CN108614632A - 基于单片机的有源rfid系统降低功耗方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于单片机的有源RFID系统降低功耗方法，所述方法包括以下步骤：步骤一、在有源RFID系统电路设计开始时，进行算法选择，采用动态功耗管理方式进行系统功耗管理；步骤二、采用MSP430单片机作为中央处理器，以及采用CC1100无线收发模块作为射频芯片；步骤三、仅采用中央处理器、射频芯片、天线和电池组成有源RFID系统；步骤四、缩短中央处理器工作时间，将中央处理器工作时序处于空闲模式或掉电模式；步骤五、在中央处理器中采用宏定义来代替子程序调用。本发明合理地利用了MSP430单片机的中断、定时、运算等功能，借助于软件优势，对耗能较低的CC1100模块采取限能工作措施，提高了电池的寿命，增加了系统可靠运行的时间。

Description

基于单片机的有源RFID系统降低功耗方法
技术领域
本发明涉及射频识别技术领域，具体涉及一种基于单片机的有源RFID系统降低功耗方法。
背景技术
射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）技术是一种利用无线射频通信实现的非接触式自动识别技术，与目前广泛采用的条形码技术相比，RFID具有容量大、识别距离远、穿透能力强、抗污性强等特点。RFID技术已经发展得比较成熟并获得了大规模商用。随着RFID便携式设备的提出，功耗就成为一个需要重点考虑的问题。
发明内容
本发明克服了现有技术的不足，提供一种基于单片机的有源RFID系统降低功耗方法。
为解决上述的技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种基于单片机的有源RFID系统降低功耗方法，所述方法包括以下步骤：
步骤一、在有源RFID系统电路设计开始时，进行算法选择，采用动态功耗管理方式进行系统功耗管理；
步骤二、采用MSP430单片机作为中央处理器，以及采用CC1100无线收发模块作为射频芯片；
步骤三、简化系统结构
仅采用中央处理器、射频芯片、天线和电池组成有源RFID系统；
步骤四、缩短中央处理器工作时间，将中央处理器工作时序处于空闲模式或掉电模式；
步骤五、在中央处理器中采用宏定义来代替子程序调用。
更进一步的技术方案是所述电池并联有电容。
更进一步的技术方案是所述电容是大容量电容或超大容量电容。
更进一步的技术方案是所述MSP430单片机内部集成有零功耗欠压复位模块。
更进一步的技术方案是所述步骤四包括：当系统上电完成初始化操作时，便进入空闲模式或掉电模式，只在系统接收到正确信息产生中断时唤醒中央处理器进入工作模式，当完成对信息或数据的处理时，中央处理器返回空闲模式或掉电模式，等待下一个中断到来。
更进一步的技术方案是还包括步骤六、在中央处理器中采用查表的方法替代实时的计算。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明合理地利用了MSP430单片机的中断、定时、运算等功能，借助于软件优势，对耗能较低的CC1100模块采取限能工作措施，提高了电池的寿命，增加了系统可靠运行的时间。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书（包括任何附加权利要求、摘要）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
下面结合实施例对本发明的具体实施方式进行详细描述。
根据本发明的一个实施例，本实施例公开一种基于单片机的有源RFID系统降低功耗方法，功耗基本定义为能量消耗的速率，可分为瞬态功耗和平均功耗两类。两者意义不同，有不同的应用背景和优化策略，通常被笼统地概括为低功耗设计。实际研究中可根据不同情况区分为：（1）瞬态功耗优化：目标是降低峰值功耗，解决电路可靠性问题。（2）平均功耗优化：目标是降低给定时间内的能量消耗，主要针对电池供电的便携电子设备，以延长电池寿命或减轻设备重量。
