基于低频唤醒技术的半主动式电子标签设计

摘要：文中介绍了半主动式电子标签硬件和软件的设计方案，应用AS3933低频唤醒接收芯片实现了电子标签低频唤醒接收功能。针对低频唤醒接收模块，计算和讨论了其并联谐振电路相关的参数，并给出了电路和程序设计的方案。应用低频唤醒技术的半主动式电子标签可靠的低频通信距离可达3m以上，同时低频唤醒技术显著降低了电子标签的运行功耗。
关键词：半主动式电子标签；低频唤醒接收；并联谐振；AS3933

    半主动式电子标签(Semi-active Tag)，是一种使用电源供电的RFID电子标签。当被阅读器信号唤醒后，半主动式电子标签可作为一个收发器和阅读器进行通信，与主动电子标签(Active Tag)相比具有更低的功耗，与被动电子标签(Passive Tag)相比具有更远的通信距离，所以半主动式电子标签被广泛应用于智能交通、门禁系统、TPMS及集装箱安全运输等领域。目前半主动式电子标签主要有两种射频低功耗处理方案：定时唤醒机制和低频唤醒机制。定时唤醒机制实现原理为：通过设定控制器的定时器，定时唤醒MCU控制射频芯片向外发送电子标签状态信息。定时唤醒弊端很大，一般用于低功耗要求不是特别严格的场合。低频唤醒则是通过低频信号在一定距离和范围内激活处于休眠状态的电子标签，使其开始工作，低频唤醒可以大大降低系统的功耗。本设计采用了低频唤醒技术作为低功耗解决方案。

1 工作原理
    半主动式电子标签应答系统主要包括阅读器、半主动式电子标签和上位机。电子标签平时处于休眠状态，当接收到阅读器唤醒指令后，接收来自阅读器的操作指令，并上传状态信息。阅读器通过串口与上位机连接，用于保存电子标签的状态信息，以供用户查询。
    为实现低功耗及远距离的可靠通信，半主动式电子标签采用双频通信方案。低频方案采用了低频接收模块，低频唤醒模式通信频率选定为125 kHz。当电子标签被低频唤醒并通过了低频数据配对后，采用另一种更远更可靠的高频率通信方式，高频通信方案采用的是ISM频段的2．4 GHz通信频率。

2 硬件设计
    半主动式电子标签硬件电路的设计可分为七个模块：控制模块、高频收发模块、低频唤醒接收模块、电源模块、存储模块、C2仿真调试接口及LED指示模块，如图1所示。

2．1 控制模块
    综合考虑电子标签的成本、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单片机。C8051F410是一款8位的CIP-51内核、低功耗混合信号片上型MCU，具有以下主要特点：内部资源丰富，包括：6个可捕捉／比较模块及带看门狗功能的PCA、硬件CRC、32 kB的片内Flash和2304字节的片内RAM等；接口丰富，包括SMBus／I2C、SPI接口和UART接口，可以方便扩展外部接口；另外，具有活动、空闲、挂起、停机4种工作模式。通过这4种工作方式的切换可以实现系统的低功耗设计。
2．2 高频收发模块
    电子标签高频部分主要实现高频通信的数据收发，在此选用奥地利微电子的AS3940高频收发芯片。AS3940是一款低功耗FSK调制的2．4 GHz射频收发芯片，射频收发器具有可编程的数据传输率，最高可达2 Mbit／s，工作频率范围为2 405～2 480 MHz ISM频段，并集成了定时器和连接管理器，允许各种低功耗操作模式，掉电模式下功耗仅为1．5 μA，非常适合低功耗设计。高频收发模块包括高频收发芯片AS3940、LDB212G4020对称变换器、低通滤波器LFL152、16 MHz的晶振、外围匹配电路及50 Ω的PCB天线，如图2所示。AS3940与MCU的SPI管脚连接，通过SPI进行配置。

