低功耗射頻智能鎖控閥設(shè)計(jì)

李文濤，王洪亮

(內(nèi)蒙古科技大學(xué) 信息工程學(xué)院,內(nèi)蒙古 包頭014010)

近年來,為確保實(shí)現(xiàn)“十二五”節(jié)能減排目標(biāo)，國(guó)家針對(duì)北方供熱制定了供熱分戶計(jì)量、按照用熱量收費(fèi)的制度。對(duì)新建建筑及既有建筑安裝用熱計(jì)量裝置、室內(nèi)溫度調(diào)控裝置和供熱系統(tǒng)調(diào)控裝置。隨著分戶控制的推廣，為減少供熱公司成本及工作量，方便用戶管理，RF卡智能鎖控閥系統(tǒng)得到了廣泛應(yīng)用。如圖1所示，RF卡智能鎖控閥與室內(nèi)溫控器一起作為供熱系統(tǒng)通斷時(shí)間面積溫控調(diào)節(jié)裝置的末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶供暖有效的節(jié)能控制。本文主要介紹一種基于MSP430單片機(jī)的低功耗125 kHz射頻鎖控閥設(shè)計(jì)方案。

1 射頻鎖控閥系統(tǒng)構(gòu)成

基于MSP430單片機(jī)的低功耗125 kHz射頻鎖控閥系統(tǒng)[1]主要由T5557卡、MSP430單片機(jī)控制系統(tǒng)和電磁球閥三部分組成。系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示。

1.1 T5557卡

T5557是美國(guó)Atmel公司生產(chǎn)的多功能非接觸式R/W辨識(shí)集成電路，適用于125 kHz頻率范圍。芯片需要連接一個(gè)天線線圈，該線圈被視為芯片電路的電力驅(qū)動(dòng)補(bǔ)給和雙向信息的溝通接口。天線和芯片一起構(gòu)成感應(yīng)卡片或標(biāo)簽。T5557芯片的內(nèi)部電路組成框圖如圖3所示，它由模擬前端、寫解碼、比特率產(chǎn)生器、調(diào)制器、模式寄存器、控制器、存儲(chǔ)器、編程用高壓產(chǎn)生器、測(cè)試邏輯等電路構(gòu)成，完成芯片模擬信號(hào)的處理和變換，解讀操作碼數(shù)據(jù)及校驗(yàn)等工作。

T5557具有330 bit EEPROM存儲(chǔ)器，分為頁0和頁1兩頁。具體工作流程如下：T5557先對(duì)儲(chǔ)存在EEPROM塊中的數(shù)據(jù)進(jìn)行初始化，然后將這些數(shù)據(jù)以負(fù)載調(diào)制方式循環(huán)送至讀寫器;用中斷載波形成空隙(gap)的方法完成讀寫器發(fā)命令和寫數(shù)據(jù)，以兩個(gè)gap之間的持續(xù)時(shí)間來編碼0和1;當(dāng)所有寫信息已被T5557正確接收時(shí)，便可編程寫入,這時(shí)T5557進(jìn)入塊讀模式，并傳送剛編程寫入的塊[2]。

1.2 MSP430控制系統(tǒng)

干簧管感應(yīng)進(jìn)入到天線感應(yīng)區(qū)內(nèi)的T5557卡信號(hào)，由微控制器輸出125 kHz載波信號(hào)驅(qū)動(dòng)天線線圈,讀取卡上信息，控制電磁閥開關(guān)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

1.3 電磁球閥

本設(shè)計(jì)通過直流減速電機(jī)接收單片機(jī)信號(hào)控制閥門的通斷。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)以TI公司的MSP430單片機(jī)[3]作為微處理器。MSP430是一個(gè)特別強(qiáng)調(diào)超低功耗的單片機(jī)品種，很適合應(yīng)用于采用電池供電的長(zhǎng)時(shí)間工作場(chǎng)合。它采用數(shù)字控制振蕩器（DCO）,使得從低功耗模式到喚醒模式的轉(zhuǎn)換時(shí)間小于6 μs，電壓的操作范圍為 1.8 V～3.6 V；其功耗很低,在 1 MHz和2.2 V的情況下，功耗為 200 μA，進(jìn)入低功耗模式下，最小工作電流為0.1 μA；并且有5種MCU低功耗的模式(LPM0～LPM4)。本文以分立器件實(shí)現(xiàn)射頻卡讀寫[4]，硬件電路如圖5所示。

