手持式RFID读写器的低功耗设计与测试

    0 引言

    射频识别RFID（Radio Frequency Identification）技术是利用无线射频方式进行非接触式双向通信，以达到识别目标和交换数据的目的，实现对各种对象在不同状态下的自动识别和管理的一种技术。目前广泛应用于身份识别、门禁管理、防伪、商业供应链、公共交通管理、物流管理、生产线的自动化及过程控制、动物的跟踪及管理、容器识别等领域。射频识别读写器根据应用场合可分为固定式读写器和手持式读写器等，其中手持式读写器具有比较大的灵活性，适用于不宜安装固定式RFID 系统的应用环境。

    作为一种便携式设备，手持式RFID 读写器一般采用可充电的电池来进行供电，因此，采用先进技术改进系统设计，降低功耗以提高其使用时间，是手持式读写器设计中需要重点研究解决的问题。本文主要介绍手持式RFID 读写器的低功耗设计方法，并通过测试软件对所设计的读写器进行功耗测试。

    1 系统硬件组成及工作原理

    为满足不同领域的应用需求及二次开发设计需要实现各种功能的要求，手持式RFID 读写器主要由主控制模块、RF 收发模块、显示模块、实时时钟模块、扩展存储模块、USB 接口模块、串行通信接口模块、以太网络接口模块、键盘模块及电源系统等组成，其硬件组成结构图如图1 所示。手持式RFID 读写器通常由操作人员手持设备在某一区域内完成对射频标签相关信息的采集及显示，并将相应数据存储于读写器的存储器中，待与计算机连接后通过串行通信接口或USB 接口传送到本地计算机，也可通过网络接口传送到远程的网络计算机，以便计算机系统进行相应的数据处理及应用。为便于针对具体应用场合与应用系统计算机进行数据通信的需要，还提供了各种备选的通信接口，如USB 接口、RS232 接口、以太网络接口等，二次开发时可根据需要适当选择是否保留。同时，为使手持式RFID 读写器能满足不同场合的供电需要，电源系统采用了USB 电源、AC 电源以及电池供电相结合的模式，以便为RFID 系统进行工作供电或电池充电。 

　

图1 RFID 读写器的组成结构图

    2 系统硬件低功耗设计

    在单片机系统中，系统的功耗由静态功耗s P 和动态功耗d P 组成，如式（1）、（2）所示。 

    式中， DD U 为工作电源电压， DD I 为静态时由电源流向电路内部的电流， TC I 为脉冲电流的时间平均值， T C 为芯片的负载电容， f 为工作频率。

    由式（1）（2）可知,对系统的功耗影响最大是工作电源电压,其次是工作频率,再就是负载电容。对设计人员而言，负载电容一般是不可控的，故在不影响系统性能的前提下，系统低功耗设计主要是尽可能选择低工作电压的器件，并在电路设计中使用低频率的时钟。

    为了尽量减少系统的功耗，在手持式RFID 读写器的硬件设计中尽量采用低功耗器件，并根据不同工作状态对系统的工作时钟频率进行调节。其中主控制器选用了高性能、超低功耗的MSP430F149 单片机，工作电压为1.8～3.6V，可提供了6 种工作模式，即活动模式（AM）和低功耗模式0-4(LPM0-4)，能不同程度的减少芯片内部以及外部模块的功耗。相应接口模块也分别选用电压工作为3.3V 以下的器件，如RF 收发模块选用FM1702SL 射频卡读写芯片，扩展存储模块选用AT45DB161B 串行FLASH 存储器，显示模块及驱动芯片选用P13501 显示模块（含内置驱动芯片SSD1303）， USB 接口选用IPS1582，串行通信接口选用MAX3232、网络接口模块选用ENC28J60 等。

    MSP430F149 单片机的基础时钟模块主要由低频晶体振荡器（LFXT1）、高频晶体振荡器（XT2）、数字控制振荡器(DCO)等模块组成，可以提供主系统时钟（MCLK）、子系统时钟（SMCLK）及辅助时钟（ACLK）3 种时钟信号。为优化低功耗特性，在手持式RFID 读写器设计中MSP430F149 可在满足系统性能的前提下，通过软件对基本时钟系统控制寄存器BCSCTL1、BCSCTL1 及DCO 控制寄存器DCOCTL 进行编程设置DCO 的频率用作MCLK、SMCLK 的时钟源，其范围为32768Hz～8MHz。其中ACLK 可采用32768Hz 的LFXT1CLK 以提供稳定的系统时基和低功耗的备用工作时钟频率, MCU 在执行程序时所需的MCLK 由可快速启动的DCOCLK 提供，SMCLK 可采用DCOCLK 作为扩展FLASH 的时钟信号，以满足扩展FLASH 的读写操作时序要求。

