采用MCP2030無線激活的低功耗系統設計

首先闡明電源受限嵌入式系統的定位休眠激活方案的基本工作原理；然后介紹MCP2030的三方向磁場檢測接收、低功耗以及多種節能工作模式的顯著特點；最后以有源射頻標簽為例介紹了具體的軟硬件設計和應用實現。

關鍵詞? 休眠激活? 無線定位? MCP2030? 低功耗系統

引言

　　進入21世紀之后，隨著社會信息化的不斷普及與發展，嵌入式系統的應用越來越廣泛。其中自備電源嵌入式系統由于受功耗的限制，其設計與應用一直受到制約。一般來說，正常工作的嵌入式系統電流消耗在mA級，而處于休眠狀態下可以控制在μA級左右，3個數量級的能源節約對于有限的自備電源無疑具有極大的誘惑，所以這類系統基本上都要采用休眠激活的方案以實現節能，達到延長工作壽命的目的。

　　目前可供采用的休眠激活方案主要有3種：事件激活法、定時激活法和定位激活法。事件激活法主要應用于檢測告警等場合，系統一般處于休眠模式，如果特定參數超限就會激發系統工作，這種方法一般要與相應的傳感器配合實現，微處理器中也要占用相應的中斷資源；定時激活法主要應用于周期工作的系統（如小區三表數據的采集）中，系統按照定時器設定的時間間隔定期上報采集數據，這種激活法的實現也非常方便，只需在相應的微處理器中添加定時器的中斷處理程序；定位激活法主要應用于對位置敏感的系統（如貴重資產管理和停車場的自動道閘等）中，該系統在特定位置安裝檢測設備，如果有監管人員或設備離開或進入這些特定領域將會激發系統工作。定位激活法的實現有多種，本文主要介紹利用無線信號進行定位激活的一種實現方法。

1? 基本原理

　　無線信號頻譜中LF頻段信號具有穿透能力強的特點，它可以穿透非磁性介質，如水、混凝土、塑料等（不受視線距離限制），所以利用LF頻段設計激活電路是一種較好方案。無線信號頻率與波長存在反比例關系，天線長度取決于波長長度。500 MHz RF信號的波長為60 cm，天線很短，完全可以方便地實現；而125 kHz LF信號的波長為2.4 km，做這樣的天線肯定不實際。所以利用LF頻段信號作為激活信號，接收端不再采用電磁場（radio）原理進行工作，而是直接通過接收磁場（magnetic）信號，然后利用磁場在線圈中的感應信號進行判斷處理，如圖1所示。該系統主要由磁場發射端和接收端兩種設備組成。

圖1? 磁場工作原理

　　MCP2030是Microchip公司開發的專門針對低頻無線磁場通信的模擬前端器件。該器件集成有8個可編程配置寄存器和1個只讀狀態寄存器，根據寄存器配置，MCP2030可以輸出解調數據、載波時鐘和磁場強度RSSI。該器件模擬接收電路具有較強的靈敏度，可以接收識別1 mVpp信號并解調8%的微弱調制信號。為了得到可靠的磁場信號，MCP2030采用了3組天線和3組接收解調電路。3組天線分別指向互相垂直的X、Y、Z軸，這樣無論接收器如何放置，總可以得到磁場信號，從而解決了磁場信號的方向性問題。其結構框圖如圖2所示。

圖2? MCP2030結構框圖

圖3? MCP2030有輸出的情況

　　MCP2030集成了無線信號數字序列濾波部件，可以根據需要設定數字序列，器件只有當接收到特定數字序列時才做出響應，所以可有效避免其他信號干擾所引起的激活現象。圖3所示為無線數字序列符合設定數字序列的情況，特定的數字序列為“2 ms有2 ms無”載波信號，此時LFDATA在監測到特定序列之后輸出的ASK調制信號，如果無線數字序列不符合設定數字序列，LFDATA無輸出。

　　MCP2030具有功耗極低的顯著優勢，為便于在自備電源的嵌入式系統中應用，專門設計優化了3種工作模式，即休眠模式、待機模式和工作模式。休眠模式由SPI 接口命令進行控制，進入休眠之后，除寄存器、存儲器和SPI功能電路之外，包括RF限幅器在內的所有電路都將關閉，以使消耗的電流最低（0.2 μA），需要用上電復位以及除休眠命令外的任何其他SPI命令將器件從休眠模式喚醒；當天線輸入沒有LF信號時，器件將自動處于待機模式，但器件內部各部分電路已上電并準備接收輸入信號，待機模式下電流消耗的典型值為4 μA（3個接收天線工作）；當在LF天線輸入上有LF信號且內部電路隨接收的數據而進行切換時，器件處于低電流工作模式，該模式下電流消耗僅為13 μA。