在圖5中,(1)為推挽式功率放大電路[5],由單片機(jī)產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的125 kHz載波信號(hào)經(jīng)三極管功率放大電路放大后，通過天線發(fā)射出去。其中電阻R28主要起限流保護(hù)作用；天線L2與電容C10構(gòu)成串聯(lián)諧振電路,諧振頻率為125 kHz,它使天線上獲得最大的電流,從而產(chǎn)生最大的磁通量,獲得更大的讀卡距離。電路中L、C元件參數(shù)可由串聯(lián)諧振公式f=1/(2π)計(jì)算確定。(2)為包絡(luò)檢波電路,利用二極管單向?qū)щ娞匦约皺z波負(fù)載R、C充放電過程，去除 125 kHz載波信號(hào),還原出有用數(shù)據(jù)信號(hào)。R、C參數(shù)的確定需要滿足兩個(gè)條件：①不產(chǎn)生隋性失真，一般工程上按 fmax×R×C≤1.5計(jì)算，其中 f為載波頻率。②不產(chǎn)生負(fù)峰切割失真，即m≤R1/R0,其中m為調(diào)幅系數(shù)。(3)為濾波放大電路,濾波放大電路采用集成運(yùn)放LMV324對(duì)檢波后的信號(hào)進(jìn)行濾波整形放大,放大后的信號(hào)送入單片機(jī),由單片機(jī)對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行解碼,從而得到RF卡內(nèi)的信息[6]。圖6為閥門控制電路，單片機(jī)根據(jù)RF卡上信息輸出電機(jī)控制信號(hào)，通過H橋電路控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)。

3 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用自頂向下、模塊化、結(jié)構(gòu)化的程序設(shè)計(jì)方法，將編程過程逐步細(xì)分，分解成一個(gè)個(gè)功能模塊，每個(gè)模塊相互獨(dú)立，其正確與否不依賴其他模塊，每個(gè)模塊都完成一個(gè)明確的任務(wù)，實(shí)現(xiàn)某個(gè)具體的功能。這樣編制的程序易于調(diào)試、修改、可讀性好。主程序流程圖如圖7所示。

低功耗的實(shí)現(xiàn)除了合理的硬件設(shè)計(jì)以外，軟件設(shè)計(jì)的配合也至關(guān)重要。軟件結(jié)構(gòu)上，單片機(jī)大部分時(shí)間處于休眠狀態(tài)，主程序只用來進(jìn)行初始化，一切控制均在中斷子程序中完成[7]。程序在運(yùn)行過程中，當(dāng)一些外圍器件不需要時(shí)，要注意設(shè)置關(guān)斷甚至包括一些時(shí)鐘信號(hào)。圖8為中斷處理程序流程圖。

本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)還包括125 kHz載波的產(chǎn)生和RF卡解碼[8]兩部分。載波信號(hào)利用單片機(jī)的T/C2,使其工作于CTC模式,比較匹配時(shí)對(duì)輸出取反便可得到125 kHz的方波；RF卡解碼則利用單片機(jī)的輸入捕捉功能進(jìn)行。

本設(shè)計(jì)硬件上采用TI公司的MSP430F4152作為微控器輸出125 kHz方波，經(jīng)分離器件信號(hào)處理后輸送回單片機(jī)解碼,從而完成單片機(jī)與RF卡間的信息交互;同時(shí),閥門靜態(tài)電壓控制在1.18 mV,實(shí)現(xiàn)了低功耗設(shè)計(jì)要求，對(duì)用戶供暖管道閥門進(jìn)行了有效的節(jié)能控制。作為包頭新達(dá)科技公司供熱系統(tǒng)節(jié)能產(chǎn)品的一部分，本設(shè)計(jì)現(xiàn)已量產(chǎn)。

[1]周穎琦.125 kHz射頻識(shí)別系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[D].合肥:合肥工業(yè)大學(xué),2006.

[2]單承贛.RFID芯片T5557及其FSK讀寫器電路設(shè)計(jì)[J].國(guó)外電子元器件,2004(12):25-28.

[3]MSP430F41x2 datasheet[Z].TEXAS INSTRUMENTS,2003.

[4]敖華,陳淵睿,駱祖國(guó),等.基于AVR單片機(jī)的 125 kHz簡(jiǎn)易R(shí)FID閱讀器設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2010(7):111-114.

[5][日]岡村迪夫.OP放大電路設(shè)計(jì)[M].王玲,徐雅珍,李武平,譯.北京:科學(xué)出版社,2004.

[6]周曉光,王曉華.射頻識(shí)別(RFID)技術(shù)原理與應(yīng)用實(shí)例[M].北京:人民郵電出版社,2006.

[7]MSP430X1XX family user’s guide[Z].Texas Instruments,2003.

[8]丁明軍,徐健城.射頻卡應(yīng)用中的曼徹斯特碼解碼技術(shù)[J].通信技術(shù),2007(12):65-67.