基于MSP430與CC2500的有源超低功耗RFID標簽設計

譚義

摘 要：MCU與RF芯片的組合被廣泛應用在有源RFID標簽設計中，其中MSP430與CC2500用途廣泛。RF芯片CC2500本身提供的WoR喚醒算法雖可滿足有源RFID的功能要求卻無法滿足超低功耗的技術指標。文中提出的心跳偵聽喚醒算法使得標簽功耗比原方案下降約43.7%，較好地滿足了有源RFID標簽對超低功耗的要求，可廣泛應用于鐵路調度、電力巡檢、物流等行業中。

關鍵詞：有源RFID；超低功耗；心跳偵聽；喚醒算法

中圖分類號：TP391.44 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2018）07-00-03

0 引 言

目前，無源RFID標簽在很多領域都得到廣泛使用，包括物流、煙草、醫藥、二代身份證、奧運門票、寵物管理等，但由于其讀碼距離短，只能使用在短距離讀碼的場合，例如物流、門禁、身份證等。而與之對應的有源RFID[1-3]標簽技術，得益于其讀碼距離長的特點，各行業對其需求量逐步增大。目前制約有源RFID標簽廣泛使用的主要癥結在于需要定期更換電池，導致標簽維護成本較高，因此有必要設計一款超低功耗的有源RFID標簽，解決目前已有有源RFID標簽方案功耗偏高的問題。

本文提出的基于MSP430與CC2500的標簽設計方案，在分析原有WoR（Wake on Radio，WoR）技術消耗功耗的基礎上提出了心跳喚醒的算法，使得新算法消耗功耗比WoR技術方案降低約43.7%，同時通過合理設計睡眠偵聽占空比，可在保證讀碼速度的前提下，使得有源RFID標簽99.7%的時間工作在極低功耗10 μA的睡眠狀態，較好地滿足有源RFID標簽對超低功耗的要求，大大延長了有源RFID標簽電池的使用壽命，可廣泛應用于鐵路調度、電力巡檢、物流等行業。

1 系統結構與電路設計

1.1 系統結構

有源RFID標簽系統由應用系統、讀寫器與有源RFID標簽三部分組成，如圖1所示。應用系統主要指電力線路巡視手持機、物流手持機、鐵路調度讀碼器具等。讀寫器與標簽之間采用2.4G頻道實現無線通信，完成讀寫器對標簽的訪問。讀寫器一般情況下嵌入到其他應用系統中，由其所在的系統供電，使用串口與其所在的系統進行信息交互。標簽采用電池供電，一般情況下處于超低功耗的睡眠偵聽狀態，由讀寫器喚醒。

1.2 電路設計

讀寫器與標簽采用相同的MCU+RF設計方案，不同之處在于讀寫器要對外開放UART接口。MCU與RF射頻部分之間采用SPI接口通信。MCU采用TI低功耗MSP430系列MSP430F2274IRHAT，RF采用CC2500，電路設計可參考文獻[4]。標簽MCU控制部分電路如圖2所示。

2 關鍵技術分析與解決

2.1 原有WoR功耗分析

在MSP430F2274+CC2500的組合中，WoR低功耗模式要求MSP430F2274在偵聽階段所有時間都處于睡眠狀態，而CC2500則進入WoR狀態，即CC2500處于睡眠與偵聽交替的狀態，如圖3所示。該過程可描述為：睡眠>喚醒>晶體校對>數據接收>睡眠，該周期可以通過CC2500內部的寄存器進行設置，當數據接收階段偵聽到數據包后，則從CC2500的GDO2輸出一個電平跳變，把MSP430F2274喚醒，從而激活標簽并與讀寫器之間建立穩定的通信。這時計算CC2500 WoR各時序功耗：SLEEP模式下為60 μA，IDLE模式下為20 mA，通信模式下為27 mA，可以看出，WoR方案下CC2500功耗較高，主要原因在于射頻芯片一直處于上電狀態，消耗能量較多。

