RFID 標簽分為被動標簽(Passive tags)和主動標簽(Active tags)兩種。被動標簽即非接觸式IC 卡, 由于被動標簽識讀距離短, 在許多應用中受到限制。 主動標簽也稱有源RFID,由于采用無線射頻識別技術, 識讀距離可達幾十米, 逐漸成為一種主流應用技術, 已經成功應用到生產制造、物流管理、公共安全等各個領域。
有源RFID 采用電池供電, 且電池是一次性的, 不能更換。 因此低功耗設計是設計中的重點。RFID 卡有讀卡和讀寫卡兩種。讀卡是單向通信, 即定時向外發送數據。 讀寫卡是雙向通信, 即定時向外發送數據的同時接收數據。 下面以MC9S08QE4 和nRF24L01 為例,介紹有源RFID 讀卡的設計應用。
MC9S08QE4 是飛思卡爾新推出極低功耗的單片機, 資源豐富, 內置振蕩電路, 小封裝, 非常適合于在RFID 卡的應用。 nRF24.L01 是是NORDIC 公司推出的一款新型單片射頻收發器件,工作于2.4 GHz～2.5 GHz ISM頻段, 廣泛應用于無線領域。
MC908QE4 的主要功能
MC908QE4 是Freescale 基于HCS08 核的8 位單片機。具有極低功耗，內置RC 振蕩電路及豐富的外圍接口。QE4 的主要特性如下：
低工作電壓1.8V-3.6V
最大總線頻率10Mhz
內置瑣頻環電路FLL
4K FLASH 程序空間
256 字節RAM
2 個16 位定時器
1 個實時時鐘計數器 RTC
10 路12 位A/D
1 個外部中斷和8 個外部鍵盤中斷KBI
內部RC 振蕩器的看門狗
低電壓檢測電路LVI
1 個SPI，I2C，SCI
32 LQFP,28 SOIC,20 SOIC,16SDIP,16 TSSOP 封裝
nRF24L01 概述
nRF24.L01 是一款新型單片射頻收發器件, 工作于2.4 GHz～2.5 GHz ISM 頻段。內置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調制器等功能模塊,并融合了增強型ShockBurst 技術，其中輸出功率和通信頻道可通過程序進行配置。nRF24L01 功耗低,在以-6 dBm 的功率發射時，工作電流只有9 mA;接收時，工作電流只有12.3 mA，另外有多種低功率工作模式(掉電模式和空閑模式)。
nRF24L01 主要特性如下:
工作電壓:1.9-3.6V;
真正的GFSK 調制單收發芯片;
硬件集成OSI 鏈路層;
具有自動應答和自動再發射功能;
片內自動生成報頭和CRC 校驗碼;
數據傳輸率可達2Mb/s;
SPI 速率可達10 Mb/s;
125 個頻道
QFN20 引腳4 mm×4 mm 封裝。
工作模式
通過配置寄存器可將nRF241L01 配置為發射、接收、空閑及掉電四種工作模式。
硬件設計
由于QE4 有SPI 硬件接口, 外部按鍵中斷接口, 內部上電復位電路和內部振蕩電路,因此硬件電路非常簡單。 見下圖:
晶振電路
QE4 內部有瑣頻環電路(FLL)可以把MCU 運行的總線頻率倍頻上去， 最高可以倍頻到20Mhz。 同時QE4 內部有RC 振蕩器， 校準后的精度可以達到±2%(±2%為全溫度范圍的最大誤差。常溫下該精度為±0.2%)。因此完全可以采用內部RC 振蕩器。節省成本和空間。
電池電壓檢測
在有些RFID 應用中, 需要對電池電壓進行監測。 雖然QE4 內部有掉電檢測電路LVI， 但使能該模塊將消耗較大的電流， 所以不宜采用。 可以利用A/D 模塊監測電池電壓，A/D 模塊會消耗一定的功耗， 為了降低功耗， 可以采用定時檢測的方法， 因為電池電壓是緩慢下降的。
由于采用鋰電池直接供電, 采用一般的A/D 模塊監測電池電壓的辦法, 則需提供一基準電壓給AD 模塊. 這樣既增加成本, 又增加功耗。 這里介紹一種簡便的方法用于電池電壓檢測:
在QE4 的內部集成一個1.17V 的能隙基準電壓，此能隙基準電壓內部連接到ADC 的輸入通道AD27; 因此可以不需要任何外部電路，AD 模塊只需定時采樣此基準電壓，由此可換算出電池電壓。
這種方法的好處是，不需要外部任何器件, 既節省成本又節省空間，而且可以獲知當前準確的電池電壓。它的原理如下: AD 的參考電壓設為VDD, VDD 即為電池電壓, 如果AD 設為12bit 模式, 那么:
