基于低頻喚醒技術的半主動式電子標簽設計

摘要：文中介紹了半主動式電子標簽硬件和軟件的設計方案，應用AS3933低頻喚醒接收芯片實現(xiàn)了電子標簽低頻喚醒接收功能。針對低頻喚醒接收模塊，計算和討論了其并聯(lián)諧振電路相關的參數(shù)，并給出了電路和程序設計的方案。應用低頻喚醒技術的半主動式電子標簽可靠的低頻通信距離可達3m以上，同時低頻喚醒技術顯著降低了電子標簽的運行功耗。
關鍵詞：半主動式電子標簽；低頻喚醒接收；并聯(lián)諧振；AS3933

半主動式電子標簽(Semi-active Tag)，是一種使用電源供電的RFID電子標簽。當被閱讀器信號喚醒后，半主動式電子標簽可作為一個收發(fā)器和閱讀器進行通信，與主動電子標簽(Active Tag)相比具有更低的功耗，與被動電子標簽(Passive Tag)相比具有更遠的通信距離，所以半主動式電子標簽被廣泛應用于智能交通、門禁系統(tǒng)、TPMS及集裝箱安全運輸?shù)阮I域。目前半主動式電子標簽主要有兩種射頻低功耗處理方案：定時喚醒機制和低頻喚醒機制。定時喚醒機制實現(xiàn)原理為：通過設定控制器的定時器，定時喚醒MCU控制射頻芯片向外發(fā)送電子標簽狀態(tài)信息。定時喚醒弊端很大，一般用于低功耗要求不是特別嚴格的場合。低頻喚醒則是通過低頻信號在一定距離和范圍內激活處于休眠狀態(tài)的電子標簽，使其開始工作，低頻喚醒可以大大降低系統(tǒng)的功耗。本設計采用了低頻喚醒技術作為低功耗解決方案。

1 工作原理
半主動式電子標簽應答系統(tǒng)主要包括閱讀器、半主動式電子標簽和上位機。電子標簽平時處于休眠狀態(tài)，當接收到閱讀器喚醒指令后，接收來自閱讀器的操作指令，并上傳狀態(tài)信息。閱讀器通過串口與上位機連接，用于保存電子標簽的狀態(tài)信息，以供用戶查詢。
為實現(xiàn)低功耗及遠距離的可靠通信，半主動式電子標簽采用雙頻通信方案。低頻方案采用了低頻接收模塊，低頻喚醒模式通信頻率選定為125 kHz。當電子標簽被低頻喚醒并通過了低頻數(shù)據(jù)配對后，采用另一種更遠更可靠的高頻率通信方式，高頻通信方案采用的是ISM頻段的2．4 GHz通信頻率。

2 硬件設計
半主動式電子標簽硬件電路的設計可分為七個模塊：控制模塊、高頻收發(fā)模塊、低頻喚醒接收模塊、電源模塊、存儲模塊、C2仿真調試接口及LED指示模塊，如圖1所示。

2．1 控制模塊
綜合考慮電子標簽的成本、低功耗要求以及可靠性等因素，控制芯片采用Silicon Labs公司的C8051F410單片機。C8051F410是一款8位的CIP-51內核、低功耗混合信號片上型MCU，具有以下主要特點：內部資源豐富，包括：6個可捕捉／比較模塊及帶看門狗功能的PCA、硬件CRC、32 kB的片內Flash和2304字節(jié)的片內RAM等；接口豐富，包括SMBus／I2C、SPI接口和UART接口，可以方便擴展外部接口；另外，具有活動、空閑、掛起、停機4種工作模式。通過這4種工作方式的切換可以實現(xiàn)系統(tǒng)的低功耗設計。
2．2 高頻收發(fā)模塊
電子標簽高頻部分主要實現(xiàn)高頻通信的數(shù)據(jù)收發(fā)，在此選用奧地利微電子的AS3940高頻收發(fā)芯片。AS3940是一款低功耗FSK調制的2．4 GHz射頻收發(fā)芯片，射頻收發(fā)器具有可編程的數(shù)據(jù)傳輸率，最高可達2 Mbit／s，工作頻率范圍為2 405～2 480 MHz ISM頻段，并集成了定時器和連接管理器，允許各種低功耗操作模式，掉電模式下功耗僅為1．5 μA，非常適合低功耗設計。高頻收發(fā)模塊包括高頻收發(fā)芯片AS3940、LDB212G4020對稱變換器、低通濾波器LFL152、16 MHz的晶振、外圍匹配電路及50 Ω的PCB天線，如圖2所示。AS3940與MCU的SPI管腳連接，通過SPI進行配置。