基于MSP430F2012和IA4420的主動(dòng)式RFID標簽設計

摘要： 提出一種主動(dòng)式RFID標簽的設計方案，實(shí)現了主動(dòng)式RFID標簽的低成本、長(cháng)距離、防沖突、電池供電、長(cháng)壽命。

關(guān)鍵詞： 主動(dòng)式；RFID；標簽；MSP430；IA4420

概述

射頻識別(RFID)是近年來(lái)成長(cháng)最快的無(wú)線(xiàn)技術(shù)之一，它將條形碼及無(wú)線(xiàn)技術(shù)的優(yōu)勢帶入資產(chǎn)管理、產(chǎn)品跟蹤、海運及運輸識別、庫存控制和定位檢測中。大多數RFID系統采用通過(guò)RF從閱讀器獲取電源的被動(dòng)式標簽。這樣有利于減小標簽尺寸和降低成本，但是會(huì )限制讀取范圍和數據存儲能力。帶電池的主動(dòng)式標簽可以提供較大范圍的讀取能力和更強的可靠性，不過(guò)其尺寸較大，也更貴一些。采用最新的低功耗單片機和無(wú)線(xiàn)數傳芯片，設計一種不僅讀取距離遠、可靠度高，而且成本更低、壽命更長(cháng)的主動(dòng)式RFID標簽是本設計研究的目的。

設計方案分析

本設計完成的主動(dòng)式RFID應具有：低成本、低功耗、閱讀距離長(cháng)及距離可調、電池供電等特性。分析主動(dòng)式RFID的這些特性要求，形成設計方案如下：

低成本：以通常的基于RFID的電子識別系統來(lái)講，用于標示物體的RFID標簽總是有較大的使用量。標簽的單價(jià)直接影響到系統整體造價(jià)的高低。雖然主動(dòng)式RFID相比被動(dòng)式RFID具有：識別距離遠、識別速度快、防沖突性能好等優(yōu)勢，但如果價(jià)格差別較大，也會(huì )成為應用推廣中的障礙。所以，應盡可能降低標簽成本。

從器件選型入手，選用集成度高的MCU和無(wú)線(xiàn)數傳芯片，盡量減少外圍器件的數量，不僅可以降低硬件成本，還避免了生產(chǎn)過(guò)程中的統調工作，降低了生產(chǎn)成本。本設計選用MSP430F2012單片機，內部PLL電路可以節省一般單片機必需的外部晶振；內建電源電壓監測/欠壓復位模塊(BOR)省去了外部復位電路；選用IA4420無(wú)線(xiàn)數傳芯片，是目前同類(lèi)無(wú)線(xiàn)數傳芯片中外圍元件最少的一種(僅需一個(gè)10MHz晶振)；差分天線(xiàn)接口可直連設計在PCB上的微帶天線(xiàn)。這些都使得本設計的硬件成本降到了最低。

低功耗：由于主動(dòng)式RFID標簽為電池供電，為了延長(cháng)電池使用壽命，系統對低功耗性能要求嚴格。MSP430單片機擁有0.5mA的保持模式待機電流和250mA/MIPS的運行功耗，是目前業(yè)界公認的低功耗單片機；IA4420的低功耗待機模式電流消耗低至0.3mA。為本設計的低功耗性能提供了基礎保證。
低功耗設計，一方面從元器件的選擇入手，另一方面要設計優(yōu)化合理的運行時(shí)序，在完成標簽功能的前提下，使電路在大多數時(shí)間處于待機狀態(tài)。

長(cháng)距離及距離可調：無(wú)線(xiàn)信號在自由空間中的視距傳輸距離，與系統總增益的log對數成正比，在不增加發(fā)射信號強度的情況下，選擇高接收靈敏度無(wú)線(xiàn)數傳芯片可以達到增加傳輸距離的效果。

IA4420具有-109dBm的接收靈敏度和最大8dBm射頻信號輸出功率，室外開(kāi)闊地實(shí)測傳輸距離達200米以上。按“6dB”法則，在無(wú)線(xiàn)系統中，總增益每增加或減少 6dB ，傳輸距離延長(cháng)或縮短一倍。IA4420的信號輸出功率具有0，-3dBm，-6 dBm，-9 dBm，-12 dBm，-15 dBm，-18 dBm，-21 dBm共8級可調，配合0、-6、-14、-20可調的接收端LAN增益，實(shí)現了標簽閱讀距離的大范圍多級可調。