2．3 低频唤醒接收模块
    电子标签低频唤醒接收功能的实现核心是奥地利微电子的AS3933芯片。AS3933是一款3通道可编程低频唤醒接收器，主要的功能特点有：3通道ASK唤醒接收，可编程16位或32位曼彻斯特唤醒码；接收频率范围广泛：15～150 kHz；支持可编程数据速率和带时钟恢复的曼彻斯特解码，并提供了内置自动天线调谐器；唤醒灵敏度达到80 μVRMS，3通道低功耗侦听模式功耗最低仅有1．7 μA。
    低频天线采用并联谐振方式，由并联电阻、电容和电感组成。为克服低频接收的方向性，天线采用PREMO的3DC1515S-0477J的三维正交低频天线，其中X、Y轴方向上的电感LXY=4．77 mH、直流等效电阻RXY=93 Ω，Z轴方向上的电感LZ=5．89 mH、直流等效电阻RZ=142 Ω，低频谐振的频率f=125 kHz。低频天线并联谐振的等效电路如图3，其中L为天线线圈的电感值，u为天线线圈的感应电压，RL为天线线圈的直流等效电阻，Cper为并联电容，Rper为并联电阻。为了达到最优的低频接收灵敏度，对谐振电路匹配的阻容进行理论计算。

    电路谐振时，并联电容计算可通过汤姆逊公式获得：
   
    当L=LXY=4．77 mH，f=125 kHz，代入(1)式求得CperXY=340．2pF；
    当L=LZ=5．89 mH，f=125 kHz，代入(1)式求得CperZ=275．5 pF。
    设计中缺少电容值为340．2 pF和275．5 pF的电容，X、Y采用330 pF和10 pF的电容并联代替，Z采用270 pF和6．8 pF的电容并联代替。AS3933内部谐振电容组能以1 pF为步长编程到最大31 pF，谐振并联的小容值电容亦可通过配置内部谐振电容组获得。
    低频天线性能和其品质因数Q关系密切，一般来讲，Q值越高低频唤醒作用距离越远，不过Q值太高会导致标签通频带宽缩小，影响数据的正确性。设计中Q值大小无法遵循协议标准，厂家推荐的Q值范围为20～30。并联谐振电路有载品质因数Q可由下式得到：
   
    根据天线谐振电路相关参数，选取Q=25．1值，代入(2)式分别求得XYZ轴谐振并联电阻：RperXY=250 kΩ，Rper=470 kΩ。
    低频唤醒接收模块的电路图如图4所示。考虑程序处理的精简性，AS3933芯片外接32．768 kHz的晶振，用于对低频信号的频率检测。AS3 933三个接收通道的管脚分别与3D低频天线的XYZ轴引脚相连，配置引脚与MCU的SPI相连，唤醒管脚WAKE3933与MCU的P0管脚相连，曼彻斯特解码时钟管脚CL_DAT3933和数据引脚DAT3933与MCU的P2脚相连，电源引脚外接电源。

2．4 其他功能模块
    电子标签的其他功能模块包括电源模块、存储模块、C2仿真调试接口及LED状态指示模块。电源模块主要包括5 V锂电池、LP2985 3．3 V电源芯片、LP2985 3．6 V电源芯片、BQ24085充电芯片等。5 V直流锂电池通过LP2985电源芯片形成3．3 V、3．6 V稳压输送到各自所需模块供电。充电部分在电子标签电池电量不足时可以使其进行及时的充电。以备后续使用；为了实现标签操作和状态信息的实时记录以备查询，设计了一个外部存储模块。存储模块的选用的芯片是FM3130。C2仿真调试接口是C8051F系列单片机集成的一个具有在线片内编程和调试的接口；LED状态指示模块用于指示电子标签充电状态、低频唤醒状态、高频数据收发状态。

3 软件设计
    电子标签软件主要由3部分组成：初始化部分、休眠模式部分、低频唤醒接收部分、高频收发部分。
    初始化部分主要包括MCU内部、外部设备初始化和软件初始化，包括定时器初始化，端口配置，RTC初始化，中断初始化，SPI初始化，AS3940初始化，AS3933初始化，晶振初始化，以及部分变量初始化等。休眠模式主要为了降低功耗，包括：关闭一些外设和MCU进入挂起状态，包括禁止AS3940，禁止FM3130等。低频唤醒接收部分主要包括P0端口匹配中断唤醒MCU接收低频数据，解析并校验配对数据。高频收发部分用于电子标签高频响应阅读器并向其发送高频信息，完成高频响应后转入接收来自阅读器发来的高频信息。如图5所示为半主动式电子标签主程序流程图。

