基于MSP430与CC2500的有源超低功耗RFID标签设计

谭义

摘 要：MCU与RF芯片的组合被广泛应用在有源RFID标签设计中，其中MSP430与CC2500用途广泛。RF芯片CC2500本身提供的WoR唤醒算法虽可满足有源RFID的功能要求却无法满足超低功耗的技术指标。文中提出的心跳侦听唤醒算法使得标签功耗比原方案下降约43.7%，较好地满足了有源RFID标签对超低功耗的要求，可广泛应用于铁路调度、电力巡检、物流等行业中。

关键词：有源RFID；超低功耗；心跳侦听；唤醒算法

中图分类号：TP391.44 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2018）07-00-03

0 引 言

目前，无源RFID标签在很多领域都得到广泛使用，包括物流、烟草、医药、二代身份证、奥运门票、宠物管理等，但由于其读码距离短，只能使用在短距离读码的场合，例如物流、门禁、身份证等。而与之对应的有源RFID[1-3]标签技术，得益于其读码距离长的特点，各行业对其需求量逐步增大。目前制约有源RFID标签广泛使用的主要症结在于需要定期更换电池，导致标签维护成本较高，因此有必要设计一款超低功耗的有源RFID标签，解决目前已有有源RFID标签方案功耗偏高的问题。

本文提出的基于MSP430与CC2500的标签设计方案，在分析原有WoR（Wake on Radio，WoR）技术消耗功耗的基础上提出了心跳唤醒的算法，使得新算法消耗功耗比WoR技术方案降低约43.7%，同时通过合理设计睡眠侦听占空比，可在保证读码速度的前提下，使得有源RFID标签99.7%的时间工作在极低功耗10 μA的睡眠状态，较好地满足有源RFID标签对超低功耗的要求，大大延长了有源RFID标签电池的使用寿命，可广泛应用于铁路调度、电力巡检、物流等行业。

1 系统结构与电路设计

1.1 系统结构

有源RFID标签系统由应用系统、读写器与有源RFID标签三部分组成，如图1所示。应用系统主要指电力线路巡视手持机、物流手持机、铁路调度读码器具等。读写器与标签之间采用2.4G频道实现无线通信，完成读写器对标签的訪问。读写器一般情况下嵌入到其他应用系统中，由其所在的系统供电，使用串口与其所在的系统进行信息交互。标签采用电池供电，一般情况下处于超低功耗的睡眠侦听状态，由读写器唤醒。

1.2 电路设计

读写器与标签采用相同的MCU+RF设计方案，不同之处在于读写器要对外开放UART接口。MCU与RF射频部分之间采用SPI接口通信。MCU采用TI低功耗MSP430系列MSP430F2274IRHAT，RF采用CC2500，电路设计可参考文献[4]。标签MCU控制部分电路如图2所示。

2 关键技术分析与解决

2.1 原有WoR功耗分析

在MSP430F2274+CC2500的组合中，WoR低功耗模式要求MSP430F2274在侦听阶段所有时间都处于睡眠状态，而CC2500则进入WoR状态，即CC2500处于睡眠与侦听交替的状态，如图3所示。该过程可描述为：睡眠>唤醒>晶体校对>数据接收>睡眠，该周期可以通过CC2500内部的寄存器进行设置，当数据接收阶段侦听到数据包后，则从CC2500的GDO2输出一个电平跳变，把MSP430F2274唤醒，从而激活标签并与读写器之间建立稳定的通信。这时计算CC2500 WoR各时序功耗：SLEEP模式下为60 μA，IDLE模式下为20 mA，通信模式下为27 mA，可以看出，WoR方案下CC2500功耗较高，主要原因在于射频芯片一直处于上电状态，消耗能量较多。

2.2 心跳侦听方案设计

针对CC2500 WoR状态下功耗较高的问题，本文提出了一种心跳侦听方案，此方案不同于WoR方案，MCU MSP430FF2274处于睡眠唤醒状态时，CC2500处于断电与上电状态。MCU按T2周期心跳速率打开CC2500接收状态进行唤醒帧的侦听，侦听持续时间为T1，如图4所示。另外心跳侦听须与读写器的唤醒帧配合才能达到码片唤醒的效果：读写器连续发出250个同步帧，每一个唤醒帧长度为1 ms，周期为4 ms，250个唤醒帧持续时间为1 s，标签按1 s（T2）心跳速率侦听空间是否存在唤醒帧，侦听时间为T1。在侦听期间，MSP430F2274与CC2500均处于工作状态，将这段时间称为

“捕获窗口”，在捕获窗口，红色唤醒帧被标签捕获，这时标签对红色唤醒帧进行通信解析，判断该帧是否符合规约，如果符合规约则系统进入同步状态。

3 软件设计

3.1 读写器软件设计

读码器主要功能包括写码、读单码、读多码、读码片电池电压值，如图5所示。软件开发可参考文献[5]，图5中串口指令由应用系统主板下发。

3.2 标签软件设计

整个标签程序主要完成侦听唤醒、写码应答处理、读码应答处理功能，另外还具有标签电池电量采集功能，通过附带在上行通信帧中上报给读写器，主要流程如图6所示。

4 测试结果

测试工具包括直流电源、示波器、标签。将10 Ω电阻与标签串联后接到3 V直流电源，示波器表并联在10 Ω电阻上。示波器测试波形如图7所示。图左线条为10 Ω电阻上的电压，波形凸起部分为捕获窗口，时长为3 ms，周期为1 s，幅度为200 mV，得到电流为20 mA。图右为标签唤醒、同步、发送数据电流波形。睡眠电流为10 μA，侦听电流为20 mA，数据发送电流为20 mA。计算占空比，侦听时间为3 ms，侦听周期为1 s，因此码片有0.3%处于侦听状态，按一年算，侦听时间：24 h×365×0.3%=26.28 h；码片有99.7%时间处于睡眠状态，睡眠时间：24 h×365×99.7%=8 733.72 h，按照电力巡检每天采码（唤醒、通信、交互的过程约3 s）按10次计算，一年时间内，工作时间为：3s×10×365/3 600=3 h，功耗为：（26.28 h+3 h）×20 mA+（8 733.72 h×0.01 mA）=672.9 mAh，按照电池80%有效率计算，两节干电池5 000 mAh容量，码片至少可以使用5年。同理，如将WoR侦听频率设置为1 s，一年的功耗为：（26.28 h+3 h）×20 mA+（8 733.72 h×（0.01 mA +0.06 mA））=1 196.31 mAh，由此可计算出新的心跳算法比原WoR侦听算法一年功耗降低约523.41 mAh，优化比例达到43.7%（MCU睡眠状态的电流为0.01 mA，RF芯片WoR下睡眠电流为0.06 mA）。

5 结 语

MSP430与CC2500的组合经常用来作为有源RFID标签的设计方案，但RF芯片CC2500提供的WoR唤醒侦听功能由于其功耗较高会影响有源RFID标签的电池使用寿命，本文通过分析WoR功耗产生的原因，将RF芯片中的WoR转换成MCU心跳唤醒侦听，功耗降低约43.7%，同时通过合理设计睡眠侦听占空比，可在保证读码速度的前提下，使得有源RFID标签99.7%的时间工作在极低功耗10 μA的睡眠状态，该标签可广范应用在电力线路巡视、铁路调度、物流等行业中。

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