芯片电路的功耗主要来自两方面：动态功耗和静态功耗。动态功耗主要是电容的充放电和短路电流。静态功耗主要是漏电流，包括PN结反向电流和亚阈值电流，以及穿透电流。如果工作时序及软件算法设计有缺陷，会降低系统工作效率、延长工作时间，也会直接增加系统能量的消耗。
具体的，本实施例基于单片机的有源RFID系统降低功耗方法包括以下步骤：
Step1：在有源RFID系统电路设计开始时，进行算法选择，采用动态功耗管理方式进行系统功耗管理。具体的，在电路设计的开始，就要进行算法的选择，应该尽量选择功耗效率高的算法。首先，从实现算法所需逻辑的大小来看，算法中操作的数目、所需要的带宽、存储操作、端口操作越少，此算法应用到的电路功耗越低。在实际的设计中，需要按照应用的要求进行总体性能和功耗的均衡。同时，算法中需要的协处理必须考虑，算法所需的协处理越简单、协作模块越少、实现算法所需要的功耗就越小。此外，算法中临时变量少、临时变量有效的时间短、循环的合理运用都会降低算法所需的功耗。
系统级的功耗管理主要是动态功耗管理。通常的做法是处于空闲状态的时候，运作于睡眠状态，只有部分设备处于工作之中；当产生一个中断时，由这个中断唤醒其它设备。实际上，这一部分需要硬件的支持，如：电源系统的低功耗技术；系统软硬件的划分，在于决定哪些功能模块由软件来实现功耗较小，哪些功能模块由硬件实现功耗较小；低功耗处理器的选择。
Step2：本实施例采用MSP430单片机作为中央处理器，以及采用CC1100无线收发模块作为射频芯片。具体的，MSP430系列单片机的结构完全以系统低功耗运行为核心，电源采用1.8~3.6V低电压，活动模式耗电250μA/MIPS，RAM数据保持方式下耗电仅0.1μA.由于系统在90%以上的时间内都是处于休眠或低功耗状态，因此漏电流成为影响系统功耗的另一个重要因素，其I/O输入端口的漏电流最大仅为50nA.加上有独特的时钟系统设计，包括两个不同的时钟系统：基本时钟系统和锁频环（FLL和FLL+）时钟系统或DCO数字震荡器时钟系统。由时钟系统产生CPU和各功能模块所需的时钟，并且这些时钟可以在指令的控制下打开或关闭，从而实现对总体功耗的控制。由于系统运行时使用的模块不同，即采用不同的工作模式，芯片的功耗会有明显的差别。在系统中共有一种活动模式（AM）和五种低功耗模式（LPM0~LPM4）。另外，MSP430系列单片机采用矢量中断，支持十多个中断源，并可以任意嵌套。用中断请求把CPU唤醒只需要6μs，通过合理编程，既可以降低系统功耗，又可以对外部请求做出快速响应。
射频芯片是整个RFID卡最核心的部分，直接关系到标签的读写距离和可靠性，同时也直接影响到整个系统的功耗。CC1100是Chipcon公司推出的单片UHF无线发射芯片，体积小，功耗低，数据速率支持1.2~500kbps的可编程控制，其工作电压范围为1.9~3.6V，可以工作在915MHz.、868MHz.、433MHz和315MHz四个波段，还可通过程序配置在所有频段提供-30~10 dBm输出功率内置地址解码器、先入先出堆栈区、调制处理器、时钟处理器、GFSK滤波器、低噪声放大器、频率合成器，功率放大器等功能模块。它具有两种低功耗工作模式：关机模式和空闲模式，在关机模式下工作电流小于200nA.本文中CC1100工作在433MHz的频率上，采用FSK调制方式，数据速率为100kbps，信道间隔为200kHz。
Step3：简化系统结构，本实施例仅采用中央处理器、射频芯片、天线和电池组成有源RFID系统；为简化系统结构，本系统仅由必须的微处理器单元、射频收发单元、天线及电池单元组成。省去电池到器件之间的稳压电路，直接由电池给系统供电。节省了稳压电路所带来的静态电流消耗，使电池寿命进一步延长。为防止发射状态较大的电流造成电池电压瞬态降低，使用较大容量电容与电池并联。MSP430F2012内部集成的零功耗欠压复位（BOR）保护功能，可以在电压低于安全操作范围时执行完全复位，很好地解决了单片机复位不完全而产生的随机错误操作问题。
Step4：缩短中央处理器工作时间，将中央处理器工作时序处于空闲模式或掉电模式；尽量用软件来代替硬件也是低功耗系统设计常常采取的措施。本次程序开发综合考虑了时序调度和工作效率两方面问题，以降低系统的功耗。
