LPC2142的低功耗有源RFID手持机设计

2012-03-07 14:15:45来源: 互联网

提出一种可以显著降低有源RFID手持机功耗的流程,并采用微处理器LPC2142为核心,结合MAX1551、LTC3530、LTC3525-5 V、CH45 2A、nRF24L01等外围器件,完成具有有源RFID标签读写功能的低功耗手持机的设计。该手持机在开阔场地的有效阅读距离可以达到80 m左右,其电池的待机时间为10天以上。

  引言

  根据供电方式的不同,可以将RFID分为两类:一类是无源RFID,另一类是有源RFID。无源RFID工作时标签通过读写器的电磁场获得能量,标签本身不需要电池;有源RFID则恰恰相反,电子标签需要自备电池,提供全部器件工作所需的电源。与无源RFID系统相比,有源RFID系统对阅读器的发射功率要求更低,有效阅读距离也更远,因此在很多领域都有着广泛的应用。

  1 有源RFID系统组成及工作原理

  

有源RFID系统组成

 

  有源RFID系统由有源标签、阅读器和应用系统3个部分组成,如图1所示。有源标签具有唯一的身份识别码(即ID),一些有源标签内部还集成了传感器,用于对特定物理量的测量。在阅读器的有效工作范围内,电子标签主动地将自己的ID和所测得的物理量以电磁波的形式发送给阅读器,阅读器将相关信息存储在自己的存储设备中。存储在阅读器中的数据可以通过以太网口、RS232、USB等通信接口传送给应用系统,以便对数据进行进一步处理。

  2 有源RFID手持机的结构

  

有源RFID手持机结构框图

 

  本文设计的有源手持机的结构框图如图2所示。其核心是微处理器(Microprocessor Unit,MPU);复位电路、时钟电路、电源、键盘、LCD显示是最小系统不可缺少的组成部分,用来维持系统正常工作以及进行人机交互;声音提示电路用来进行操作有误或者电池电量不足时的报警提示;背光电路可以为键盘和LCD提供背光;电量检测电路通过检测电池的电压,依照电池电量和电压的对照关系,间接地检测出电池的剩余电量;RF电路通过天线可以进行射频信号的收/发;外扩Flash可以存储读取到标签的身份识别码、汉字点阵字库以及相关属性等信息;USB接口可使手持机与PC机进行数据通信;JTAG接口用来下载和调试程序。

  2.1 主控模块与外围模块

  主控模块采用NXP公司基于ARM7内核的LPC2142微处理器。LPC2142具有USB2.O接口、2个I2C接口、2个串口、1个SPI接口、1个SSP接口、6个A/D通道,以及16 KB的RAM和64 KB的Flash;还具有实时时钟(RTC),可以避免外接实时时钟带来的麻烦。通过分析得知,该微处理器完全可以满足系统的需求。主控模块的电路图如图3所示。

  

有源RIFD手持机主控模块
2.2 复位电路

  为保证系统能够可靠复位,采用专用的复位芯片CAT809进行系统的复位。复位电路如图4所示。

  

复位电路

 

  2.3 电量检测电路

  电量检测电路采用LPC2142内部的A/D转换器。A/D的参考电压Vref由电源电压+3.3 V通过电阻分压得到,如图5所示。参考电压的理论值是2.533 V,由于锂电池的电压最高可达4.2 V(满充时),此时超出了A/D转换器的量程,所以需要对该量程进行扩充。解决办法是,将锂电池的输出电压(图中为3.7 V)通过两个一样的电阻进行分压,将分压后的电压进行检测,转换得到的电压值应该乘以2。

  2.4 充电与静电防护电路

  

充电与静电防护电路

 

  如图6所示,系统采用锂电池和USB的VBUS两路电源供电。两路电源汇合后接入锂电池充电芯片MAX1551的输入脚,对电池进行充电。/CHG脚为充电状态指示引脚,未充满时呈高阻态,充满时输出低电平。充电期间,微处理器通过检测这一引脚的状态来判断充电是否完成,并将充电状态显示在LCD上。为避免静电对微处理器造成损坏,需要对USB接口电路进行静电防护,这里采用的芯片是SN65220。

