引言

　　射頻識別（rfid）技術近年來在國內外得到了迅速發展。對于需要電池供電的便攜式系統，功耗也越來越受到人們的重視。本文將具體闡述基于msp430f2012和cc1100低功耗設計理念的雙向主動式標簽的軟硬件實現方法。

　　低功耗設計

　　低功耗概述

　　功耗基本定義為能量消耗的速率，可分為瞬態功耗和平均功耗兩類。兩者意義不同，有不同的應用背景和優化策略，通常被籠統地概括為低功耗設計。實際研究中可根據不同情況區分為：

　　(1)瞬態功耗優化：目標是降低峰值功耗，解決電路可靠性問題。

　　(2)平均功耗優化：目標是降低給定時間內的能量消耗，主要針對電池供電的便攜電子設備，以延長電池壽命或減輕設備重量。

　　功耗的物理來源

　　芯片電路的功耗主要來自兩方面：動態功耗和靜態功耗。動態功耗主要是電容的充放電和短路電流。靜態功耗主要是漏電流，包括pn結反向電流和亞閾值電流，以及穿透電流。如果工作時序及軟件算法設計有缺陷，會降低系統工作效率、延長工作時間，也會直接增加系統能量的消耗。

　　低功耗設計策略

　　算法級功耗優化：在電路設計的開始，就要進行算法的選擇，應該盡量選擇功耗效率高的算法。首先，從實現算法所需邏輯的大小來看，算法中操作的數目、所需要的帶寬、存儲操作、端口操作越少，此算法應用到的電路功耗越低。在實際的設計中，需要按照應用的要求進行總體性能和功耗的均衡。同時，算法中需要的協處理必須考慮，算法所需的協處理越簡單、協作模塊越少、實現算法所需要的功耗就越小。此外，算法中臨時變量少、臨時變量有效的時間短、循環的合理運用都會降低算法所需的功耗。

　　系統級功耗設計與管理：系統級的功耗管理主要是動態功耗管理。通常的做法是處于空閑狀態的時候，運作于睡眠狀態，只有部分設備處于工作之中；當產生一個中斷時，由這個中斷喚醒其它設備。實際上，這一部分需要硬件的支持，如：電源系統的低功耗技術；系統軟硬件的劃分，在于決定哪些功能模塊由軟件來實現功耗較小，哪些功能模塊由硬件實現功耗較小；低功耗處理器的選擇。

　　系統硬件設計

　　綜合考慮系統功耗來源與低功耗設計策略，硬件設計選擇具有低功耗特性的單片機及射頻收發芯片，并盡量簡化電路減少功耗開支。

　　主要芯片的選擇

　　msp430系列單片機的結構完全以系統低功耗運行為核心，電源采用1.8~3.6v 低電壓，活動模式耗電250μa/mips，ram數據保持方式下耗電僅0.1μa。由于系統在90%以上的時間內都是處于休眠或低功耗狀態，因此漏電流成為影響系統功耗的另一個重要因素，其i/o輸入端口的漏電流最大僅為50na。加上有獨特的時鐘系統設計，包括兩個不同的時鐘系統：基本時鐘系統和鎖頻環（fll和fll+）時鐘系統或dco數字震蕩器時鐘系統。由時鐘系統產生cpu和各功能模塊所需的時鐘，并且這些時鐘可以在指令的控制下打開或關閉，從而實現對總體功耗的控制。由于系統運行時使用的模塊不同，即采用不同的工作模式，芯片的功耗會有明顯的差別。在系統中共有一種活動模式（am）和五種低功耗模式（lpm0~lpm4）。另外，msp430系列單片機采用矢量中斷，支持十多個中斷源，并可以任意嵌套。用中斷請求把cpu喚醒只需要6μs，通過合理編程，既可以降低系統功耗，又可以對外部請求做出快速響應。

　　射頻芯片是整個rfid卡最核心的部分，直接關系到標簽的讀寫距離和可靠性，同時也直接影響到整個系統的功耗。cc1100是chipcon公司推出的單片uhf無線發射芯片，體積小，功耗低，數據速率支持1.2~500kbps的可編程控制，其工作電壓范圍為1.9~3.6v，可以工作在915mhz.、868mhz.、433mhz和315mhz四個波段，還可通過程序配置在所有頻段提供-30~10 dbm輸出功率內置地址解碼器、先入先出堆棧區、調制處理器、時鐘處理器、gfsk濾波器、低噪聲放大器、頻率合成器，功率放大器等功能模塊。它具有兩種低功耗工作模式：關機模式和空閑模式，在關機模式下工作電流小于200na。本文中cc1100工作在433mhz的頻率上，采用fsk調制方式，數據速率為100kbps，信道間隔為200khz。

　　電路設計

　　為簡化系統結構，本系統僅由必須的微處理器單元、射頻收發單元、天線及電池單元組成。省去電池到器件之間的穩壓電路，直接由電池給系統供電。節省了穩壓電路所帶來的靜態電流消耗，使電池壽命進一步延長。為防止發射狀態較大的電流造成電池電壓瞬態降低，使用較大容量電容與電池并聯。msp430f2012內部集成的零功耗欠壓復位（bor）保護功能，可以在電壓低于安全操作范圍時執行完全復位，很好地解決了單片機復位不完全而產生的隨機錯誤操作問題。

　　軟件設計

　　盡量用軟件來代替硬件也是低功耗系統設計常常采取的措施。本次程序開發綜合考慮了時序調度和工作效率兩方面問題，以降低系統的功耗。

　　合理