基于MSP430的矿井人员定位射频读写系统的设计

    矿井人员定位系统集成了计算机网络、射频识别、数据库和微电子电路等多种新技术，能够实时采集到矿井人员的位置信息，经实时数据库反馈给地面监控中心，并通过互联网达到在线监控的目的。一旦事故发生，可以根据矿井人员的位置采取有效的救援措施，使人员伤亡和各项损失降到最低。目前不少有关矿井人员定位方面的报道和研究[1][2]，但其射频读写系统设计中选用的主控芯片和射频芯片大多功耗高，不利于在矿井恶劣环境中长时间工作。本设计选用的MSP430F2012和CC1100均是最新推出的超低功耗芯片，适合于矿井人员定位。 

    1 射频读写系统硬件设计 

    用于矿井人员定位的射频读写系统由计算机、读写器和射频卡组成，读写器和射频卡的硬件设计是该系统的核心[2]。读写器主要包括控制模块、射频收发模块、接口模块和天线；而射频卡主要由控制模块、射频收发模块、存储器和天线构成，根据实际的需要分有源射频卡和无源射频卡[2][3]。图1是用于矿井人员定位的射频读写系统结构图。 

    1.1 控制模块 

    不论是读写器还是射频卡，要实现信号的编码处理，控制模块是必不可少的。控制模块主要由基带信号处理单元和智能单元组成。基带处理单元将发出的命令编码为便于调制到射频信号上的编码信号，并对经解调处理的射频卡回送信号进行必要的处理，然后将结果送入读写器的智能单元中。智能单元是读写器的控制核心，实现与后端应用程序的规范、控制通信、加密和解码、执行防冲突算法等。 

    MSP430[4]是TI公司的一个超低功耗单片机系列，它有5种可编程的工作模式，其中活动模式下的工作电流仅需几百微安，LPM3模式下仅需0.55?滋A。MSP430完美地整合了低功耗、速度和片上外围器件：CPU采用16位精简指令集，集成了16个通用寄存器和常数发生器，极大提高了代码的执行效率；该系列单片机还将大量的外围模块整合到片内，适合构成较完整的片上系统；提供了5种低功耗模式，主要面向有源系统中需要电池供电的应用。本设计的控制模块选用了MSP430系列中更低成本、更高性能的新型单片机MSP430F2012，其内部结构如图2所示。 

    1.2 无线收发模块

    无线收发模块主要完成射频信号的处理功能，包括产生射频能量，将读写器欲发往射频卡的命令调制到读写器发射的载频信号上，形成已调制的发射信号，经读写器的天线发送出去。发送出去的已调信号经过空间信道传送到射频卡上，射频卡对接收到的射频信号做出响应，形成返回读写器天线的发射回波信号；将射频卡返回到读写器的回波信号进行必要的加工处理并从中解调，提取出射频卡回送的编码数据。 

    无线收发模块选用的芯片是Chipcon公司最新推出的CC1100[5]射频芯片，它是一种特别适合应用于UHF的无线传输芯片，体积小、功耗低，数据传送速率为1.2kb/s～500kb/s，其典型工作频率是315MHz、433MHz、868MHz和915MHz，实际的工作频带为：300MHz～348MHz，400MHz～464MHz和800MHz～920MHz，在所有频段提供的输出功率为-30dbm～10dbm。根据文献[6]可知在矿井无线通信最佳频段为900MHz左右，因此本设计选用915MHz为中心频率，带宽为200kHz，上行与下行信道的间隔也是200kHz。 

    图3为CC1100在915MHz时的外围器件组成的电路。 

    1.3 存储器和接口模块 

    射频卡中的存储器主要用于存储人员的信息（ID号）和卡片的电压信息，其容量一般不要求太大，可以节约能耗。本设计选用可写入射频卡，其存储器的读写访问按字段进行，采用EEPROM工艺。阅读器中的接口模块主要是连接计算机的RS232口，其实质是一个电压转换电路，将MSP430的TDO、TDI、TMS、TCK、GND、RST/NMI引脚的电压与RS232的DB9电压匹配。 

