基于MSP430的无线识别装置
(武汉大学 电子信息学院 430079)
摘要：文章介绍了一种基于MSP430单片机的简易无线识别装置的设计。该设计由阅读器、应答器和线圈3部分组成，采用被动式应答器方案，可以实现在15cm的距离里由阅读器对无外加电源的应答器进行准确的数据读与写的操作。 关键词：无线射频识别，电荷泵，串行通信，低功耗
Radio Frequency Identification System Based on MSP430
(Academy of Electronic Information, Wuhan University 430079)
Abstract：A simple radio frequency identification system based on MSP430 MCU is designed in this paper. The design includes the reader, the responder and the coil. By using the passive responder program, the responder can transmit data on the condition of non-power. The system can realize radio frequency identification accurately in the distance of no more than 15cm.
Key words：RFID，Electric Charge Pump，Serial Communication，Low-power 0.引言
无线射频识别技术RFID(Radio Frequency Identification)是20世纪90年代开始兴起的一种自动识别技术，是一种非接触式的自动识别技术。它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预，反应速度快，可工作于各种恶劣环境。RFID技术可识别高速运动物体并可同时识别多个标签，操作快捷方便。近年来，随着芯片技术，天线技术以及计算机技术的不断发展，RFID系统的体积、功耗越来越小，成本越来越低，功能日趋灵活，操作快捷方便，加上其擅长多目标识别，运动目标识别，方便物品跟踪和物流管理的突出特点，RFID系统日益广泛的应用于各种生产生活场所，扮演着越来越重要的角色，被评“带来了一个进化的无线市场”。本文介绍一种基于MSP430单片机实现的无线识别装置。 1.系统设计概述
本系统采用被动式应答器方案，由阅读器、应答器和耦合线圈三个部分组成。其总体组成框图如图一所示。
图一 无线识别装置方框图
阅读器与应答器按约定的通信协议互传信息，由阅读器向应答器发送命令，应答器根据收到的阅读器的命令，将内存或按键设置的数据回传给阅读器。这种通信是利用交变磁场、电磁场的空间耦合及射频信号调制与解调技术实现的。
阅读器上电后，有源晶振产生4MHz载波信号，通过功放与匹配电路向耦合线圈提供中波交变激励电压，激励线圈形成电磁场供应答器耦合线圈取电。应答器耦合线圈感应到阅读器送来的已调波激励电磁信号后，首先由“电荷泵”取电，当取电的电压达到MSP430F449单片机最低工作电压1.8V时，应答器开始工作。
当应答器通过串口接收到阅读器的“读”命令时，读取预置开关的编码，经串口发送到模拟开关进行负载调制。阅读器端将天线上的信号经过包络检波以及放大整形后送入单片机的串口得到信息进行显示。
当应答器通过串口接收到阅读器的“写”命令时，将包络检波及放大整形后的接收信息送入单片机的串口读入，经解码写到内部FlashROM里进行存储。
阅读器对应答器发送读、写命令及数据是通过将信息通过串口发出，控制两个功放其中的一个的关断而产生ASK调制信号来实现的。
阅读器与应答器的系统框图如图二所示。
载波发生电磁耦合整流稳压模拟开关功率放大匹配电路负载调制单片机预置开关单片机放大整形包络检波包络检波放大整形阅读器应答器图二 阅读器与应答器方框图
2.系统硬件电路
2.1耦合线圈电路设计
本系统耦合线圈采用直径6mm的漆包线在直径为6.6cm的易拉罐上绕10圈制成，测得其电感值为13μH左右，如载频选得较高，那么与之谐振的电容则可能非常小，由于分布电容的影响，调试将十分困难。若载频选得较低，则会降低能量发射和耦合的效率。综合考虑选择载波为4MHz。如图三所示，初级线圈采用串联谐振方式，由f?12?LC得匹配电容C1=122pF;次级线圈采用并联谐
振的方式，以期回路在谐振时获得最大电压。经调试得到，C2=109pF。
图三 无线识别装置耦合线圈谐振电路示意图
2.2阅读器电路设计
阅读器主要由发射部分与接收部分组成。
发射部分由载波发生电路、功放电路与匹配电路组成。发射部分比较简单，有源晶振产生的4MHz信号经滤波直接进入功率放大电路，经过功率放大后的信号再通过谐振放大后发射出去，为应答器提供能量。用单片机发出的串行数据来控制功率放大模块的关断来产生ASK调制信号。