2.2 心跳偵聽方案設計

針對CC2500 WoR狀態下功耗較高的問題，本文提出了一種心跳偵聽方案，此方案不同于WoR方案，MCU MSP430FF2274處于睡眠喚醒狀態時，CC2500處于斷電與上電狀態。MCU按T2周期心跳速率打開CC2500接收狀態進行喚醒幀的偵聽，偵聽持續時間為T1，如圖4所示。另外心跳偵聽須與讀寫器的喚醒幀配合才能達到碼片喚醒的效果：讀寫器連續發出250個同步幀，每一個喚醒幀長度為1 ms，周期為4 ms，250個喚醒幀持續時間為1 s，標簽按1 s（T2）心跳速率偵聽空間是否存在喚醒幀，偵聽時間為T1。在偵聽期間，MSP430F2274與CC2500均處于工作狀態，將這段時間稱為

“捕獲窗口”，在捕獲窗口，紅色喚醒幀被標簽捕獲，這時標簽對紅色喚醒幀進行通信解析，判斷該幀是否符合規約，如果符合規約則系統進入同步狀態。

3 軟件設計

3.1 讀寫器軟件設計

讀碼器主要功能包括寫碼、讀單碼、讀多碼、讀碼片電池電壓值，如圖5所示。軟件開發可參考文獻[5]，圖5中串口指令由應用系統主板下發。

3.2 標簽軟件設計

整個標簽程序主要完成偵聽喚醒、寫碼應答處理、讀碼應答處理功能，另外還具有標簽電池電量采集功能，通過附帶在上行通信幀中上報給讀寫器，主要流程如圖6所示。

4 測試結果

測試工具包括直流電源、示波器、標簽。將10 Ω電阻與標簽串聯后接到3 V直流電源，示波器表并聯在10 Ω電阻上。示波器測試波形如圖7所示。圖左線條為10 Ω電阻上的電壓，波形凸起部分為捕獲窗口，時長為3 ms，周期為1 s，幅度為200 mV，得到電流為20 mA。圖右為標簽喚醒、同步、發送數據電流波形。睡眠電流為10 μA，偵聽電流為20 mA，數據發送電流為20 mA。計算占空比，偵聽時間為3 ms，偵聽周期為1 s，因此碼片有0.3%處于偵聽狀態，按一年算，偵聽時間：24 h×365×0.3%=26.28 h；碼片有99.7%時間處于睡眠狀態，睡眠時間：24 h×365×99.7%=8 733.72 h，按照電力巡檢每天采碼（喚醒、通信、交互的過程約3 s）按10次計算，一年時間內，工作時間為：3s×10×365/3 600=3 h，功耗為：（26.28 h+3 h）×20 mA+（8 733.72 h×0.01 mA）=672.9 mAh，按照電池80%有效率計算，兩節干電池5 000 mAh容量，碼片至少可以使用5年。同理，如將WoR偵聽頻率設置為1 s，一年的功耗為：（26.28 h+3 h）×20 mA+（8 733.72 h×（0.01 mA +0.06 mA））=1 196.31 mAh，由此可計算出新的心跳算法比原WoR偵聽算法一年功耗降低約523.41 mAh，優化比例達到43.7%（MCU睡眠狀態的電流為0.01 mA，RF芯片WoR下睡眠電流為0.06 mA）。

5 結 語

MSP430與CC2500的組合經常用來作為有源RFID標簽的設計方案，但RF芯片CC2500提供的WoR喚醒偵聽功能由于其功耗較高會影響有源RFID標簽的電池使用壽命，本文通過分析WoR功耗產生的原因，將RF芯片中的WoR轉換成MCU心跳喚醒偵聽，功耗降低約43.7%，同時通過合理設計睡眠偵聽占空比，可在保證讀碼速度的前提下，使得有源RFID標簽99.7%的時間工作在極低功耗10 μA的睡眠狀態，該標簽可廣范應用在電力線路巡視、鐵路調度、物流等行業中。

參考文獻

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