3．1 通信协议
    电子标签低频指令数据包格式如表1所示。表1中协议ID用于说明设备通信采用的协议的版本号，协议版本号用于以后协议的更新区别；模式表示电子标签唤醒后的状况；CRC校检位用于判断数据接收的准确性。低频配对接收到阅读器ID数据符合设置的要求后，才进行高频响应。

    高频响应阅读器指令数据包格式定义见表2。表2中协议ID和表1中协议ID的作用一样。起始帧和结束帧用于保证数据接收的完整性，软件绾程中可通过起始帧判断数据接收的开始，通过结束帧判断数据接收的完成；CRC校检位用于判断数据接收的准确性；当起始帧和结束帧都接收到，并且CRC正确则表示数据接收正确。

3．2 低频通信程序
    通过MCU的SPI口对AS3933各工作寄存器进行配置，以满足低频唤醒接收数据的要求。AS3933低功耗侦听模式采用ON／OFF模式，配置使AS3933唤醒需要满足16位曼彻斯特唤醒类型码(Pattern)检测，数据接收开启曼彻斯特解码。AS3933低频唤醒协议波形如图6所示，协议波形包括载波头(Carrier Brust)、前导码(Preamble)、唤醒类型码(Pattern)、数据(Data)。低频唤醒信号的频率为125 kHz，ASK调制，协议中各类型码数据均采用曼彻斯特编码，AS3933数据接收速率为每秒钟2730个曼彻斯特位，根据数据手册算得每位曼彻斯特位时长为366μs。以下低频唤醒协议各类型码的格式要求的说明：

    载波头(Cartier Brust)：按照125 kHz的操作频率，载波头的时长tc应满足：0．616 ms<tc<4．73 ms，编制为10位曼彻斯特码，tc=3．66 ms；前导码(Preamble)：配置AS3933前导码的时长tpb应满足tpb>3．5ms，加上1位分离位，编制为11位曼彻斯特码，tpb=4．026 ms；唤醒类型码(Pattern)：在寄存器R6和115中配置AS3933的16位唤醒类型码的格式，编制为16位曼彻斯特码；数据(Data)：按照表1低频指令数据包格式进行编制，共10字节，160位曼彻斯特码。
    频率检测125 kHz的低频波的载波头、前导码、唤醒类型码满足设定要求，则唤醒管脚WAKE3933产生一个高电平唤醒MCU，随即在AS3933数据时钟管脚CLDAT3933输出曼彻斯时钟脉冲复原波形，同时数据管脚DAT3933输出曼彻斯特解码数据，如图7所示。

    时钟管脚CLDAT3933的每个上升沿对应一位曼彻斯特解码后的数据，这极大地方便了接收数据程序的处理。低频数据采用MCU的PCA捕获模块捕获CL DAT3933管脚输出的上升沿并产生中断，在中断程序中读取DAT3933管脚高低电平状态，高电平则相关低频变量赋1，低电平则赋0，每接收1位低频数据，低频变量左移1位，同时位计数器加1。接收完8位(1字节)数据后，低频变量清零，字节计数器加1。判断接收完成12字节的低频数据后，低频接收唤醒标志置位，完全退出捕获中断函数。低频数据的接收程序流程图如图8所示。

    电子标签需要接收10字节，共160个曼彻斯特位的数低频据，数据时长约为59 ms，故设定唤醒状态的维持时间为100 ms。完成10字节低频数据接收后，MCU将向AS3933发送清除唤醒指令使电子标签回到低功耗的低频侦听模式。

4 结论
    半主动式电子标签大部分时间处于休眠状态，影响其电池使用时间的主要因素是体眠状态下的功耗。对其进行低频唤醒通信测试，半主动式电子标签在休眠状态下的功耗仅约为45．6μA，实测可靠的低频唤醒通信距离为3．4 m。采用低频唤醒技术降低了电子标签的功耗，能大大延长了电子标签电池的使用时间。