基于嵌入式系统的RFID手持机系统设计

2011-08-29 13:37:50来源: 互联网
  RFID 手持机在交通运输、门禁、物流、考勤、货物管理、身份识别等方面有着十分广泛的应用。RFID 手持设备对电源的效率、使用寿命、可靠性、体积、成本等方面有较高的要求。因此,设计一个稳定性好、效率高、杂散小的电源对于RFID 手持机有着十分重要的意义。
  
  1 RFID 手持机硬件结构
  
  在基于嵌入式系统的RFID 手持机系统设计中,以微处理器LPC2142 为主控制器,根据系统的需求外扩了SRAM、Flash、SD 卡、键盘、LCD 显示、声响提示进行数据处理、数据存储、人机交互以及出错报警提示,通过USB 接口可以与主机进行数据通信,背光模块可以为LCD 和键盘提供背光,电压检测模块通过核心处理器的A/D 转换器进行电池电压的检测,从而间接检测出电池的剩余电量,RF 模块能够进行读写器与标签之间射频信号的收发,通过JTAG 接口可以进行程序的调试与下载。电源部分可以为系统中需要电源的各个模块提供电源,这是本文设计的重点内容。系统硬件结构框图如图1 所示。

  2 需求电源的指标

  经设计并计算,该系统需要两种电压的电源,一路是3. 3 V 的,为键盘、LCD 复位电路、所外扩的存储器、RF 模块供电; 另一路是5 V 的,为系统的声响提示电路以及键盘和LCD 的背光电路提供电源。为方便携带,系统采用电池供电,欲达到性能指标如下:

  ( 1) 电源转化效率≥80 %;
  ( 2) 输出电流要求: 3. 3 V 输出电流500 mA; 5 V输出电流300 mA;
  ( 3) 两路电源电压的波动均控制在± 5 %以内;
  ( 4) 可以通过USB 输入对电池进行充电。
  
  3 各种电源芯片的特点及选型注意事项

  3. 1 各种电源芯片 
 
  3. 2 选型注意事项 
 
  首先,必须要正确选择电源芯片类型。要明确输入电压和所需要的输出电压,进而确定是升压、降压还是升/降压。特别要注意的是,普通线性稳压器、LDO和Buck( 或Step-down) 型DC-DC 只能降压,不能升压,Boost( 或Step-up) 型DC-DC 只能升压不能降压。

  强调这一点的原因是,一些芯片( LDO 或者降压型DC-DC) 的手册给出的输入电压范围和输出电压范围都很宽,很容易误导没有经验的设计者。手册中的输出电压范围,很多都是针对给出的输入电压范围的,对于特定的输入电压,在很多情况下,实际的输出是达不到给出的输出电压的。这一点十分关键,决定系统设计的成败,应引起高度重视。

  其次,手持设备的电源设计中,要注意芯片的静态电流,这一点对系统的待机时间影响很大,好的电源芯片的静态电流在μA 级,较差的芯片在mA 级,相差上千倍,静态电流越小,电池的电能耗散就越少,寿命就越长。

  再次,注意要从实际的负载来考察效率。电源效率与输出电流是密切相关的,当输出电流很小或很大时,效率都会变得较差,需要根据需要的电流来选择电源芯片,以达到效率最大化。

  4 方案选择及芯片选型

  4. 1 方案选择

  方案1: 3. 3 V 输出采用LDO,5V 输出采用电荷泵。

  方案2: 3. 3 V 输出采用Buck /Boost 型DC-DC,5V 输出采用升压型DC-DC。

  由于锂离子电池的电压范围变化较宽,在2. 5V ~ 4. 2 V( 4. 2 V 是满充可以达到的电压) 之间都应该有正常的电源输出电压,如果采用3. 3 V 输出的LDO,由于要满足输入输出的最小压差的要求,当电池电压降到3. 4 V 左右时,电源可能达不到输出3. 3 V 电压了。采用电荷泵输出5 V,当输入输出电压比较接近时电荷泵的效率不会很高。采用第二种方案可以最大限度地提高电源转化效率,延长电池的使用时间。

  综合考虑以上的比较,选择第二种方案。

  4. 2 芯片选型

  通过查询,决定采用TI 的两个芯片TPS63031 和TPS61240 分别作为3. 3 V 输出和5 V 输出的电压转换芯片,TPS63031 在输入电压在2. 4 ~ 5. 5 V 范围内,通过升压或者降压工作模式输出高达800 mA 的电流,在节能模式下,当输出电流在100 ~ 500 mA 之间变化时,效率均在80 % 以上。TPS61240 是可以工作在3. 5 MHz 的升压DC-DC,输出电流可以达到450mA,具有PFM/PWM 工作模式,当负载电流在200 mA左右时,可以在电池的电压范围内提供80 %以上的效率。

  由于微处理器对电源纹波要求较高,所以在3. 3V 输出的后边增加了一个LDO,以滤除DC-DC 输出较大的纹波,提高输出电压的稳压精度。由于要满足压差和处理器可靠工作电压的要求,选输出电压比3. 3V 低的TPS78320,可以输出3. 2 V 电压,最大可以输出150 mA 的电流,这个电压满足微处理器LPC2142可靠工作电源电压范围和电流需求。

  此外,该LDO 的静态电流仅为500 nA,这正符合电池供电的手持系统节能的要求。

  5  调试
 
  5. 1 调试步骤
  按照原理图上的参数在印制电路板上焊接好元器件之后,仔细检查元器件的取值、焊接方向、元器件的极性是否焊接正确,用万用表仔细检测元器件的焊接是否存在虚焊,靠得比较近的元器件是否存在不应该存在的短路现象。

关键字:嵌入式系统  RFID手持机

编辑:什么鱼 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/wltx/2011/0829/article_6496.html
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