    3 低功耗的软件控制

    在低功耗硬件的基础上，通过软件采用MSP430F149 的可编程中断结构编程来管理系统的工作模式及外围模块的开关连接，从而控制读写器降低系统功耗。

    为充分利用MSP430F149 的低功耗功能，根据手持式RFID 读写器的工作状态将其工作模式设为射频模式、通信模式和待机模式，以尽量延长读写器的工作时间。其中射频模式应用于操作人员进行射频识别的读写操作，当射频标签进入工作区域时产生中断使MSP430F149工作模式由低功耗模式LPM3 切换到活动模式AM；通信模式应用于读写器进行USB 通信或RS232 串行通信或网络通信等操作，由键盘中断使MSP430F149 工作模式由低功耗模式LPM4切换到活动模式AM；待机模式则在系统无操作时由键盘中断或定时超时中断使MSP430F149工作模式由其他模式进行低功耗模式LPM4。

    另外，在不同的工作状态也可通过软件将MCU 的P1~P6 连接的接口电路设置为高阻状态或将相应外围模块工作在省电工作模式，从而也可降低系统的功耗。如FM1702SLRF 收发芯片提供了Hard Power Down、Soft Power Down 及Stand by 三种省电模式，可由MCU 的IO线信号或通过软件设置FM1702SL 内部控制寄存器设置为省电模式，以实现低功耗的控制。

    4 功耗测试及结果分析

    为测试手持式RFID 读写器的系统功耗，按相应测试规程设计的功耗测试主程序及功耗测试中断程序的流程图分别如图2、图3 所示。系统在功耗测试主程序的控制下进行待测试状态，其中在接口初始化模块中将键盘及显示接口设置为功耗测试需要的功能，并提示用户按测试流程进行相应测试，等待操作人员进行功耗测试操作。当操作人员按预定测试规程按下相应键后调用功耗测试中断程序进行测试。在相应中断程序中可按提示信息将主系统时钟MCLK 及子系统时钟SMCLK 时钟频率设置为8MHz、1MHz、400KHz,然后选择工作模式设置为射频模式、USB 通信模式或待机模式，最后选择相应模块状态设置为连接或关闭，并经延时使系统工作稳定后提示测试功耗，最后执行中断返回命令返回主程序待进行其他条件下的功耗测试。其中射频模式下，系统中MCU 设为活动模式、RF 收发模块的发射电路连续发射载波信号、模拟及数字电路正常工作，OLED 显示标签信息，其他通信模块关闭；USB 通信模式下则是系统中MCU 设为活动模式、USB 通信工作，OLED 显示通信信息，其他模块关闭；待机模式下则是MCU 设为低功耗模式LPM4，其他模块都关闭。 

　　

图2 功耗测试程序流程图

图3 功耗测试中断程序流程图

    手持式RFID 读写器进行功耗测试时电源系统采用了1900mAh3.6V～4.2V 锂电池供电。RS232 串行通信及以太网络通信通常用AC 电源提供工作电源，故不进行功耗测试。在工作电压为3.3V 条件下测得系统的消耗电流如图4 所示。 

图4 测试结果示意图

    尽管芯片的个体差异及功耗测试程序可能存在差异，测试时得到的数据会不完全相同，但从图4 仍可看出功耗变化的趋势：（1）同一模式相同状态下降低系统的工作时钟频率可以降低读写器的功耗；（2）同一模式关闭相应模块，可降低系统的功耗，特别是射频模式更为明显；（3）采用低功耗的工作模式可使读写器的功耗得到明显的改善，特别是待机模式的功耗最高可降低到射频模式的近10 倍以下，效果明显。

    5 结束语

    手持式RFID 读写器采用了超低功耗的MSP430F149 单片机，并选用了低电压器件，降低系统工作电压。本设计的创新点是采用硬件设计和软件管理的静动态相结合方法来降低系统的功耗。测试结果表明，该设计方法有效地降低了系统设计的功耗。对进一步优化手持式RFID 读写器软件设计具有一定的指导意义，也可为其他低功耗系统的设计提供一种具有一定参考价值的设计方法。目前项目已投入试用，经济效益达20 万元。