基于MSP430与CC2500的有源超低功耗RFID标签设计

0 引 言

目前，无源 RFID 标签在很多领域都得到广泛使用，包括物流、烟草、医药、二代身份证、奥运门票、宠物管理等，但由于其读码距离短，只能使用在短距离读码的场合，例如物流、门禁、身份证等。而与之对应的有源 RFID[1-3] 标签技术，得益于其读码距离长的特点，各行业对其需求量逐步增大。目前制约有源 RFID 标签广泛使用的主要症结在于需要定期更换电池，导致标签维护成本较高，因此有必要设计一款超低功耗的有源 RFID 标签，解决目前已有有源 RFID 标签方案功耗偏高的问题。

本文提出的基于 MSP430 与 CC2500 的标签设计方案，在分析原有 WoR（Wake on Radio，WoR）技术消耗功耗的基础上提出了心跳唤醒的算法，使得新算法消耗功耗比 WoR 技术方案降低约 43.7%，同时通过合理设计睡眠侦听占空比，可在保证读码速度的前提下，使得有源 RFID 标签 99.7% 的间工作在极低功耗 10 μA 的睡眠状态，较好地满足有源 RFID标签对超低功耗的要求，大大延长了有源 RFID 标签电池的使用寿命，可广泛应用于铁路调度、电力巡检、物流等行业。

1 系统结构与电路设计

1.1 系统结构

有源 RFID 标签系统由应用系统、读写器与有源 RFID标签三部分组成，如图 1 所示。应用系统主要指电力线路巡视手持机、物流手持机、铁路调度读码器具等。读写器与标签之间采用 2.4G 频道实现无线通信，完成读写器对标签的访问。读写器一般情况下嵌入到其他应用系统中，由其所在的系统供电，使用串口与其所在的系统进行信息交互。标签采用电池供电，一般情况下处于超低功耗的睡眠侦听状态，由读写器唤醒。

1.2 电路设计

读写器与标签采用相同的 MCU+RF 设计方案，不同处在于读写器要对外开放 UART 接口。MCU 与 RF 射频部分之间采用 SPI 接口通信。MCU 采用 TI 低功耗 MSP430 系列MSP430F2274IRHAT，RF 采用 CC2500，电路设计可参考文献 [4]。标签 MCU 控制部分电路如图 2 所示。

2 关键技术分析与解决

2.1 原有 WoR 功耗分析

在 MSP430F2274+CC2500 的组合中，WoR 低功耗模式要求 MSP430F2274 在侦听阶段所有时间都处于睡眠状态，而CC2500 则进入WoR 状态，即 CC2500 处于睡眠与侦听交替的状态，如图 3 所示。该过程可描述为 ：睡眠 > 唤醒 > 晶体校对 > 数据接收 > 睡眠，该周期可以通过 CC2500 内部的寄存器进行设置，当数据接收阶段侦听到数据包后，则从CC2500 的 GDO2 输出一个电平跳变，把 MSP430F2274 唤 醒，从而激活标签并与读写器之间建立稳定的通信。这时计算 CC2500 WoR 各时序功耗 ：SLEEP 模式下为 60 μA，IDLE模式下为 20 mA，通信模式下为 27 mA，可以看出，WoR 方案下 CC2500 功耗较高，主要原因在于射频芯片一直处于上电状态，消耗能量较多。

2.2 心跳侦听方案设计

针对 CC2500 WoR 状态下功耗较高的问题，本文提出了一种心跳侦听方案，此方案不同于 WoR 方案，MCU MSP430FF2274 处于睡眠唤醒状态时，CC2500 处于断电与上电状态。MCU 按 T2 T2 T 周期心跳速率打开 CC2500 接收状态进行唤醒帧的侦听，侦听持续时间为 T1 T1 T ，如图 4 所示。另外心跳侦听须与读写器的唤醒帧配合才能达到码片唤醒的效果 ：读写器连续发出 250 个同步帧，每一个唤醒帧长度为 1 ms，周期为 4 ms，250 个唤醒帧持续时间为 1 s，标签按 1 s（T2 T2 T ）心跳速率侦听空间是否存在唤醒帧，侦听时间为 T1 TT1。在侦听期间，MSP430F2274 与 CC2500 均处于工作状态，将这段时间称为“捕获窗口”，在捕获窗口，红色唤醒帧被标签捕获，这时标签对红色唤醒帧进行通信解析，判断该帧是否符合规约，如果符合规约则系统进入同步状态。

3 软件设计

3.1 读写器软件设计

读码器主要功能包括写码、读单码、读多码、读码片电池电压值，如图 5 所示。软件开发可参考文献 [5]，图 5 中串口指令由应用系统主板下发。

3.2 标签软件设计

整个标签程序主要完成侦听唤醒、写码应答处理、读码应答处理功能，另外还具有标签电池电量采集功能，通过附带在上行通信帧中上报给读写器，主要流程如图 6 所示。

4 测试结果

测试工具包括直流电源、示波器、标签。将 10 Ω 电阻与标签串联后接到 3 V 直流电源，示波器表并联在 10 Ω 电阻上。示波器测试波形如图 7 所示。图左线条为 10 Ω 电阻上的电压，波形凸起部分为捕获窗口，时长为 3 ms，周期为 1 s，幅度为 200 mV，得到电流为 20 mA。图右为标签唤醒、同步、发送数据电流波形。睡眠电流为 10 μA，侦听电流为 20 mA，数据发送电流为 20 mA。计算占空比，侦听时间为 3 ms，侦听周期为 1 s，因此码片有 0.3% 处于侦听状态，按一年算，侦听时间 ：24 h×365×0.3%=26.28 h ；码片有 99.7% 时间处于睡眠状态，睡眠时间 ：24 h×365×99.7%=8 733.72 h，按照电力巡检每天采码（唤醒、通信、交互的过程约 3 s） 按 10 次计算， 一年时间内， 工作时间为 ：3s×10×365/3 600=3 h，功耗为 ：（26.28 h+3 h）×20 mA+（8 733.72 h×0.01 mA）=672.9 mAh，按照电池 80% 有效率计算，两节干电池 5 000 mAh 容量，码片至少可以使用 5 年。同理，如将 WoR 侦听频率设置为 1 s，一年的功耗为 ：（26.28 h+3 h）×20 mA+（8 733.72 h×（0.01 mA +0.06 mA））=1 196.31 mAh，由此可计算出新的心跳算法比原 WoR 侦听算法一年功耗降低约 523.41 mAh，优化比例达到 43.7%（MCU 睡眠状态的电流为 0.01 mA，RF 芯片 WoR下睡眠电流为 0.06 mA）。

5 结 语

MSP430 与 CC2500 的组合经常用来作为有源 RFID 标签的设计方案，但 RF 芯片 CC2500 提供的 WoR 唤醒侦听功能由于其功耗较高会影响有源 RFID 标签的电池使用寿命，本文通过分析 WoR 功耗产生的原因，将 RF 芯片中的 WoR 转换成 MCU 心跳唤醒侦听，功耗降低约 43.7%，同时通过合理设计睡眠侦听占空比，可在保证读码速度的前提下，使得有源RFID标签99.7%的时间工作在极低功耗10 μA的睡眠状态，该标签可广范应用在电力线路巡视、铁路调度、物流等行业中。