對(duì)于需要電池供電的便攜式系統(tǒng)，功率問題成為電路設(shè)計(jì)考慮的重要因素之一。芯片電路的功耗主要來自開關(guān)的動(dòng)態(tài)功耗和漏電的靜態(tài)功耗。動(dòng)態(tài)功耗主要是電容的充放電(包括網(wǎng)絡(luò)電容和輸入負(fù)載)以及p/n mos同時(shí)打開形成的瞬間短路電流。靜態(tài)功耗主要是擴(kuò)散區(qū)與襯底形成二極管的反偏電流和關(guān)斷晶體管中通過柵氧的電流。工作時(shí)序及軟件算法設(shè)計(jì)有缺陷，會(huì)降低系統(tǒng)工作效率、延長工作時(shí)間，也會(huì)直接增加系統(tǒng)能量的消耗。本文將具體闡述設(shè)計(jì)理念在基于msp430和mfrc522的讀寫器上的應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)。
模塊電路設(shè)計(jì)
系統(tǒng)選用msp430f413單片機(jī)和mfrc522射頻芯片。為簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，本系統(tǒng)僅由低電壓報(bào)警單元、mcu單元、射頻收發(fā)單元、天線、紅外發(fā)射接收以及外圍信號(hào)組成。
本系統(tǒng)選用的是spi接口方式，其連接圖如圖1所示。
圖1 mcu與射頻接口及下載接口圖
msp430選用jtag接口下載仿真程序。為了進(jìn)一步減少功耗，在系統(tǒng)處于休眠模式時(shí)可通過指令關(guān)閉spi接口和mcu中無用的端口。
射頻卡讀寫器采用電感耦合式天線，主要用于產(chǎn)生磁通量，而磁通量用于向射頻卡提供電源并在讀卡器與射頻卡之間傳輸信息。當(dāng)一個(gè)rfid系統(tǒng)正常工作時(shí)所需的磁感應(yīng)強(qiáng)度b一定時(shí)，安培匝數(shù)ni由環(huán)形天線的邊長a以及標(biāo)簽和讀寫器天線的距離x來共同決定。其關(guān)系式為：
電感耦合式天線的特征值主要有品質(zhì)因數(shù)(q)和諧振頻率。一般而言，q一方面衡量能量的傳輸效率，另一方面也衡量頻率的選擇性。對(duì)于并聯(lián)諧振回路，q可以定義為：
q=2πfrc=r/(2πfl)(f在本系統(tǒng)中為13.56mhz) (2)
式中：f為諧振頻率；r為負(fù)載電阻；l為回路電感；c為回路電容。q值越高，天線的輸出能量越高，然而太高的q值會(huì)干擾讀寫器的帶通特性，從而無法遵從協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。一般來說，q=20時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)的帶通特性與帶寬都比較好。rfid系統(tǒng)中的品質(zhì)因數(shù)一般在10~30內(nèi)取值，最大不要超過60。
mfrc522從tx1和tx2引腳發(fā)射的信號(hào)是已調(diào)制的13.56mhz載波信號(hào)，輔以多個(gè)無源器件實(shí)現(xiàn)匹配和濾波功能，以直接驅(qū)動(dòng)天線。其匹配電路和信號(hào)接收電路如圖2所示。
圖2 天線匹配電路
紅外發(fā)射接收電路部分的設(shè)計(jì)目的是為了節(jié)省電源開支，當(dāng)系統(tǒng)處于休眠模式時(shí)停止發(fā)射無線電波，可外加一個(gè)紅外對(duì)管來檢測是否有卡進(jìn)入天線范圍。當(dāng)紅外接收管接收到外界有卡時(shí)立即進(jìn)入中斷，跳出休眠模式，對(duì)外發(fā)射無線電波，并進(jìn)行相關(guān)的操作。這種通過指令間斷打開紅外發(fā)射管檢測是否有卡再進(jìn)入中斷喚醒cpu 和打開天線的方法縮短了天線和紅外管的電流消耗，從而節(jié)省了功耗。
軟件設(shè)計(jì)
cpu的運(yùn)行時(shí)間對(duì)系統(tǒng)的功耗影響很大，所以應(yīng)盡可能縮短其工作時(shí)間，使系統(tǒng)較長時(shí)間處于休眠或低功耗模式。當(dāng)系統(tǒng)上電完成初始化操作后立即進(jìn)入休眠模式，只有當(dāng)紅外接收管接收到信號(hào)時(shí)產(chǎn)生中斷才打開天線進(jìn)入工作模式。其中斷服務(wù)程序如下：
#pragma vector=port2 _vector__interrupt void port_2(void)
{ lpm3_exit; //退出休眠
pcdantennaon(); //開啟天線
pcdreset(); //rc522復(fù)位
p1out = 0xff; //打開spi接口
station=1; //轉(zhuǎn)入工作模式
p2out|=bit6;//led亮
p2ifg&= ~(bit7);//清除標(biāo)記}
圖3是程序運(yùn)行的流程圖。
圖3：程序運(yùn)行流程
msp430有五種低功耗模式，本系統(tǒng)采用的是lpm_3，此時(shí)dc發(fā)生器的dc電流被關(guān)閉，只有晶振活動(dòng)。用晶振做系統(tǒng)主時(shí)鐘和定時(shí)器時(shí)鐘源，對(duì)紅外接收管腳中斷使能定義，使紅外發(fā)射管每隔0.24s發(fā)射一個(gè)0.03ms的脈沖，間斷地檢測在天線范圍內(nèi)是否有卡，有卡時(shí)紅外接收管產(chǎn)生中斷進(jìn)入中斷服務(wù)程序。這樣讓i/o口間歇運(yùn)行既不影響正常讀卡也能節(jié)省電能。
盡量減少cpu的運(yùn)算量，將一些運(yùn)算的結(jié)果預(yù)先算好，放在flash里，用查表的方式代替實(shí)時(shí)計(jì)算，需要運(yùn)算時(shí)最好使用分?jǐn)?shù)運(yùn)算，盡量避免浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算。定義變量時(shí)，盡量使用字符型變量。減少cpu的運(yùn)算量可以有效降低cpu的功耗。
總結(jié)
本文利用msp430單片機(jī)的中斷、定時(shí)、運(yùn)算等功能，借助于軟件優(yōu)勢，及mfrc522的低電壓，小體積等特點(diǎn)，使讀卡器讀卡距離為0~60mm，休眠模式的電流<10μa，工作模式時(shí)電流約為150ma，延長了電池的壽命，增加了系統(tǒng)可靠運(yùn)行的時(shí)間。