能隙基準電壓的AD 值(AD27)=(1.17V / VDD) *4096 = (1.17V/ 電池電壓) * 4096
所以: 電池電壓= (4096 / 能隙基準電壓的AD 值(AD27)) * 1.17 (V)
RFID 的低功耗設計
在RFID 應用中， 由于是電池供電, 且電池是一次性的,無法更換， 所以低功耗是設計中首要考慮的因素。 系統功耗由兩部分組成： 單片機本身的功耗和射頻電路的功耗。下面分別介紹來討論兩者的功耗。
1)射頻芯片的功耗
如前述, 射頻芯片有四種工作模式。 在RFID 的應用中, RFID 定時向外發送數據, 例如500ms 發送一次.所以射頻芯片平時工作在掉電模式, 掉電模式下為900nA。下表為各種各種模式下的功耗:
2)單片機的功耗
單片機的功耗包括正常運行時的功耗和睡眠時的功耗。在RFID 的應用中, 由于是定時發送數據, 發送完畢, 馬上進入睡眠, 因此單片機大部分時間工作于睡眠狀態，因此睡眠時的電流至關重要。例外進入睡眠后, 需要定時喚醒, 定時器的工作電流也是重點考慮的因素之一。
QE4 內部有RTC 模塊, 進入睡眠時，RTC 仍然可以工作, 可以用來定時喚醒MCU。喚醒時間從1ms 到 1s 可設置。RTC 工作電流只有75nA。 把RTC 模塊的功耗考慮進去， 那么進入睡眠狀態時， RTC 模塊工作(定時喚醒MCU)，內部RC 振蕩器工作，MCU 本身的功耗僅為450nA 左右。 如果把射頻芯片的功耗計算在內, 那么在待機模式下,整個系統的功耗為1.35uA。
另外有一個參數對系統功耗的影響也非常重要， 即從睡眠模式喚醒的時間。 喚醒時間越短越好，因為喚醒的過程中， 功耗會比較大。QE4 從睡眠3(STOP3 )模式喚醒的時間非常短，只有6us， 大大低于業界的同類產品。
3) 低功耗設計的小竅門:
a)未使用的I/O 口的處理
對未使用的I/O 口配置成輸出模式, 輸出高或低。
b) 未使用的模塊的處理
未使用的模塊除了關閉該模塊外, 同時還要禁止該模塊的時鐘。模塊時鐘的使能或禁止通過SCGC1,SCGC2 進行配置。
c) RTC 時鐘的選擇
RTC 的時鐘選擇選擇內部1K 時鐘, 而不選擇32K 的時鐘。 選擇32K 的時鐘會增加70uA 的電流。
d)延時的處理
由于射頻芯片平時工作在掉電(POWER DOWN)模式, 從掉電(POWER DOWN)模式到發送模式, 射頻芯片需延時1.5ms 左右的時間, 在延時1.5ms 左右的時間內單片機處于等待狀態, 有兩種處理方式以降低功耗。 一是讓單片機進入STOP3 模式, 利用RTC 喚醒, 喚醒時間設為1.5ms。另一種方法是, 把單片機的工作頻率降到最低,讓單片機進入WAIT 模式, 利用定時器喚醒, 定時器的時間設為1.5ms, 喚醒后把單片機的工作頻率恢復到原來的頻率。
序列號的燒寫:
由于在RFID 應用中，每一個RFID 都需要一個唯一的ID 號。 ID 號可存放在FLASH 中, 單片機上電后, 從FLASH 中讀出它的ID 號。 在批量生產過程中, 如何方便地燒寫ID 號, 也是至關重要的。 下面介紹采用CYCLONE PRO 如何方便地燒寫序列號。CYCLONE PRO 是用于批量生產的專業編程器, 支持脫機燒寫。 在燒寫程序代碼的同時支持燒寫序列號, 每燒寫一片芯片后, 序列號自動加一。 因此非常適合于批量生產。
在下載程序到CYCLONE PRO 前, 先要用SERIALIZE.EXE 軟件生成一序列號文件,SERIALIZE.EXE 軟件可在WWW.PEMICRO.COM免費下載。
生成序列號文件的界面見下圖:
上圖的示例中, ID 號為3 個字節, 將存放在QE4 的0xFFA0,0xFFA1,0xFFA2 中, ID 號的起始號為0x0000001, ID 號的上限為0xFFFFFF,下限為0x000001。 上下限的含義是:假設在燒寫過程中, ID 號每次加一, 當加到上限值時, ID 會自動回到下限值。按SAVE 生成***.SER 文件。 可以通過修改PRM文件, 讓編譯器預留FLASH 從0xFFA0 至0xFFAD 用于存放ID 而不是程序代碼。
結束語
由于QE4 具有超低功耗，豐富的外圍接口， 性價比高等特點， 因此非常適合于在RFID 中的設計應用。 Freescale 將不斷推出新的基于HCS08 內核的系列單片機， 來滿足低功耗市場應用的需求。