基于MCP2030無(wú)線(xiàn)激活的低功耗系統設計

　　引言

　　進(jìn)入21世紀之后，隨著(zhù)社會(huì )信息化的不斷普及與發(fā)展，嵌入式系統的應用越來(lái)越廣泛。其中自備電源嵌入式系統由于受功耗的限制，其設計與應用一直受到制約。一般來(lái)說(shuō)，正常工作的嵌入式系統電流消耗在mA級，而處于休眠狀態(tài)下可以控制在μA級左右，3個(gè)數量級的能源節約對于有限的自備電源無(wú)疑具有極大的誘惑，所以這類(lèi)系統基本上都要采用休眠激活的方案以實(shí)現節能，達到延長(cháng)工作壽命的目的。

　　目前可供采用的休眠激活方案主要有3種：事件激活法、定時(shí)激活法和定位激活法。事件激活法主要應用于檢測告警等場(chǎng)合，系統一般處于休眠模式，如果特定參數超限就會(huì )激發(fā)系統工作，這種方法一般要與相應的傳感器配合實(shí)現，微處理器中也要占用相應的中斷資源；定時(shí)激活法主要應用于周期工作的系統（如小區三表數據的采集）中，系統按照定時(shí)器設定的時(shí)間間隔定期上報采集數據，這種激活法的實(shí)現也非常方便，只需在相應的微處理器中添加定時(shí)器的中斷處理程序；定位激活法主要應用于對位置敏感的系統（如貴重資產(chǎn)管理和停車(chē)場(chǎng)的自動(dòng)道閘等）中，該系統在特定位置安裝檢測設備，如果有監管人員或設備離開(kāi)或進(jìn)入這些特定領(lǐng)域將會(huì )激發(fā)系統工作。定位激活法的實(shí)現有多種，本文主要介紹利用無(wú)線(xiàn)信號進(jìn)行定位激活的一種實(shí)現方法。

　　1 基本原理

　　無(wú)線(xiàn)信號頻譜中LF頻段信號具有穿透能力強的特點(diǎn)，它可以穿透非磁性介質(zhì)，如水、混凝土、塑料等（不受視線(xiàn)距離限制），所以利用LF頻段設計激活電路是一種較好方案。無(wú)線(xiàn)信號頻率與波長(cháng)存在反比例關(guān)系，天線(xiàn)長(cháng)度取決于波長(cháng)長(cháng)度。500MHz RF信號的波長(cháng)為60 cm，天線(xiàn)很短，完全可以方便地實(shí)現；而125 kHz LF信號的波長(cháng)為2.4km，做這樣的天線(xiàn)肯定不實(shí)際。所以利用LF頻段信號作為激活信號，接收端不再采用電磁場(chǎng)（radio）原理進(jìn)行工作，而是直接通過(guò)接收磁場(chǎng)（magnetic）信號，然后利用磁場(chǎng)在線(xiàn)圈中的感應信號進(jìn)行判斷處理，如圖1所示。該系統主要由磁場(chǎng)發(fā)射端和接收端兩種設備組成。

圖1 磁場(chǎng)工作原理

　　MCP2030是Microchip公司開(kāi)發(fā)的專(zhuān)門(mén)針對低頻無(wú)線(xiàn)磁場(chǎng)通信的模擬前端器件。該器件集成有8個(gè)可編程配置寄存器和1個(gè)只讀狀態(tài)寄存器，根據寄存器配置，MCP2030可以輸出解調數據、載波時(shí)鐘和磁場(chǎng)強度RSSI。該器件模擬接收電路具有較強的靈敏度，可以接收識別1mVpp信號并解調8%的微弱調制信號。為了得到可靠的磁場(chǎng)信號，MCP2030采用了3組天線(xiàn)和3組接收解調電路。3組天線(xiàn)分別指向互相垂直的X、Y、Z軸，這樣無(wú)論接收器如何放置，總可以得到磁場(chǎng)信號，從而解決了磁場(chǎng)信號的方向性問(wèn)題。其結構框圖如圖2所示。

圖2 MCP2030結構框圖

圖3 MCP2030有輸出的情況

　　MCP2030集成了無(wú)線(xiàn)信號數字序列濾波部件，可以根據需要設定數字序列，器件只有當接收到特定數字序列時(shí)才做出響應，所以可有效避免其他信號干擾所引起的激活現象。圖3所示為無(wú)線(xiàn)數字序列符合設定數字序列的情況，特定的數字序列為“2ms有2ms無(wú)”載波信號，此時(shí)LFDATA在監測到特定序列之后輸出的ASK調制信號，如果無(wú)線(xiàn)數字序列不符合設定數字序列，LFDATA無(wú)輸出。

　　MCP2030具有功耗極低的顯著(zhù)優(yōu)勢，為便于在自備電源的嵌入式系統中應用，專(zhuān)門(mén)設計優(yōu)化了3種工作模式，即休眠模式、待機模式和工作模式。休眠模式由SPI接口命令進(jìn)行控制，進(jìn)入休眠之后，除寄存器、存儲器和SPI功能電路之外，包括RF限幅器在內的所有電路都將關(guān)閉，以使消耗的電流最低（0.2μA），需要用上電復位以及除休眠命令外的任何其他SPI命令將器件從休眠模式喚醒；當天線(xiàn)輸入沒(méi)有LF信號時(shí)，器件將自動(dòng)處于待機模式，但器件內部各部分電路已上電并準備接收輸入信號，待機模式下電流消耗的典型值為4μA（3個(gè)接收天線(xiàn)工作）；當在LF天線(xiàn)輸入上有LF信號且內部電路隨接收的數據而進(jìn)行切換時(shí)，器件處于低電流工作模式，該模式下電流消耗僅為13μA。

　　除此之外，該器件還支持半電源和無(wú)電源工作模式。無(wú)電源工作方式下，器件完全從磁場(chǎng)中提取能量進(jìn)行工作；在半電源工作方式下，器件盡可能從磁場(chǎng)獲取能量，不得已情況下由電源供電。