    CC1100与MSP430采用的是SPI接口连接[5]， 串行外设接口SPI(Serial Peripheral Interface)总线系统是一种同步串行外设接口,允许MCU 与各种外围设备以串行方式进行通信、数据交换。外围设备包括FLASHRAM、A/D转换器、网络控制器、MCU等。SPI系统可直接与各个厂家生产的多种标准外围器件直接接口，使用4 条线:串行时钟线(SCK)、主机输入/从机输出数据线MISO（Multiple-Input Single-Output）、主机输出/从机输入数据线MOSI和低电平有效的从机选择线SS。 

    1.4 天线 

    射频读写系统中，天线是必不可少的部分，用于产生电磁波，在读写器与射频卡之间传送信息。天线的形状和尺寸决定系统的感应频率范围等性能，频率越高，天线越灵敏，面积也越小。天线有偶极子、微带面、缝隙式和线圈式等类型，天线的极化方式有线极化、圆极化、椭圆极化等，根据不同的频段可以选择不同类型和不同极化方式的天线。本设计中的读写器天线采用915MHz谐振频率线极化天线，天线辐射功率为1W左右，射频卡天线采用的三角微带天线模型设计，最大场强方向为0.125。 

    2 射频读写系统工作特性及工作流程 

    2.1 超低功耗设计的工作特性 

    在矿井复杂环境中，采用具有休眠机制的低功耗芯片将更加有利于整个系统长时间稳定有效运行。阅读器中的MSP430通常情况下处于休眠状态，而CC1100一直处于接收状态，且休眠状态的时间是接收状态时间的数倍。当阅读器上的CC1100接到射频卡发出的编码信息后，产生中断通知MCU,MCU发出指令激活MSP430，MSP430将接收到的射频卡的ID号和电池电压的编码信息通过RS232传送给计算机，然后继续休眠。 

    射频卡中的MSP430通常情况下处于休眠状态，CC1100也处于休眠状态，但MSP430中有定时器电路，定时器Timer定时1s产生中断，将处于休眠状态的MSP430唤醒；MSP430通过SD16_A测量射频卡中的电池电压，并延时一个随机时间后把自己的ID号和电池电压经编码后通过CC1100发送出去，然后继续睡眠。 

    图4为MSP430的超低功耗工作特性。由图4可以看出阅读器和射频卡中的MSP430处于休眠的时间较长，休眠时处于低功耗状态，只有在被唤醒或激活的小段时间中正常功耗下工作。射频卡被唤醒，向读写器发送编码信息，发送完立即转入休眠状态；读写器被激活，向上位机传送编码信息，之后转入休眠状态。这种设计比其他空闲状态时仍正常消耗电量的射频读写系统功耗要低很多。 

    2.2 射频读写系统工作流程 

    在整个系统中，读写器是核心部件，读写器和射频卡的所有工作都由上位计算机的应用系统来控制，它是连接后端应用系统与前端信息载体——射频卡之间的主要通道[2]。射频卡定时将自身的信息编码处理发送给读写器，读写器将其解码处理后存入存储器中。当计算机的应用系统发出查询命令时，指令经RS232线传到读写器智能单元，读写器发出指令将收到的射频卡信息传送给上位机，上位机通过实时数据库分析收到的信息并进行比较处理，并分时段保存。当事故发生时，可以根据下面采集到的人员位置信息采取有效的救援措施，使损失降到最低[3]。 

    3 系统仿真结果与结论 

    TI公司的MSP430系列包容了MCU在国际上的先进技术JTAG和Flash在线编程技术，利用BOOTSTRAP在烧断熔丝以后只要几根线就可以更改并运行内部的程序，这为在线改写提供了很方便的途径。本设计系统是利用LSD-FET430仿真器和串口调试软件进行仿真测试，在915MHz时得到仿真结果如图5所示。 

    由图5调试结果可以看出，当射频卡被唤醒后，将其ID号发送给读写器，读写器通过RS232线传到上位机的串口调试软件，显示出其ID号，图5(a)为发送2次4个射频卡时接收到的结果，图5(b)为发送5次4个射频卡时接收到的结果。仿真和调试的结果证明了该设计方案的可行性，该读写系统因其低功耗性将在矿井等恶劣环境中逐步得到应用。