  2.5 电压转换模块

  

电压转换电路

 

  手持系统对电源的转换效率以及电源芯片的静态电流要求比较高。转换效率越高,芯片的静态电流越小,则同等条件下手持系统的电池使用时间就越长。电压转换电路如图7所示。采用凌力尔特公司的DC-DC转换芯片LTC3530和LTC3525-5V,在电池的可供电电压范围内,其效率在80%以上,最高可达90%以上;并且具有使能引脚,方便进行电源管理,可得到系统所需的+3.3 V和+5 V电源电压。为保证系统在关机时仍然可以通过开机键进行开机,需要对微处理器单独供电,这里采用转换芯片LP2985。

  2.6 键盘电路

  

键盘电路

 

  键盘电路采用键盘管理芯片CH452A,如图8所示。通过I2C接口与MPU进行通信,手持机的开关机键采用一个分立按键实现,与按键并联的0.1μF电容可以消除抖动

2.7 RF电路

  nRF24L01是一款工作在2.4~2.5 GHz世界通用ISM频段的单片无线收发器芯片。它具有面积小、数据传输速率高、低功耗等优点;可工作于跳频方式下,能有效地避开周围环境的干扰;通过SPI接口与微处理器进行数据通信,天线采用占用PCB空间较小的倒F型PCB天线。RF电路图如图9所示。

  

RF电路

 

  2.8 LCD电路

  采用深圳耀宇科技公司型号为YM280T的2.8寸TFTLCD,可以工作在8总线模式下。其他电路如图10所示。

  

 

  背光电路,将键盘的背光与LCD的背光并在一起,用一个三极管开关进行控制,以降低功耗;声音提示电路,采用体积为5 mm×5 mm×2 mm的蜂鸣器,以适应手持机小巧的需求;外扩Flash,采用引脚少、封装体积小的串行Flash存储器AT45DB081,通过SSP进行数据通信(SSP接口与SPI接口兼容)。

  3 软件设计

  3.1 数据包格式

  增强型ShockBurst模式下的数据包格式如图11所示。

  

 

  前导码用来进行同步,仅在发送模式下使用;标志位用来进行包识别,仅仅用到其中的两位,剩余的7位保留;数据是要传送/接收的1~32字节宽度的物品识别信息;CRC校验选择生成多项式为X16+X12+X5+X1的16位CRC校验。

  3.2 手持机工作流程

  

手持机工作流程

 

  手持机的工作流程如图12所示。该流程针对可以读写的有源卡,需要把卡里边的信息读出来,然后扣除一定费用(或次数)后将修改后的信息写入ID卡。为节省功耗,设定若一次按键(含开机)之后的5 s(要根据实际情况设定)内没有按键按下,即让微处理器进入空闲模式,当再次有按键按下时,通过键盘产生的外部中断将微处理器唤醒。

4 系统测试

  本系统制作的PCB板的大小为5 cm×10 cm,完全满足占用空间小的要求,元器件全部采用贴片的封装。测试时先测试电源部分,若电源没有问题再测试其他部分。每焊接一个模块,都要随时检查电源、地以及其他引脚的焊接是否可靠。整机测试时,首要要检测电源和地是否短路,检查无误之后才整体加电进行下一步的软硬件联调。

  当软件中设定发射功率为0 dBm时,在开阔试验场地测试,通信距离为80m左右;在封闭楼道内测试,通信距离为30~40m。在空闲模式,从电池输出端测得的电流为4.8 mA,系统采用1400 mAh的锂电池,待机时间(处于空闲模式)可以达到10天以上。

  结语

  本文所设计的有源RFID手持机已经应用于停车场管理系统中,具有待机时间长、体积小巧和可靠性高等优点,具有较好的推广价值。

关键字:LPC2142  低功耗  有源  RFID  手持机

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2012/0307/article_14838.html
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