電池供電：本設計選用單節CR2032紐扣式鋰錳電池，該電池公稱(chēng)電壓3V，容量200mAh，建議間歇放電電流<15mA。CR2032具有每年低于1%的內在超低漏電以及極其平坦的放電曲線(xiàn)(這兩種特性是延長(cháng)電池使用壽命的理想選擇)。本設計省去電池到器件之間的穩壓電路，直接由電池給系統供電。也節省了穩壓電路所帶來(lái)的靜態(tài)電流消耗，使電池壽命進(jìn)一步延長(cháng)。為防止發(fā)射狀態(tài)較大的電流造成電池電壓瞬態(tài)降低，使用較大容量電容與電池并聯(lián)。

直接用電池為單片機供電，一個(gè)值得注意的問(wèn)題是：更換電池時(shí)電池導線(xiàn)的機械接觸會(huì )產(chǎn)生電源噪聲，使單片機復位不完全而產(chǎn)生隨機錯誤操作。MSP430F2012內部集成零功耗欠壓復位 (BOR) 保護功能，可以在電壓低于安全操作范圍時(shí)執行完全復位，很好地解決了這一問(wèn)題。

硬件電路設計

MSP430F2011
MSP430是TI公司的一個(gè)超低功耗單片機系列，完美地整合了低功耗、速度和片上外圍器件：CPU采用16位精簡(jiǎn)指令集，集成了16個(gè)通用寄存器和常數發(fā)生器，極大提高了代碼的執行效率；該系列單片機還將大量的外圍模塊整合到片內，適合構成較完整的片上系統；提供了5種低功耗模式，主要面向電池供電的應用。本設計選用的MSP430系列中更低成本，更高性能的新型單片機—MSP430F2012。

IA4420
IA4420是Integration公司推出的一體化無(wú)線(xiàn)數傳芯片，RF功能全內置，外部只要一個(gè)10MHz晶振即可工作。

主動(dòng)式RFID標簽的電路圖見(jiàn)圖1。

圖1  主動(dòng)式RFID標簽電路圖

通訊協(xié)議

所有的標簽和閱讀器的無(wú)線(xiàn)數據傳輸均工作在同一個(gè)無(wú)線(xiàn)電頻率。在標簽閱讀器的讀取范圍(無(wú)線(xiàn)信號覆蓋范圍)內只有一個(gè)標簽的情況下，標簽與閱讀器進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)無(wú)線(xiàn)通訊，無(wú)線(xiàn)電信號不會(huì )產(chǎn)生沖突。但如果閱讀器的讀取范圍有多個(gè)標簽存在，則需要考慮多個(gè)標簽同時(shí)發(fā)送數據(多路存取)時(shí)產(chǎn)生的無(wú)線(xiàn)電信號沖突，并制定相應的防沖突機制加以解決。

本設計遵從ISO/IEC 18000-7《433 MHz有源RFID空中接口通信參數》中關(guān)于主動(dòng)式RFID標簽通訊協(xié)議的物理層、數據鏈路層的所有約定。

結語(yǔ)

本設計通過(guò)合理選擇元件，圍繞低成本、低功耗、長(cháng)距離、電池供電等特性要求優(yōu)化電路以及在設計中遵從ISO/IEC標準通訊協(xié)議，設計完成的主動(dòng)式RFID標簽在性能指標、穩定性、兼容國際標準和低硬件成本方面具有非常大優(yōu)勢。

以本設計完成的RFID標簽，與配套的閱讀器可以組成人員或物品電子識別/定位系統，廣泛應用于采礦、工業(yè)生產(chǎn)、道路交通、物流運輸、醫療、醫藥、國防安全等眾多領(lǐng)域。

參考文獻：
1.  INTEGATION公司，IA4420 Universal ISM Band FSK Transceiver DATASHEET，2006
2.  TI/杭州利爾達科技有限公司，MSP430F2XX用戶(hù)手冊(中文版)，2006
3.  ISO/IEC18000-7：2004 《433 MHz有源RFID空中接口通信參數》