低功耗便攜式射頻巡更讀寫(xiě)器設計

　　本文介紹一款便攜式巡更機（射頻讀寫(xiě)器）的設計。該讀寫(xiě)器主要由MCU、射頻IC卡讀寫(xiě)模塊、天線(xiàn)及USB通信接口等部分組成。為了方便對巡更情況的實(shí)時(shí)記錄，系統采用了具有時(shí)間基準功能的時(shí)鐘芯片。

　　隨著(zhù)近年來(lái)智能小區、智能大廈的迅猛發(fā)展，巡更系統將有著(zhù)廣泛的應用前景。手持式讀寫(xiě)器的主要開(kāi)發(fā)指標包括微型化、低功耗、便攜式及方便的數據傳輸接口。

　　讀寫(xiě)器總體設計方案

　　便攜式IC卡讀寫(xiě)器主要由電池供電。由于讀寫(xiě)器不斷發(fā)射無(wú)線(xiàn)電波，功耗較大，所以必須從每一個(gè)細節來(lái)考慮如何降低功耗，從而盡可能地延長(cháng)電池的使用時(shí)間。硬件上采用低功耗設計，如低功耗器件、低壓、模塊化供電等；軟件上采用規?；O計，盡量減少處理器的工作時(shí)間，使其處于低功耗運行模式。

　　讀寫(xiě)器的設計要達到以下要求：具有自檢功能，開(kāi)機時(shí)能首先自檢設備有無(wú)故障；能夠準確、快捷地讀取非接觸式IC卡內的信息；具有聲光報警電路；電池直接供電，可由3節AA鎳氫電池供電，開(kāi)機靜態(tài)電流不大于10mA，工作電流不大于40mA；具有USB通信接口；體積小，成本低，性能穩定可靠。

　　系統功能概述

　　根據不同場(chǎng)合對巡更系統的要求，需要及時(shí)了解巡更人員巡邏的情況，以確保小區、商場(chǎng)、鐵路沿線(xiàn)等場(chǎng)合的安全。

　　因此，本系統應具有以下功能：在確定的巡更線(xiàn)路上安裝一系列代表不同點(diǎn)的射頻卡，到達各點(diǎn)時(shí)巡更人員用手持式巡更機靠近巡道檢測點(diǎn)，把代表該點(diǎn)的卡號和時(shí)間同時(shí)記錄下來(lái)；巡更完成后巡更機把采集到的信息通過(guò)USB接口芯片存儲到U盤(pán)中或直接傳給計算機軟件處理。

　　系統硬件設計

圖1 便攜式射頻讀寫(xiě)器的原理框圖

圖2 主控模塊電路原理圖
2 射頻模塊設計

　　讀寫(xiě)模塊是射頻IC卡與外界通信的媒介，讀寫(xiě)模塊連接著(zhù)的天線(xiàn)與IC卡線(xiàn)圈產(chǎn)生共振，進(jìn)行數據傳遞，完成讀寫(xiě)模塊與卡之間的通信。本設計使用的 FM1702N支持13.56MHz頻率下TYPE A 非接觸通信協(xié)議，它是與非接觸式IC卡實(shí)現無(wú)線(xiàn)通信的核心模塊，也是關(guān)鍵接口芯片。它根據寄存器的設計對發(fā)送緩沖區中的數據進(jìn)行調制得到發(fā)送的信號，通過(guò)由TX1、TX2引腳驅動(dòng)的天線(xiàn)以電磁波的形式發(fā)出去，IC卡采用RF場(chǎng)的負載調制進(jìn)行響應。天線(xiàn)拾取IC卡的響應信號經(jīng)過(guò)天線(xiàn)匹配電路送到RX引腳，FM1702N內部接收緩沖器對信號進(jìn)行檢測和解調并根據寄存器的設定進(jìn)行處理。處理后的數據發(fā)送到并行接口由MCU讀取。

　　3 天線(xiàn)設計

　　為了與非接觸式IC卡進(jìn)行通信，讀寫(xiě)器必須有能發(fā)射和接受射頻信號的天線(xiàn)?？梢葬槍Σ煌膽迷O計不同大小和形狀的天線(xiàn)。天線(xiàn)設計具體步驟為：設定讀寫(xiě)器工作環(huán)境，優(yōu)化讀寫(xiě)器與應答器之間的耦合系數，確定天線(xiàn)線(xiàn)圈和電容。

　　非接觸式IC卡天線(xiàn)利用電感耦合產(chǎn)生磁通，磁通用來(lái)向應答器提供電源，并且在兩者間傳輸數據。因此對讀寫(xiě)器天線(xiàn)的構造有以下幾個(gè)基本要求：使天線(xiàn)線(xiàn)圈的電流最大，用于產(chǎn)生最大的磁通量Φ；功率匹配，以最大程度地利用產(chǎn)生磁通量的可用能量；足夠的帶寬以無(wú)失真地傳送數據調制的載波信號。

　　4 蜂鳴器驅動(dòng)電路設計

　　蜂鳴器是在每次讀卡操作不成功的時(shí)候發(fā)出報警指示音。由于MCU的I/O口驅動(dòng)能力有限，一般不能直接驅動(dòng)壓電式蜂鳴器，因此選用一 PNP 型晶體管組成晶體管驅動(dòng)電路，MCU I/O口（P3.4）輸出經(jīng)驅動(dòng)電路放大后即可驅動(dòng)蜂鳴器。本設計選用蜂鳴器的工作電流為10mA，其驅動(dòng)電路如圖3所示。

