便攜式藍(lán)牙RFID系統(tǒng)低功耗的研究與實現(xiàn)

航天信息股份有限公司 龔 晨 楊立美 劉 洋 王維佳 耿秋軍

對于高頻RFID讀寫器，傳統(tǒng)的功耗優(yōu)化方法往往是選用低功耗芯片或者使MCU進入低功耗模式，功耗優(yōu)化方法較為單一。本文提出一種系統(tǒng)級的功耗優(yōu)化方法，在芯片選型、電源管理、阻抗匹配以及軟件設(shè)計等方面優(yōu)化功耗，系統(tǒng)選用低功耗MSP430F2272單片機，利用BQ24070芯片給出一套完整的電源管理方案，阻抗匹配結(jié)合實際經(jīng)驗提高了功率利用效率，軟件設(shè)計方面采用動態(tài)電壓響應(yīng)和指令優(yōu)化來降低整體功耗。

射頻識別（RFID）是物聯(lián)網(wǎng)感知互動層常用的感知技術(shù)，目前高頻射頻識別讀寫技術(shù)相對成熟，但隨著物聯(lián)網(wǎng)對讀寫設(shè)備體積、功耗、顯示和通信等方面的要求，RFID讀寫器的功耗問題依然是研究的重點。

本文所做的功耗優(yōu)化研究是在滿足物聯(lián)網(wǎng)對設(shè)備體積、顯示和實時無線通信的基礎(chǔ)上，對功耗進行的系統(tǒng)級優(yōu)化。RFID系統(tǒng)采用鋰電池供電，采用專用的電源管理電路，提高了電源利用效率，同時系統(tǒng)利用藍(lán)牙與上位機實時通信。系統(tǒng)面向近耦合射頻卡，符合ISO/IEC 14443協(xié)議，系統(tǒng)在硬件設(shè)計和軟件設(shè)計方面借鑒了現(xiàn)有RFID低功耗系統(tǒng)的設(shè)計經(jīng)驗，在芯片選擇、電源管理、阻抗匹配和軟件設(shè)計方面做了優(yōu)化，在滿足性能的基礎(chǔ)上取得了較好的效果。

1 系統(tǒng)介紹

讀寫器采用鋰電池供電，具有一套完整的電源管理方案，利用Micro USB接口對鋰電池充電和對讀寫器供電。主控芯片采用MSP430F2272單片機，是一款滿足低功耗要求的單片機。射頻芯片采用NXP公司的RC522，它是一款低電壓、低成本、體積小的非接觸式讀寫芯片，支持ISO/IEC 14443 Type A和MIFARE?通信協(xié)議。讀寫器采用液晶顯示模塊，利用漢字字庫芯片能實現(xiàn)漢字和射頻卡信息的顯示。讀寫器利用藍(lán)牙無線通信技術(shù)，把射頻卡信息發(fā)送給上位機，上位機可以是手機、PDA、計算機等具有藍(lán)牙功能的設(shè)備。讀寫器分為主控模塊、供電模塊、讀寫模塊、存儲模塊、顯示模塊、通訊模塊、聲光指示模塊和調(diào)試模塊等，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

通過焊接與調(diào)試，得到系統(tǒng)實物圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)實物圖

2 低功耗設(shè)計與管理

系統(tǒng)的低功耗設(shè)計是一個復(fù)雜的過程，在設(shè)計時要找到性能和功耗的平衡點，在保證系統(tǒng)基本功能的基礎(chǔ)上，盡可能地降低功耗來延長系統(tǒng)使用時間。

引入系統(tǒng)級功耗管理就是當(dāng)系統(tǒng)處于空閑狀態(tài)時，關(guān)閉無用設(shè)備，只保留系統(tǒng)工作所需設(shè)備，當(dāng)需要設(shè)備工作時，通過中斷來喚醒所需設(shè)備來降低系統(tǒng)整體功耗。在設(shè)計過程中，系統(tǒng)一方面通過關(guān)閉無用設(shè)備，利用芯片的低功耗模式來降低功耗，更重要的是在電源端采用具有DPPM(動態(tài)路徑管理)功能的電源芯片，在電源供應(yīng)和電量檢測方面調(diào)節(jié)系統(tǒng)狀態(tài)來降低整體功耗。利用自動功率補償，保證系統(tǒng)正常供電。利用動態(tài)電壓響應(yīng)，當(dāng)電池電量低于閾值電壓時強迫CPU進入低功耗模式。系統(tǒng)級功耗設(shè)計與管理涉及軟硬件的相關(guān)知識，包括主控芯片的選擇及功耗管理、電源系統(tǒng)的低功耗技術(shù)等，對于本文設(shè)計的便攜式藍(lán)牙RFID系統(tǒng)，還包括射頻電路的功耗管理以及藍(lán)牙技術(shù)的功耗管理。