　　除此之外，該器件還支持半電源和無電源工作模式。無電源工作方式下，器件完全從磁場中提取能量進行工作；在半電源工作方式下，器件盡可能從磁場獲取能量，不得已情況下由電源供電。

2? 設計應用

　　有源射頻標簽是射頻識別系統中的重要組成部分，相比而言具有存儲容量大、通信距離遠、功能豐富的優勢，可以廣泛應用于物流跟蹤、貴重資產管理等領域。其內部電路主要部件有：控制器、激活信號檢測電路、RAM/ROM、定時器、UHF收發器、電源等。其中，激活信號檢測電路可以由MCP2030進行實現，如圖4所示。利用MCP2030針對設定數字序列進行識別接收的能力，可以有效地控制標簽的工作狀態。當標簽到達安裝有射頻激活發射器的特定位置時，MCP2030從SPI接口上輸出相應的接收信號，使得控制器退出休眠狀態，并對數據進行接收、分析和處理，最終存儲在RAM/ROM相應的位置中。當需要與讀寫器進行信息交互時，控制器通過UHF收發器進行通信，控制器處理完之后自動進入休眠狀態，直到下一次接收到磁場激活信號或定時器產生定時中斷。

圖4? 激活信號檢測電路

　　如圖4所示，MCP2030與控制器通過SPI接口進行連接，SPI接口定義分別為LFDATA、SCCLK、MCCS。該接口命令由16位的控制字組成，命令格式如下：

　　D13～D15為命令類型，MCP2030根據命令類型確定后續的數據含義并執行相應的操作。其中，0x07為寫數據命令，0x06為讀數據命令。如果是寫數據或讀數據命令，則后續D9～D12為寄存器地址，分別指定該命令所要操作的寄存器地址，D1～D8為寄存器數據內容，D0為該命令行校驗信息；如果不是寫數據或讀數據命令，則D0～D12的數據內容無意義。

　　為使MCP2030正常工作，系統上電復位時要對該器件進行正確的初始化配置。在此設定無線信號數字濾波序列為2 ms有2 ms無，使能通道自動選擇功能和解調信號輸出功能，初始化程序段如下：

void Init_MCP2030(void) {
　　ShiftOutSpi(0xe1,0x41);//reg0 111 0000 1010 0000 1
　　ShiftOutSpi(0xe2,0x01);//reg1 111 0001 0000 0000 1
　　ShiftOutSpi(0xe4,0x01);//reg2 111 0010 0000 0000 1
　　ShiftOutSpi(0xe6,0x01);//reg3 111 0011 0000 0000 1
　　ShiftOutSpi(0xe8,0x01);//reg4 111 0100 0000 0000 1
　　ShiftOutSpi(0xeb,0x81);//reg5 111 0101 1100 0000 1
　　ShiftOutSpi(0xed,0x3f);//reg6 111 0110 1001 1111 1
}

　　控制器向MCP2030發送數據的程序實現如下：

//數據預先存儲在OutData1和OutData2中
void ShiftOutSpi(unsigned char OutData1,unsigned char OutData2) {
　　unsigned char i;
　　SCCLK=0;
　　MCCS=0;
　　for(i=0;i<8;i++) {
　　　　LFDATA=OutData1 & 0x80;
　　　　OutData1=OutData1?1;
　　　　SCCLK=1;
　　　　SCCLK=0;
　　}
　　for(i=0;i<8;i++) {
　　　　LFDATA=OutData2 & 0x80;
　　　　OutData2=OutData2?1;
　　　　SCCLK=1;
　　　　SCCLK=0;
　　}
?　　MCCS=1;
}

　　控制器從MCP2030接收數據的程序段如下：

//數據存儲在AFESpiInDataH和AFESpiInDataL中
void ShiftInSpi(void) {
　　unsigned char i;
　　SCCLK=0;
　　MCCS=0;
　　for(i=0;i<8;i++) {
　　　　SCCLK=1;
　　　　AFESpiInDataH=AFESpiInDataH & LFDATA;
　　　　AFESpiInDataH=AFESpiInDataH?1;
　　　　SCCLK=0;
　　}
　　for(i=0;i<8;i++) {
　　　　SCCLK=1;
　　　　AFESpiInDataL=AFESpiInDataL & LFDATA;
　　　　AFESpiInDataL=AFESpiInDataL?1;
　　　　SCCLK=0;
　　}
　　MCCS=1;
}

結語

　　本文針對MCP2030的特點具體介紹了其在有源射頻標簽中的應用。該器件不僅集成有3通道低頻接收電路以及3方向的磁場檢測接收電路，而且功耗低，具備多種節能工作模式，非常適合于其他要求低功耗無線激活的嵌入式系統應用。