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