圖3 蜂鳴器驅動(dòng)電路
5 時(shí)鐘電路設計

　　實(shí)時(shí)時(shí)鐘采用低功耗的CMOS實(shí)時(shí)時(shí)鐘/日歷芯片PCF8563實(shí)現，PCF8563提供一個(gè)可編程時(shí)鐘輸出，一個(gè)中斷輸出和掉電檢測器，其所有地址和數據通過(guò)I2C 總線(xiàn)接口串行傳遞（由STC89LE58R的P1.6和P1.7構成模擬I2C串行口）。時(shí)鐘電路主要是采集實(shí)時(shí)時(shí)間，以便進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤記錄。同時(shí)考慮到PCF8563為實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片，在沒(méi)有外接電源時(shí)仍然要求連續供電，以保持時(shí)間的準確無(wú)誤。所以，該部分電路還加了掉電保護功能。

　　6 通信接口設計

　　本系統采用USB進(jìn)行通信，USB接口芯片采用的是CH375，支持HOST主機方式和SLAVE設備方式。在USB主機方式下，CH375提供了并行和串行兩種通信方式，本次設計中采用并口通信方式，通過(guò)8位被動(dòng)并行接口的D7～D0、RD、WR、A0、CS直接掛接到MCU的系統總線(xiàn)上，電路連接簡(jiǎn)單。CH375內置了處理海量存儲設備的專(zhuān)用通信協(xié)議的固件，所以讀寫(xiě)器系統的MCU可通過(guò)CH375按照相應的USB協(xié)議與USB設備通信，可將U盤(pán)作為可移動(dòng)的大容量存儲器，無(wú)須詳細了解USB通信協(xié)議，便可能數據進(jìn)行讀寫(xiě)操作。

　　系統軟件設計

　　系統軟件設計主要分為三部分，即對FM1702N的應用程序設計、USB接口程序設計和主程序設計。

　　讀寫(xiě)器從休眠中被喚醒后進(jìn)行卡探測，如果有卡或有通信請求，就進(jìn)行讀卡、寫(xiě)記錄、通信等正常的工作過(guò)程，工作結束就進(jìn)入休眠。如果無(wú)卡，就直接進(jìn)入休眠狀態(tài)。喚醒脈沖固定500ms一次，正常工作狀態(tài)時(shí)，屏蔽喚醒中斷。所以終端在無(wú)卡狀態(tài)下，每間隔500ms被喚醒一次，進(jìn)行卡探測?？ㄌ綔y的時(shí)間就是電流的主要消耗時(shí)間，因此縮短卡探測的時(shí)間是很關(guān)鍵的。本設計的系統卡探測時(shí)間為2ms，這樣，終端在無(wú)外界干預的情況下實(shí)現卡探測，功耗很低。在無(wú)卡狀態(tài)下，每個(gè)500ms循環(huán)中，有2～3ms處于工作狀態(tài)，瞬態(tài)最大電流為40mA，有497～498ms處于休眠狀態(tài)，電流只有幾個(gè)微安，總體平均電流為 50μA，從而達到手持式終端的低功耗的要求。

　　MCU采用C51語(yǔ)言編程，系統軟件流程圖如圖4所示。

圖4 系統軟件流程圖
讀寫(xiě)器的功耗測試結果

　　當對設計好的系統進(jìn)行實(shí)際測試時(shí)，經(jīng)常發(fā)現功耗并不像理論上計算的那樣小。此時(shí)，首先要分清電能主要是MCU本身消耗了還是I/O引腳驅動(dòng)外圍電路消耗了。最簡(jiǎn)單的判斷方法是分別測出MCU電源輸入引腳的電流和MCU接地引腳的電流，只有當兩者的數值基本相等時(shí)，整個(gè)系統的功耗最低?？蓮囊韵聨讉€(gè)方面進(jìn)行分析：所有輸入引腳不能懸空。如果懸空的將使得數字輸入緩沖區產(chǎn)生切換電流，從而增大功耗。所有未用的引腳設置為輸出，并設置為固定的高電平或低電平。如果MCU電源輸入引腳電流和接地引腳流出電流不相等，則I/O引腳一定輸出或吸收了電流，應該仔細查找輸出或吸收電流的I/O引腳并采取的措施以降低功耗。檢查是否所有片上的外圍電路都給關(guān)閉了，否則外圍電路會(huì )消耗額外的電流。

　　本設計的測試結果如下：待機電流為7mA，在讀寫(xiě) IC卡時(shí)電流為38mA。讀寫(xiě)器的功耗和輸入電壓密切相關(guān)，輸入電壓升高，讀寫(xiě)器的功耗也相應加大，所以合理選項用輸入電壓很重要。若以3節5號鎳氫電池供電，讀寫(xiě)器可連續工作半年以上。對設計實(shí)現的讀寫(xiě)器進(jìn)行測試，結果表明：一般環(huán)境中可在0～8cm范圍內尋到IC卡；讀寫(xiě)距離為0～4cm，正常完成各項工作設計功能，運行穩定，基本達到了技術(shù)指標要求。

　　然而，本次設計在很多方面需要改進(jìn)，例如，可為讀寫(xiě)器加上LCD顯示，加裝鍵盤(pán)；本設計沒(méi)有考慮到上位機的軟件設計問(wèn)題；應用程序可以進(jìn)一步的優(yōu)化，以提高程序的執行效率。