进一步的，由于CPU的运行时间对系统的功耗影响极大，应尽可能缩短其工作时间，较长地处于空闲方式或掉电方式是软件设计降低单片机系统功耗的关键。当系统上电完成初始化操作即刻进入低功耗模式，只在系统接收到正确信息产生中断时才会唤醒单片机进入工作模式，尽量在短时间内完成对信息或数据的处理，当处理结束立即返回低功耗模式等待下一个中断到来。
Step5：在中央处理器中采用宏定义来代替子程序调用。用宏定义来代替子程序调用。因为CPU进入子程序时，会首先将当前CPU寄存器推入堆栈（RAM），在离开时又将CPU寄存器弹出堆栈，这样至少带来两次对RAM的操作，所以读RAM会比读Flash带来更大的功耗。用宏定义来代替子程序调用，无疑会降低系统的功耗。
Step6：在中央处理器中采用查表的方法替代实时的计算。具体的，尽量减少CPU的运算量，将一些运算的结果预先算好，放在Flash中，用查表的方法替代实时的计算，减少CPU的运算工作量，可以有效降低CPU的功耗；不可避免的实时计算，精度够了就结束；尽量使用短的数据类型：如尽量使用字符型的8位数据替代16位的整型数据，尽量使用分数运算而避免浮点数运算等。让I/O模块间歇运行，不用的I/O模块或间歇使用的I/O模块要及时关掉，以节省电能。不用的I/O引脚要设置成输出或设置成输入，用上拉电阻拉高。若引脚没有初始化，可能会增大单片机的漏电流。
本实施例合理地利用了MSP430单片机的中断、定时、运算等功能，借助于软件优势，对耗能较低的CC1100模块采取限能工作措施，提高了电池的寿命，增加了系统可靠运行的时间。目前国内RFID技术还处于起步阶段，相信随着相关技术研究的深入，RFID必将得到广泛的应用。
在本说明书中所谈到的“一个实施例”、“另一个实施例”、 “实施例”等，指的是结合该实施例描述的具体特征、结构或者特点包括在本申请概括性描述的至少一个实施例中。在说明书中多个地方出现同种表述不是一定指的是同一个实施例。进一步来说，结合任一个实施例描述一个具体特征、结构或者特点时，所要主张的是结合其他实施例来实现这种特征、结构或者特点也落在本发明的范围内。
尽管这里参照发明的多个解释性实施例对本发明进行了描述，但是，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。更具体地说，在本申请公开权利要求的范围内，可以对主题组合布局的组成部件和/或布局进行多种变型和改进。除了对组成部件和/或布局进行的变型和改进外，对于本领域技术人员来说，其他的用途也将是明显的。

Claims (6)

1.一种基于单片机的有源RFID系统降低功耗方法，其特征在于：所述的方法包括以下步骤：
步骤一、在有源RFID系统电路设计开始时，进行算法选择，采用动态功耗管理方式进行系统功耗管理；
步骤二、采用MSP430单片机作为中央处理器，以及采用CC1100无线收发模块作为射频芯片；
步骤三、简化系统结构
仅采用中央处理器、射频芯片、天线和电池组成有源RFID系统；
步骤四、缩短中央处理器工作时间，将中央处理器工作时序处于空闲模式或掉电模式；
步骤五、在中央处理器中采用宏定义来代替子程序调用。
2.根据权利要求1所述的基于单片机的有源RFID系统降低功耗方法，其特征在于所述的电池并联有电容。
3.根据权利要求2所述的基于单片机的有源RFID系统降低功耗方法，其特征在于所述的电容是大容量电容或超大容量电容。
4.根据权利要求1所述的基于单片机的有源RFID系统降低功耗方法，其特征在于所述的MSP430单片机内部集成有零功耗欠压复位模块。
5.根据权利要求1所述的基于单片机的有源RFID系统降低功耗方法，其特征在于所述的步骤四包括：当系统上电完成初始化操作时，便进入空闲模式或掉电模式，只在系统接收到正确信息产生中断时唤醒中央处理器进入工作模式，当完成对信息或数据的处理时，中央处理器返回空闲模式或掉电模式，等待下一个中断到来。
6.根据权利要求1所述的基于单片机的有源RFID系统降低功耗方法，其特征在于还包括步骤六、在中央处理器中采用查表的方法替代实时的计算。
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