電平則賦0，每接收1位低頻數據，低頻變量左移1位，同時位計數器加1。接收完8位（1字節）數據后，低頻變量清零，字節計數器加1。判斷接收完成12字節的低頻數據后，低頻接收喚醒標志置位，完全退出捕獲中斷函數。低頻數據的接收程序流程圖如圖8所示。

圖8 低頻數據接收程序流程圖Fig.8 Program flow chart of LF data receiver

電子標簽需要接收10字節，共160個曼徹斯特位的數低頻據，數據時長約為59 ms，故設定喚醒狀態的維持時間為100 ms。完成10字節低頻數據接收后，MCU將向AS3933發送清除喚醒指令使電子標簽回到低功耗的低頻偵聽模式。

4 結 論

半主動式電子標簽大部分時間處于休眠狀態，影響其電池使用時間的主要因素是休眠狀態下的功耗。對其進行低頻喚醒通信測試，半主動式電子標簽在休眠狀態下的功耗僅約為45.6 μA，實測可靠的低頻喚醒通信距離為3.4 m。采用低頻喚醒技術降低了電子標簽的功耗，能大大延長了電子標簽電池的使用時間。

[1]Nekoogra F，Dowla F.Ultra-Wideband radio frequency identification systems[M].New York：Springer-Verlag，2011.

[2]曹世華，趙芳.低頻喚醒技術在微功耗主動式RFID中的應用研究[J].微計算機信息，2008，24（2）：230-231，234.

CAO Shi-hua，ZHAO Fang.The research and application of micro-power active RFID based on LF wake-up technology[J].Microcomputer Information，2008，24（2）:230-231，234.

[3]尹豐，周受欽.用于集裝箱的解決鄰道干擾的低頻喚醒定位裝置：中國：200610157186.7[P].2008.

[4]潘琢金.C8051F410/1/2/3混合信號ISP FLASH微控制器數據手冊[S].2006.

[5]AS3940 2.4GHz Low Power Multiple-Channel FSK Transceiver Datasheet:Rev.1.1[Z].autriamicrosystems，2011.

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