用低功耗RF芯片与超低功耗MCU组合构建

时间:2020-08-15 07:17:16

用低功耗RF芯片与超低功耗MCU组合构建有源、无源RFID - 通信/络 - 电子工程

如今低功耗射频产品线包括了多种专用及基于标准的低功耗、高性能CMOS RF-IC,可用于涵盖低于1GHz和2.4GHz的各种ISM频带的无线应用。其产品包括了低功耗收发机及发射机、单芯片系统集成解决方案以及IEEE 802.15.4/ZigBeeTM兼容解决方案。

低功耗RF-IC产品可用于一系列的住宅、建筑领域以及消费电子的无线应用:家庭和工业自动化;即家居控智,安防报警;无线抄表;消费类电于娱乐产品;鼠标、键盘与无线USB及音频传输等领域。

然而在这些应用中很重要的技术问题是采用低功耗射频收发机及发射机与高性能的模拟和超低功耗微控制器产品系列相组合成各类集成低功耗射频技术应用方案,以达到构建报警及安全系统、自动化仪表读取系统、主动射频识别(RFID)系统及其他监测和控制系统之目的。

为此本文将以源自T1公司的Chipcon CCl100多通道射频收发机和CC2500射频收发机及TRF7960射频识别(RFID)读取器等低功耗RF-IC产品为例对其芯片应用特征和所构建的有源RFID和无源RFID方案组成与应用作分析说明。

有源RFID

RFID是一种自动获取关于人,物品,时间,地点,交易的信息或数据的方式。几毫秒内完成识别操作,无可视要求,非接触,苛刻环境下工作,无人为错误。ID“标签”可以保存唯一的ID号,向标签读写数据,执行加密和认证,同时读大量标签。

有源RFID系统由三部分组成(见图1)。

图1为有源RFUD系统

?标签(Tag):由无线收发模块(可用CCl100多通道射频收发机或CC2500射频收发机作为无线通讯模块),天线,控制模块(可用微控制器MSP430F2012)组成,通过电磁波与阅读器进行数据交换。

?阅读器(Reader):由无线收发模块(可用CCl100作为无线通讯模块),天线,控制模块(可用微控制器MSP430F2012)和接口电路组成。

?数据交换与管理糸统(Center Processor):通过RS-232或RS-485接口与阅读器(Reader)进行数据交换。

实际有源RFID平台除了有一个阅读器、3个标签(无线通讯模块是CCl100与微控制器是MSP430F2012)之外,还必须由1个RS-232转换板,1根串口线及上位机软件;阅读器通过RS-232转换板和串口线与上位机相连,用来接收标签发送的的数据;每个标签有自己的ID号,并定时发送自己的ID号给阅读器。这方面利尔达公司有成熟的产品可用。

有源RFID技术的构建是CC1100多通道射频收发机与高性能的模拟和超低功耗微控制器产品的组合。

CC1100多通道射频收发机(图2)最大发射功率为10dBm;ISM频段工作频率,无需申请频点:载频频率430—438MHz;高抗干扰能力和低误码率;透明的数据传输;多速率:提供1200bps、2400bps等多种通信波特率;低功耗及休眠功能分别为接收电流<16mA与发射电流<30mA及,休眠时电流仅为<10μA双接口方式,TTL电平的UART接口和标准的RS-232接口可选。

图2 为CC1100应用电路示意图

用CC1100构建有源RFID平台的应用举例-高性能RF无线数据传输

无线通讯模块采用透明模式进行通讯,即所收即所发,具有通讯距离远、低功耗、接口灵活等优点,使用者无需编码和控制。采用单片射频集成电路及单片机MCU的无线模块,外围电路小,但可靠性高,故障率低,方便模组,应用广泛,适合一般有线系统的升级置换,如用于水、气、热、电计量表具无线远传自动抄表,无线温湿度控制,设备监控等。图3为高性能RF无线数据传输技术方案框图。产品具有CC1100特性外其通信距离(视距)大于300米,工作电压为+3.0V。

图3为高性能RF无线数据传输技术方案框图

用CC2500构建有源RFID平台的应用举例-高速公路路径识别系统

该方案由CC2500射频收发机作为无线传感器与作为核心的超低功耗微控制器MSP430F14X及作为卡片用的MSP430F2012等主要芯片构成高速公路路径识别系统,即RSU路边单元读卡系统。