2.1 硬件設(shè)計

2.1.1 芯片選型

核心控制模塊采用TI公司的MSP430F2272。它是一款16位超低功耗、具有RISC的混合信號處理器，可以在16MHz的頻率操作。器件含有32KB的片內(nèi)Flash和1KB的片內(nèi)SRAM存儲器。工作在1MHz、2.2V下的電流只有270μA，休眠電流0.7μA，喚醒時間小于1μs。

超低功耗是MSP430單片機的一大特色。MSP430單片機具有5種不同深度的低功耗休眠模式。在空閑時，通過不同程度的休眠，將內(nèi)部各個模塊盡可能的關(guān)閉，從而達(dá)到降低功耗的目的。通過關(guān)閉時鐘來關(guān)閉模塊是一種最簡單的方法，因此低功耗模式的管理是通過時鐘系統(tǒng)來完成的。共有4個控制位參與：CPUOFF、SCG0、SCG1、OSCOFF，通過這4個位的不同組合，構(gòu)成了5種低功耗休眠模式，如表1所示。

表1 MSP430單片機低功耗模式

2.1.2 電源管理

方案采用鋰電池供電，通過Micro USB接口為讀寫器供電或為電池充電。利用充電管理芯片BQ24070和穩(wěn)壓芯片AS1364，為系統(tǒng)提供3.3V的電源。為減少整個電路板上的電源消耗，除了在器件選擇上選用低功耗器件外，在電源設(shè)計上也使用一些開關(guān)電源模塊進行電源管理，大大減少了系統(tǒng)的功耗，提高了電源使用效率。

BQ24070是一款用于高端手持設(shè)備的低成本充電管理芯片，支持USB和交流適配器兩種充電模式，具有自動功率補償功能，能夠調(diào)整充電電流和系統(tǒng)電流分配關(guān)系，以保證系統(tǒng)的正常工作。下面介紹方案中BQ24070的設(shè)置方法：

（1）MODE引腳的設(shè)置

MODE引腳用于設(shè)置入口電源和充電模式。方案設(shè)置MODE=0時，選擇USB模式為電池充電，同時分配電流滿足系統(tǒng)正常工作；當(dāng)USB電源不在位時，采用電池作為電源。

（2）充電電流設(shè)置

當(dāng)電池電壓低于典型值3V時，BQ24070芯片進入以下過程：預(yù)充狀態(tài)（VBAT<3.0V）→恒流狀態(tài)（VBAT>3.0V）→恒壓狀態(tài)（VBAT接近4.2V）→涓充狀態(tài)（VBAT=4.2V）。當(dāng)電池電壓低于4.1V但大于3.0V時，芯片自動進入：恒流→恒壓→涓充過程。當(dāng)充電電流小于中止時充電電流時，充電過程結(jié)束。

（3）充電狀態(tài)指示

BQ24070有兩個用于狀態(tài)指示的引腳STAT1和STAT2，是開放式漏極輸出端，需要外接上拉電阻才能正常工作。本方案在充電時利用STAT1引腳指示充電狀態(tài)，在工作時利用STAT1指示電量情況，該引腳是電量采集的輸入端口。

（4）CE引腳設(shè)置

CE引腳用于設(shè)置芯片中的所有單元，包括充電管理單元和功率路徑管理單元，用于這些單元的關(guān)斷和使能。

當(dāng)CE=0時，Q1關(guān)斷，Q2導(dǎo)通，此時即使交流適配器在位，系統(tǒng)仍然采用電池供電。

當(dāng)CE=1時，Q1導(dǎo)通，Q2由芯片根據(jù)實際情況決定導(dǎo)通或關(guān)斷，此時，系統(tǒng)啟動充電管理單元和功率路徑管理單元，AC或USB供電。本方案沒有采用交流適配器模式，利用USB供電，電路圖如圖3所示。2.1.3 阻抗匹配

圖3 BQ24070電路結(jié)構(gòu)

由于高頻射頻識別讀寫器和射頻卡通過電感耦合方式實現(xiàn)能量傳輸和信息傳遞，只有當(dāng)天線阻抗匹配時才能實現(xiàn)功率的最大傳輸。系統(tǒng)給出了一種改進的阻抗匹配方式，提高了系統(tǒng)功率利用效率。

在設(shè)計天線的匹配電路時，采用圖4所示結(jié)構(gòu)。

圖4 天線阻抗匹配電路

其中，線圈電阻Rant=2Rcoil，線圈電感Lant=La+Lb，為了提高天線匹配效率，方案首先利用阻抗分析儀測量天線線圈的電感Lant和電阻Rant，然后利用公式(1)和(2)計算得到C1a、C1b、C2a、C2b，其中，ω=2πfc，fc=13.56MHz，Za=350Ω為從上半部分往里看的阻抗。再通過實際調(diào)試，確定最終的參數(shù)值。

