基于低频唤醒技术的半主动式电子标签设计

姆逊公式获得：

当L=LXY=4．77 mH，f=125 kHz，代入(1)式求得CperXY=340．2pF；
当L=LZ=5．89 mH，f=125 kHz，代入(1)式求得CperZ=275．5 pF。
设计中缺少电容值为340．2 pF和275．5 pF的电容，X、Y采用330 pF和10 pF的电容并联代替，Z采用270 pF和6．8 pF的电容并联代替。AS3933内部谐振电容组能以1 pF为步长编程到最大31 pF，谐振并联的小容值电容亦可通过配置内部谐振电容组获得。
低频天线性能和其品质因数Q关系密切，一般来讲，Q值越高低频唤醒作用距离越远，不过Q值太高会导致标签通频带宽缩小，影响数据的正确性。设计中Q值大小无法遵循协议标准，厂家推荐的Q值范围为20～30。并联谐振电路有载品质因数Q可由下式得到：

根据天线谐振电路相关参数，选取Q=25．1值，代入(2)式分别求得XYZ轴谐振并联电阻：RperXY=250 kΩ，Rper=470 kΩ。
低频唤醒接收模块的电路图如图4所示。考虑程序处理的精简性，AS3933芯片外接32．768 kHz的晶振，用于对低频信号的频率检测。AS3 933三个接收通道的管脚分别与3D低频天线的XYZ轴引脚相连，配置引脚与MCU的SPI相连，唤醒管脚WAKE3933与MCU的P0管脚相连，曼彻斯特解码时钟管脚CL_DAT3933和数据引脚DAT3933与MCU的P2脚相连，电源引脚外接电源。

2．4 其他功能模块
电子标签的其他功能模块包括电源模块、存储模块、C2仿真调试接口及LED状态指示模块。电源模块主要包括5 V锂电池、LP2985 3．3 V电源芯片、LP2985 3．6 V电源芯片、BQ24085充电芯片等。5 V直流锂电池通过LP2985电源芯片形成3．3 V、3．6 V稳压输送到各自所需模块供电。充电部分在电子标签电池电量不足时可以使其进行及时的充电。以备后续使用；为了实现标签操作和状态信息的实时记录以备查询，设计了一个外部存储模块。存储模块的选用的芯片是FM3130。C2仿真调试接口是C8051F系列单片机集成的一个具有在线片内编程和调试的接口；LED状态指示模块用于指示电子标签充电状态、低频唤醒状态、高频数据收发状态。

3 软件设计
电子标签软件主要由3部分组成：初始化部分、休眠模式部分、低频唤醒接收部分、高频收发部分。
初始化部分主要包括MCU内部、外部设备初始化和软件初始化，包括定时器初始化，端口配置，RTC初始化，中断初始化，SPI初始化，AS3940初始化，AS3933初始化，晶振初始化，以及部分变量初始化等。休眠模式主要为了降低功耗，包括：关闭一些外设和MCU进入挂起状态，包括禁止AS3940，禁止FM3130等。低频唤醒接收部分主要包括P0端口匹配中断唤醒MCU接收低频数据，解析并校验配对数据。高频收发部分用于电子标签高频响应阅读器并向其发送高频信息，完成高频响应后转入接收来自阅读器发来的高频信息。如图5所示为半主动式电子标签主程序流程图。

3．1 通信协议
电子标签低频指令数据包格式如表1所示。表1中协议ID用于说明设备通信采用的协议的版本号，协议版本号用于以后协议的更新区别；模式表示电子标签唤醒后的状况；CRC校检位用于判断数据接收的准确性。低频配对接收到阅读器ID数据符合设置的要求后，才进行高频响应。

高频响应阅读器指令数据包格式定义见表2。表2中协议ID和表1中协议ID的作用一样。起始帧和结束帧用于保证数据接收的完整性，软件绾程中可通过起始帧判断数据接收的开始，通过结束帧判断数据接收的完成；CRC校检位用于判断数据接收的准确性；当起始帧和结束帧都接收到，并且CRC正确则表示数据接收正确。

3．2 低频通信程序
通过MCU的SPI口对AS3933各工作寄存器进行配置，以满足低频唤醒接收数据的要求。AS3933低功耗侦听模式采用ON／OFF模式，配置使AS3933唤醒需要满足16位曼彻斯特唤醒类型码(Pattern)检测，数据接收开启曼彻斯特解码。AS3933低频唤醒协议波形如图6所示，协议波形包括载波头(Carrier Brust)、前导码(Preamble)、唤醒类型码(Pattern)、数据(Data)。低频唤醒信号的频率为125 kHz，ASK调制，协议中各类型码数据均采用曼彻斯特编码，AS3933数据接收速率为每秒钟2730个曼彻斯特位，根据数据手册算得每位曼彻斯特位时长为366μs。以下低频唤醒协议各类型码的格式要求的说明：

载波头(Cartier Brust)：按照125 kHz的操作频率，载波头的时长tc应满足：0．616 mstc4．73 ms，编制为10位曼彻斯特码，tc=3．66 ms；前导码(Preamble)：配置AS3933前导码的时长tpb应满足tpb>3．5ms，加上1位分离位，编制为11位曼彻斯特码，tpb=4．026 ms；唤醒类型码(Pattern)：在寄存器R6和115中配置AS3933的16位唤醒类型码的格式，编制为16位曼彻斯特码