功放电路采用了TI公司的具有使能端的单9A高速低侧MOSFET驱动器
UCC37321进行功率驱动。该芯片能驱动高达9A的峰值电流，在此处使用两片并联使用，即保证发射功率，又能进行数据调制。让其中一片UCC37321的使能端连接到单片机的串口，另一片始终正常工作。没信号发出时，串口保持高电平，让芯片正常工作，此时耦合线圈上电压幅值最大。当串口有数据送出时，数据控制UCC37321的关断，此时耦合到线圈上的幅值会随之改变，从而产生了调制信号。
图四 UCC37321内图电路图
输出回路采用LC串联谐振，由于Q值较高，回路电流和电压近似为正弦波形，失真很小，这样即保证了发射功率，又能确保电路的低功耗要求。
阅读器发射部分电路如图五所示：
图五：阅读器发射电路部分
阅读器接收部分主要由包络检波及整形放大电路组成。为了减小检波电路对线圈谐振状态的影响，采用松耦合的方式，即在耦合线圈和检波电路间串联一个
小电容。经包络检波后的信号在进入比较器TLC372进行整形，整形后的信号送入单片机串口即可读取数据。电路如图六所示
图六：包络检波电路
2.3应答器电路设计
应答器电路主要由电源部分、调制部分与接收部分组成。电源部分采用“电荷泵”技术，其原理如图所示，RF-DC转换电路所需二极管的最小个数为n1，则所需电容个数也为n1，由于每级电荷泵由2个电容和2个二极管组成，因此n1必须为偶数。当采用圆形线圈作为感应线圈时，每根线圈的面积,D为线圈的直径，n为线圈的圈数（10圈），总感应面积S=n5所以感应线圈上的感应电压为：U=E*n=,其中n为线圈圈数，l为感应距离。
在本设计中，电荷泵电路采用了8级电荷泵，而MCU工作电压最小为1.8V，因此电荷泵输入端的电压必须为2V/8*=0.32V时才能开启整个电荷泵电路进行充电，达到最低工作电压要求。由于U≥0.32V,也即=≥0.32，空气的波阻抗η=120·π，因此L≤9CM。
图七 电荷泵原理图
阅读器（初级线圈）和应答器（次级线圈）组合的耦合系统是变压器耦合，只要线圈之间的距离不大于0.16λ，并且应答器处于发射天线的近场之间，变压器耦合就是有效的。只要两线圈之间存在耦合，则负载调制就可以实现。当载频为4MHz时，对应的波长为7.5m，系统中要求两线圈之间的距离至少为5cm，只要保证线圈距离在7.5m内，负载调制就可以实现。
应答器线圈的负载电阻接通和断开，促使阅读器线圈上的电压发生变化。进而实现调制，如果对应数据的1和0来控制负载电阻的接通和断开，那么这些数据能够从应答器传输到阅读器。在具体实现上，利用模拟开关TS5A3166的开通、关断来实现负载调制。
TS5A3166是TI公司的高速模拟开关，其带宽为300MHz，导通电阻为0.9Ω，
在1MHz时的关断衰减为64dB，将编码后的数据直接接到模拟开关的控制口，来控制开关的导通和关断。由于模拟开关导通时，电阻很小，相当于将线圈短路，此时应答器耦合到阅读器端的线圈上的幅度将变小，模拟开关关断时，相当于开路，此时耦合到阅读器端线圈的信号幅度会发生变化，从而实现了负载调制。
图八:负载调制电路图
应答器接收部分原理和阅读器端的接收部分原理基本一致，电路也大体相同。
3.系统软件设计
3.1阅读器软件设计
阅读器的主要功能是完成对应答器的读写过程。首先初始化单片机串口，然后发送读数据(写数据)的命令，判断此命令是否发送完毕，若未发送完就继续发送；若发送结束就判断是否有数据，没有数据则提示错误并返回到初始化的地方，如果有数据就开始接收(写入)。最后判断接收到的数据正确与否，如果正确，则可以进行数据处理；如果错误，则提示错误并返回初始化。流程图如图九所示。 3.2应答器软件设计
应答器的主要功能是向阅读器发送数据及接收并存储数据。首先初始化单片机并进入低功耗状态，当有串行通信中断时唤醒单片机。然后读取数据的命令状态，若为“读”命令，单片机将内存中的数据通过串口发出，若为“写”命令，单片机接收数据，经解码后在内部FlashROM里进行存储。流程图如图十所示。
上电初始化等待按键中断上电初始化否是否有键按下？是进行读卡处理进入低功耗、等待串口中断否是否写数据？是否有串行数据？是写卡处理解码并读取数据否是否成功写入？是否为“写”指令？否是否数据通信？是读取内存里数据将数据写入内存是数据通信处理数据通信处理
图九： 阅读器软件流程图 图十：应答器软件流程图 4.系统测试与结论
该系统基于MSP430单片机控制，以无线通信为基础，搭建了一个简单的射频识别系统。经过调试，在有源和无源的情况下系统均运行良好，工作正常，无源时平均识别距离为15cm，并且保持正确识别率在90%以上。
由系统运行可见，该系统有如下优点：错误！未找到引用源。识别时，无需接触；错误！未找到引用源。识别时间短；错误！未找到引用源。识别距离远；错误！未找到引用源。误码率低；错误！未找到引用源。有良好的扩展性。这种系统进行功能扩展后可用于停车场、交通道路管理、智能物业管理等多种场合。 参考文献：
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