基于低頻喚醒技術(shù)的半主動(dòng)式電子標簽設計

摘要：文中介紹了半主動(dòng)式電子標簽硬件和軟件的設計方案，應用AS3933低頻喚醒接收芯片實(shí)現了電子標簽低頻喚醒接收功能。針對低頻喚醒接收模塊，計算和討論了其并聯(lián)諧振電路相關(guān)的參數，并給出了電路和程序設計的方案。應用低頻喚醒技術(shù)的半主動(dòng)式電子標簽可靠的低頻通信距離可達3m以上，同時(shí)低頻喚醒技術(shù)顯著(zhù)降低了電子標簽的運行功耗。
關(guān)鍵詞：半主動(dòng)式電子標簽；低頻喚醒接收；并聯(lián)諧振；AS3933

半主動(dòng)式電子標簽(Semi-active Tag)，是一種使用電源供電的RFID電子標簽。當被閱讀器信號喚醒后，半主動(dòng)式電子標簽可作為一個(gè)收發(fā)器和閱讀器進(jìn)行通信，與主動(dòng)電子標簽(Active Tag)相比具有更低的功耗，與被動(dòng)電子標簽(Passive Tag)相比具有更遠的通信距離，所以半主動(dòng)式電子標簽被廣泛應用于智能交通、門(mén)禁系統、TPMS及集裝箱安全運輸等領(lǐng)域。目前半主動(dòng)式電子標簽主要有兩種射頻低功耗處理方案：定時(shí)喚醒機制和低頻喚醒機制。定時(shí)喚醒機制實(shí)現原理為：通過(guò)設定控制器的定時(shí)器，定時(shí)喚醒MCU控制射頻芯片向外發(fā)送電子標簽狀態(tài)信息。定時(shí)喚醒弊端很大，一般用于低功耗要求不是特別嚴格的場(chǎng)合。低頻喚醒則是通過(guò)低頻信號在一定距離和范圍內激活處于休眠狀態(tài)的電子標簽，使其開(kāi)始工作，低頻喚醒可以大大降低系統的功耗。本設計采用了低頻喚醒技術(shù)作為低功耗解決方案。

1 工作原理
半主動(dòng)式電子標簽應答系統主要包括閱讀器、半主動(dòng)式電子標簽和上位機。電子標簽平時(shí)處于休眠狀態(tài)，當接收到閱讀器喚醒指令后，接收來(lái)自閱讀器的操作指令，并上傳狀態(tài)信息。閱讀器通過(guò)串口與上位機連接，用于保存電子標簽的狀態(tài)信息，以供用戶(hù)查詢(xún)。
為實(shí)現低功耗及遠距離的可靠通信，半主動(dòng)式電子標簽采用雙頻通信方案。低頻方案采用了低頻接收模塊，低頻喚醒模式通信頻率選定為125 kHz。當電子標簽被低頻喚醒并通過(guò)了低頻數據配對后，采用另一種更遠更可靠的高頻率通信方式，高頻通信方案采用的是ISM頻段的2．4 GHz通信頻率。

2 硬件設計
半主動(dòng)式電子標簽硬件電路的設計可分為七個(gè)模塊：控制模塊、高頻收發(fā)模塊、低頻喚醒接收模塊、電源模塊、存儲模塊、C2仿真調試接口及LED指示模塊，如圖1所示。

2．1 控制模塊
綜合考慮電子標簽的成本、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單片機。C8051F410是一款8位的CIP-51內核、低功耗混合信號片上型MCU，具有以下主要特點(diǎn)：內部資源豐富，包括：6個(gè)可捕捉／比較模塊及帶看門(mén)狗功能的PCA、硬件CRC、32 kB的片內Flash和2304字節的片內RAM等；接口豐富，包括SMBus／I2C、SPI接口和UART接口，可以方便擴展外部接口；另外，具有活動(dòng)、空閑、掛起、停機4種工作模式。通過(guò)這4種工作方式的切換可以實(shí)現系統的低功耗設計。
2．2 高頻收發(fā)模塊
電子標簽高頻部分主要實(shí)現高頻通信的數據收發(fā)，在此選用奧地利微電子的AS3940高頻收發(fā)芯片。AS3940是一款低功耗FSK調制的2．4 GHz射頻收發(fā)芯片，射頻收發(fā)器具有可編程的數據傳輸率，最高可達2 Mbit／s，工作頻率范圍為2 405～2 480 MHz ISM頻段，并集成了定時(shí)器和連接管理器，允許各種低功耗操作模式，掉電模式下功耗僅為1．5 μA，非常適合低功耗設計。高頻收發(fā)模塊包括高頻收發(fā)芯片AS3940、LDB212G4020對稱(chēng)變換器、低通濾波器LFL152、16 MHz的晶振、外圍匹配電路及50 Ω的PCB天線(xiàn)，如圖2所示。AS3940與MCU的SPI管腳連接，通過(guò)SPI進(jìn)行配置。