基于低频唤醒技术的半主动式电子标签设计

摘要：文中介绍了半主动式电子标签硬件和软件的设计方案，应用AS3933低频唤醒接收芯片实现了电子标签低频唤醒接收功能。针对低频唤醒接收模块，计算和讨论了其并联谐振电路相关的参数，并给出了电路和程序设计的方案。应用低频唤醒技术的半主动式电子标签可靠的低频通信距离可达3m以上，同时低频唤醒技术显著降低了电子标签的运行功耗。
关键词：半主动式电子标签；低频唤醒接收；并联谐振；AS3933

半主动式电子标签(Semi-active Tag)，是一种使用电源供电的RFID电子标签。当被阅读器信号唤醒后，半主动式电子标签可作为一个收发器和阅读器进行通信，与主动电子标签(Active Tag)相比具有更低的功耗，与被动电子标签(Passive Tag)相比具有更远的通信距离，所以半主动式电子标签被广泛应用于智能交通、门禁系统、TPMS及集装箱安全运输等领域。目前半主动式电子标签主要有两种射频低功耗处理方案：定时唤醒机制和低频唤醒机制。定时唤醒机制实现原理为：通过设定控制器的定时器，定时唤醒MCU控制射频芯片向外发送电子标签状态信息。定时唤醒弊端很大，一般用于低功耗要求不是特别严格的场合。低频唤醒则是通过低频信号在一定距离和范围内激活处于休眠状态的电子标签，使其开始工作，低频唤醒可以大大降低系统的功耗。本设计采用了低频唤醒技术作为低功耗解决方案。

1 工作原理
半主动式电子标签应答系统主要包括阅读器、半主动式电子标签和上位机。电子标签平时处于休眠状态，当接收到阅读器唤醒指令后，接收来自阅读器的操作指令，并上传状态信息。阅读器通过串口与上位机连接，用于保存电子标签的状态信息，以供用户查询。
为实现低功耗及远距离的可靠通信，半主动式电子标签采用双频通信方案。低频方案采用了低频接收模块，低频唤醒模式通信频率选定为125 kHz。当电子标签被低频唤醒并通过了低频数据配对后，采用另一种更远更可靠的高频率通信方式，高频通信方案采用的是ISM频段的2．4 GHz通信频率。

2 硬件设计
半主动式电子标签硬件电路的设计可分为七个模块：控制模块、高频收发模块、低频唤醒接收模块、电源模块、存储模块、C2仿真调试接口及LED指示模块，如图1所示。

2．1 控制模块
综合考虑电子标签的成本、低功耗要求以及可靠性等因素，控制芯片采用Silicon Labs公司的C8051F410单片机。C8051F410是一款8位的CIP-51内核、低功耗混合信号片上型MCU，具有以下主要特点：内部资源丰富，包括：6个可捕捉／比较模块及带看门狗功能的PCA、硬件CRC、32 kB的片内Flash和2304字节的片内RAM等；接口丰富，包括SMBus／I2C、SPI接口和UART接口，可以方便扩展外部接口；另外，具有活动、空闲、挂起、停机4种工作模式。通过这4种工作方式的切换可以实现系统的低功耗设计。
2．2 高频收发模块
电子标签高频部分主要实现高频通信的数据收发，在此选用奥地利微电子的AS3940高频收发芯片。AS3940是一款低功耗FSK调制的2．4 GHz射频收发芯片，射频收发器具有可编程的数据传输率，最高可达2 Mbit／s，工作频率范围为2 405～2 480 MHz ISM频段，并集成了定时器和连接管理器，允许各种低功耗操作模式，掉电模式下功耗仅为1．5 μA，非常适合低功耗设计。高频收发模块包括高频收发芯片AS3940、LDB212G4020对称变换器、低通滤波器LFL152、16 MHz的晶振、外围匹配电路及50 Ω的PCB天线，如图2所示。AS3940与MCU的SPI管脚连接，通过SPI进行配置。

2．3 低频唤醒接收模块
电子标签低频唤醒接收功能的实现核心是奥地利微电子的AS3933芯片。AS3933是一款3通道可编程低频唤醒接收器，主要的功能特点有：3通道ASK唤醒接收，可编程16位或32位曼彻斯特唤醒码；接收频率范围广泛：15～150 kHz；支持可编程数据速率和带时钟恢复的曼彻斯特解码，并提供了内置自动天线调谐器；唤醒灵敏度达到80 μVRMS，3通道低功耗侦听模式功耗最低仅有1．7 μA。
低频天线采用并联谐振方式，由并联电阻、电容和电感组成。为克服低频接收的方向性，天线采用PREMO的3DC1515S-0477J的三维正交低频天线，其中X、Y轴方向上的电感LXY=4．77 mH、直流等效电阻RXY=93 Ω，Z轴方向上的电感LZ=5．89 mH、直流等效电阻RZ=142 Ω，低频谐振的频率f=125 kHz。低频天线并联谐振的等效电路如图3，其中L为天线线圈的电感值，u为天线线圈的感应电压，RL为天线线圈的直流等效电阻，Cper为并联电容，Rper为并联电阻。为了达到最优的低频接收灵敏度，对谐振电路匹配的阻容进行理论计算。

电路谐振时，并联电容计算可通过汤