车上的无线卡片采用CR2032电池供电,通过内部ADC10定时检测内部电压状况,一端口控制LED进行电压状态指示,静态功耗小于3μA,寿命可达1年以上;内部Timer-A定时启动CC2500进入接收状态接收RSU命令发射车辆ID号、车牌号等信息。安装在高速公路口的RSU单元在通过车辆检测装置检测到有车辆经过的时候由内部SPI接口控制CC2500向外发送要求车辆反馈信息的命令,在RSU单元接收到车辆信息校对完成后,将车辆信息通过内部SPI接口存贮于EEPROM, 同时将信息通过GPS传输给公路管理部门记录该车辆进入高速的位置,在车辆从高速出口出来时,安装在出口处的RSU同样检测并记录出口的位置,从而统计出该车所行驶的路段并计算各省段过路费用分摊给各个管辖省区。MSP430内部的WDT或者Basic-Timer可设置软件陷阱,修复错误状况,保证整个考勤系统正常运行。内置的BOR模块实时监控外部电源,保证单片机正常工作,避免因外部电源变化大导致的内部沟闪存或RAM数据改写等情况发生,增强了整个系统的安全性。除此之外CC2500的应用范围还可在无线游戏控制器、无线键盘/鼠标、消费电子产品、无线音频与运动及休闲设备上应用。

CC2500是高度集成、多通道RF收发机,设计用于2.4GHz 1SM频带内的低功耗无线应用。

无源RFID

无源RFID接收读写器发射的信号并对其进行调制后反射给读写器(见图4),本射频卡通信模块(可用TRF7960)是基于13.56MHz频率的非接触卡读写模块,可支持TI公司的Tag-it HF-1全系列卡片,符合S014443标准的高频非接触卡片。

图4 无源RFID框图

用TRF7960构建 SD卡接口HF(1 3.56MHz)读头

TRF7960/1射频识别(RFID)读取器是高度集成、多标准模拟前端及数据成帧系统,用于13.56MHzRFID读取器。其内置的编程选项使其成为各种应用的理想选择,包括近距离或近程的RFID系统。

在RFID系统的应用中读头是非常重要的环节,在性能上,需要考虑读头识别Tag(标签)的距离和需要考虑读写Tag的可靠性和安全性以及同时识别多个Tag时的防碰撞问题。在应用中,需要考虑读头对外数据传输及数据存储的便捷性。当然在许多应用中,读头设计还需要考虑低功耗性能。HF(13.56MHz)在RFID系统中应用非常广泛,HF有两种标准,S015693,IS014443-A/B,这两种标准都有非常高的可靠性和安全性,尤其是1S014443-B的协议可应用在银行、金融等安全性等级很高的场合。HF读头通常可以同时识别几十个Tag,所以能实现较好的防碰撞设计。

图5中TRF796x系列是TI的HF读头芯片,同时涵盖了IS015693+ IS014443-A/B这两种协议,TRF796x内置LDO时钟输出功能,不但可以省去外部LDO和MCU工作晶体的成本,同时由于内置LDO的优秀的PSRR性能,可极大的抑止其他电路对RF电路的影响,提升RF性能,增强读写TAG的距离。利用TRF796x的低功耗性能以及微指控制器MSP430系列的超低功耗特性,则可以实现微功耗HF读头的设计,静态电流小于2μA,对于手持读头系统,这是一个非常好的特性。利用MSP430的高性能,我们可以轻松实现SD卡的接口,使得SD存储这种小体积,大容量的,便携的数据存储及传输方式可以用到RFID的系统。

图5 微功耗HF(1 3.56MHz)读头组成框图

同样由TRF796x系列利用SP3232,可以轻松实现从UART到RS-232的转换,通过RS-232实现与计算机或其他主机设备通讯, 实现RS-232接口的HF(13.56MHz)读头方案;用TUSB3410,我们可以轻松实现从UART到USB的转换,通过USB实现与计算机或其他USB主机设备通讯,实现USB接口的HF(13.56MHz)读头方案。

用TRF7960构建智能锁

该方案采用超低功耗单片机MSP430F2232为核心结合TRF7960智能卡读头和13.56MHZ高频卡片实现门锁的感应式智能控制。

该方案采用干电池供电,片内12位A/D定时采集内部电压状况,一端口控制LED进行电压状态指示和认证指示,静态功耗小于3μA,最大限度的延长了电池的使用寿命,无需经常更换电池;片内定时器Timer_A定时启动TRF7960无源卡片读头感应外部卡片和读取信息,TRF7960读取的卡片信息通过SPI接口传输绐MCU进行数据处理和身份验证:卡片识别验证通过后,MCU控制电机驱动器BA6289;驱动电机打开门锁,同时蜂鸣器和LED灯闪烁指示;在门处于敞开状态时,MCU实时检测门锁状态,报警提醒关闭门锁,避免不必要的财物损失:卡片的验证信息等存贮于外部EEPROM (CAT24C128型),随时调用该方案13.56MHZ的无源卡片基于IS01 5693协议,识别距离可达10GM左右,具有读卡功耗低、感应距离远、性能稳定、体积小、性价比高等特点,是新一代家用和商用智能锁的最佳选择方案。

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