2.2 軟件設(shè)計

為了實現(xiàn)RFID系統(tǒng)的低功耗，硬件配置需要得到軟件設(shè)計的支持，在保證系統(tǒng)性能的基礎(chǔ)上，通過關(guān)閉無用設(shè)備，讓系統(tǒng)處于低功耗狀態(tài)。當(dāng)需要設(shè)備工作時，通過外部中斷來喚醒設(shè)備，從而降低了系統(tǒng)的整體功耗。具體操作如下：

（1）CPU處于低功耗模式：MSP430單片機具有5種低功耗休眠模式。在空閑時，通過不同程度的休眠，將內(nèi)部各個模塊盡可能關(guān)閉，從而降低功耗。當(dāng)需要模塊工作時，通過中斷來喚醒。

（2）外部模塊節(jié)電模式：上電初始化后，射頻芯片休眠，射頻天線關(guān)閉。當(dāng)外部按鍵中斷觸發(fā)后，喚醒芯片并開啟天線。藍(lán)牙模塊處于低功耗模式，當(dāng)有中斷觸發(fā)后恢復(fù)正常模式。由于藍(lán)牙的功耗能夠根據(jù)使用模式自動調(diào)節(jié)，當(dāng)傳輸數(shù)據(jù)減少或無數(shù)據(jù)傳輸時，藍(lán)牙將進入低功耗工作模式。

（3）動態(tài)電壓響應(yīng)：系統(tǒng)提供電池狀態(tài)檢測和充電電源檢測功能，根據(jù)電源狀態(tài)切換CPU工作模式，當(dāng)電池電量低于閾值電壓時強迫CPU進入低功耗模式，以保證時鐘正常工作。

（4）指令優(yōu)化：通過對應(yīng)用程序進行指令相關(guān)性的統(tǒng)計，對指令進行編碼優(yōu)化，使讀取指令時信號翻轉(zhuǎn)最少。

系統(tǒng)流程圖如圖5所示。讀寫器開機后，單片機上電復(fù)位，外設(shè)初始化，關(guān)閉讀寫器天線，休眠RC522射頻芯片，休眠藍(lán)牙，同時讓CPU進入低功耗模式。此時如果讀卡鍵按下，喚醒CPU，同時開啟讀寫器天線，喚醒RC522射頻芯片和藍(lán)牙模塊，如果讀到卡則顯示卡號信息，未讀到卡則提示“請刷卡”。藍(lán)牙模塊如果在一定時間內(nèi)不工作，則將其休眠。BQ24070電源管理電路與A/D電量采集電路來檢測電源電壓，當(dāng)?shù)陀谠O(shè)定閾值時，LCD提示電量不足，強制CPU進入低功耗模式，以保證電源的持續(xù)供應(yīng)。

圖5 系統(tǒng)流程圖

3 系統(tǒng)測試與分析

上位機利用Android系統(tǒng)開發(fā)藍(lán)牙接收軟件，打開軟件，搜索設(shè)備，選擇BTCOM，連接讀卡器。當(dāng)讀卡鍵按下時，射頻卡的卡號通過藍(lán)牙實時發(fā)送給手機，如圖6所示。

圖6 手機藍(lán)牙串口通信軟件

由于功耗和模塊電壓有關(guān)，為滿足低功耗的要求，讀寫器各模塊的供電電壓都為3.3V。經(jīng)過低功耗優(yōu)化處理，我們測得系統(tǒng)的待機電流為40μA。此時，藍(lán)牙模塊處于休眠狀態(tài)，如果為了實現(xiàn)更低功耗，系統(tǒng)可為藍(lán)牙模塊專門設(shè)計一套開關(guān)電路，在目前的便攜式藍(lán)牙RFID系統(tǒng)中，功耗已經(jīng)做到了很小。

讀寫器采用的鋰電池在滿電時電壓為4.2V，充電時ICHG=500mA，IPRECHG=ITERM=50mA。在為電池充電的同時，也從中抽取電流為系統(tǒng)供電。實際測量時，充電電流會根據(jù)電池電量有所變化，電量越低，則充電電流越大，但充電電流都維持在幾百毫安。

針對物聯(lián)網(wǎng)項目的實際需要，本文設(shè)計了一款便攜式藍(lán)牙RFID系統(tǒng)，系統(tǒng)滿足小型化、低成本、低功耗的要求，并且利用藍(lán)牙與上位機實時通信。為了實現(xiàn)低功耗，系統(tǒng)在芯片選擇、電源管理、阻抗匹配以及軟件設(shè)計方面進行了優(yōu)化處理，實現(xiàn)了系統(tǒng)待機電流40μA的優(yōu)化效果。未來可以在電路板的硬件設(shè)計以及低功耗算法方面進行研究，實現(xiàn)更低的功耗。