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MC9S08QE4單片機(jī)在有源RFID中的應(yīng)用
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RFID標(biāo)簽分為被動標(biāo)簽(Passivetags)和主動標(biāo)簽(Activetags)兩種。被動標(biāo)簽即非接觸式IC卡,由于被動標(biāo)簽識讀距離短,在許多應(yīng)用中受到限制。主動標(biāo)簽也稱有源RFID,由于采用無線射頻識別技術(shù),識讀距離可達(dá)幾十米,逐漸成為一種主流應(yīng)用技術(shù),已經(jīng)成功應(yīng)用到生產(chǎn)制造、物流管理、公共安全等各個領(lǐng)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(shè)計是設(shè)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(fā)送數(shù)據(jù)。讀寫卡是雙向通信,即定時向外發(fā)送數(shù)據(jù)的同時接收數(shù)據(jù)。下面以MC9S08QE4和nRF24L01為例,介紹有源RFID讀卡的設(shè)計應(yīng)用。
MC9S08QE4是飛思卡爾新推出極低功耗的單片機(jī),資源豐富,內(nèi)置振蕩電路,小封裝,非常適合于在RFID卡的應(yīng)用。nRF24.L01是是NORDIC公司推出的一款新型單片射頻收發(fā)器件,工作于2.4GHz～2.5GHzISM頻段,廣泛應(yīng)用于無線領(lǐng)域。
MC908QE4的主要功能
MC908QE4是Freescale基于HCS08核的8位單片機(jī)。具有極低功耗，內(nèi)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(nèi)置瑣頻環(huán)電路FLL
4KFLASH程序空間
256字節(jié)RAM
2個16位定時器
1個實時時鐘計數(shù)器RTC
10路12位AD
1個外部中斷和8個外部鍵盤中斷KBI
內(nèi)部RC振蕩器的看門狗
低電壓檢測電路LVI
1個SPI，I2C，SCI
32LQFP,28SOIC,20SOIC,16SDIP,16TSSOP封裝
nRF24L01概述
nRF24.L01是一款新型單片射頻收發(fā)器件,工作于2.4GHz～2.5GHzISM頻段。內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器等功能模塊,并融合了增強(qiáng)型ShockBurst技術(shù)，其中輸出功率和通信頻道可通過程序進(jìn)行配置。nRF24L01功耗低,在以-6dBm的功率發(fā)射時，工作電流只有9mA;接收時，工作電流只有12.3mA，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(diào)制單收發(fā)芯片;
硬件集成OSI鏈路層;
具有自動應(yīng)答和自動再發(fā)射功能;
片內(nèi)自動生成報頭和CRC校驗碼;
數(shù)據(jù)傳輸率可達(dá)2Mb;
SPI速率可達(dá)10Mb;
125個頻道
QFN20引腳4mm×4mm封裝。
工作模式
通過配置寄存器可將nRF241L01配置為發(fā)射、接收、空閑及掉電四種工作模式?！ ?BR>
硬件設(shè)計
由于QE4有SPI硬件接口,外部按鍵中斷接口,內(nèi)部上電復(fù)位電路和內(nèi)部振蕩電路,因此硬件電路非常簡單。見下圖:
晶振電路
QE4內(nèi)部有瑣頻環(huán)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(nèi)部有RC振蕩器，校準(zhǔn)后的精度可以達(dá)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(nèi)部RC振蕩器。節(jié)省成本和空間。
電池電壓檢測
在有些RFID應(yīng)用中,需要對電池電壓進(jìn)行監(jiān)測。雖然QE4內(nèi)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?？梢岳肁D模塊監(jiān)測電池電壓，AD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AD模塊監(jiān)測電池電壓的辦法,則需提供一基準(zhǔn)電壓給AD模塊.這樣既增加成本,又增加功耗?！ ∵@里介紹一種簡便的方法用于電池電壓檢測:
在QE4的內(nèi)部集成一個1.17V的能隙基準(zhǔn)電壓，此能隙基準(zhǔn)電壓內(nèi)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(zhǔn)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(jié)省成本又節(jié)省空間，而且可以獲知當(dāng)前準(zhǔn)確的電池電壓。它的原理如下:AD的參考電壓設(shè)為VDD,VDD即為電池電壓,如果AD設(shè)為12bit模式,那么:
能隙基準(zhǔn)電壓的AD值(AD27)=(1.17VVDD)*4096=(1.17V電池電壓)*4096
所以:電池電壓=(4096能隙基準(zhǔn)電壓的AD值(AD27))*1.17(V)
RFID的低功耗設(shè)計
在RFID應(yīng)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(shè)計中首要考慮的因素。系統(tǒng)功耗由兩部分組成：單片機(jī)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(yīng)用中,RFID定時向外發(fā)送數(shù)據(jù),例如500ms發(fā)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(jī)的功耗
單片機(jī)的功耗包括正常運行時的功耗和睡眠時的功耗。在RFID的應(yīng)用中,由于是定時發(fā)送數(shù)據(jù),發(fā)送完畢,馬上進(jìn)入睡眠,因此單片機(jī)大部分時間工作于睡眠狀態(tài)，因此睡眠時的電流至關(guān)重要。例外進(jìn)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(nèi)部有RTC模塊,進(jìn)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(shè)置。RTC工作電流只有75nA。把RTC模塊的功耗考慮進(jìn)去，那么進(jìn)入睡眠狀態(tài)時，RTC模塊工作(定時喚醒MCU)，內(nèi)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(nèi),那么在待機(jī)模式下,整個系統(tǒng)的功耗為1.35uA。
另外有一個參數(shù)對系統(tǒng)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(yè)界的同類產(chǎn)品。
3)低功耗設(shè)計的小竅門:
a)未使用的IO口的處理
對未使用的IO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(guān)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(jìn)行配置。
c)RTC時鐘的選擇
RTC的時鐘選擇選擇內(nèi)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(POWERDOWN)模式,從掉電(POWERDOWN)模式到發(fā)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(nèi)單片機(jī)處于等待狀態(tài),有兩種處理方式以降低功耗。一是讓單片機(jī)進(jìn)入STOP3模式,利用RTC喚醒,喚醒時間設(shè)為1.5ms。另一種方法是,把單片機(jī)的工作頻率降到最低,讓單片機(jī)進(jìn)入WAIT模式,利用定時器喚醒,定時器的時間設(shè)為1.5ms,喚醒后把單片機(jī)的工作頻率恢復(fù)到原來的頻率。
序列號的燒寫:
由于在RFID應(yīng)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(jī)上電后,從FLASH中讀出它的ID號。在批量生產(chǎn)過程中,如何方便地?zé)龑慖D號,也是至關(guān)重要的。下面介紹采用CYCLONEPRO如何方便地?zé)龑懶蛄刑?。CYCLONEPRO是用于批量生產(chǎn)的專業(yè)編程器,支持脫機(jī)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(chǎn)。
在下載程序到CYCLONEPRO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:
620)this.style.width=620;"> 上圖的示例中,ID號為3個字節(jié),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(shè)在燒寫過程中,ID號每次加一,當(dāng)加到上限值時,ID會自動回到下限值。按SAVE生成***.SER文件?？梢酝ㄟ^修改PRM文件,讓編譯器預(yù)留FLASH從0xFFA0至0xFFAD用于存放ID而不是程序代碼。
結(jié)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(shè)計應(yīng)用。Freescale將不斷推出新的基于HCS08內(nèi)核的系列單片機(jī)，來滿足低功耗市場應(yīng)用的需求。
信息發(fā)布：廣州名易軟件有限公司 http://www.jetlc.com
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