如今不少公司的低功耗射频产品线包括了多种专用及基于标准的低功耗。高性能CMOS RF-IC，可用于涵盖低于1GHz和2.4GHz的各种ISM(工业/科研／医疗)频带的无线应用。其产品包括了低功耗收发机及发射机、单芯片系统集成解决方案，以及IEEE 802.15.4／ZigBee兼容解决方案。

这此低功耗RF-IC产品可用于一系列的住宅、建筑领域以及消费电子的无线应用。即己在家庭和工业自动化；即家居控智，安防报警；无线抄表；消费类电于娱乐产品；PC周边，即鼠标、键盘与无线USB及音频传输等领域获得广泛应用。

然而在这些应用中很重要的技术问题是采用低功耗射频收发机及发射机与高性能的模拟和超低功耗微控制器产品系列相组合成各类集成低功耗射频技术应用方案，以达到构建报警及安全系统、自动化仪表读取系统、主动射频识别(RFID)系统及其他监测和控制系统之目的。

为此本文将以源自TI公司的Chipcon的CCl100多通道射频收发机和CC2500射频收发机及TRF7960射频识别(RFID)读取器等低功耗RF-IC产品为例对其芯片应用特征和所构建的有源RFID和无源RFID方案组成与应用作分析说明。为此先从有源RFID的基本理念介绍入手。

1、有源RFID基本理念技术的构建

先简述RFID是什么。RFID是一种自动获取关于人，物品，时间，地点，交易的信息或数据的方式。几毫秒内完成识别操作，无可视要求，非接触，苛刻环境下工作，无人为错误。ID“标签”可以保存唯一的ID号，向标签读写数据，执行加密和认证，同时读大量标签。

1.1、有源RFUD系统由三部分组成什么是有源RFID

什么是有源RFID。和无源RFUD不同的技术，在更长的有效作用距离(~100m)，有高灵敏度，对高速移动物体监测；电池供电型MCU+低功耗RF芯片，必须的电池使用寿命(大于2年)，各种需要长作用距离的应用(不停车收费／人员定位追踪／贵重物品定位追踪…)和具有ISMRF频段。而有源RFID系统由三部分组成(见图1所示)。

图1

标签(Tag)：由无线收发模块(可用CCl100多通道射频收发机或CC2500射频收发机作为无线通讯模块)，天线，控制模块(可用微控制器MSP430F2012)组成，通过电磁波与阅读器进行数据交换。

阅读器(Reader)：由无线收发模块(可用CCl100作为无线通讯模块)，天线，控制模块(可用微控制器MSP430F2012)和接口电路组成。

数据交换与管理系统(Center Processor)：通过RS232或RS485接口与阅读器(Reader)进行数据交换。

实际有源RFID平台除了有一个阅读器、3个标签(无线通讯模块是CCl100与微控制器是MSP430F2012)之外，还必须由1个RS232转换板，1根串口线，门及上位机软件；阅读器通过RS232转换板和串口线与上位机相连，用来接收标签发送的的数据；每个标签有自己的ID号，并定时发送自己的ID号给阅读器。这方面利尔达公司有成熟的产品可用。

1.2有源RFID技术的构建-主要芯片的应用特征

由于有源RFID技术的构建是CC1100多通道射频收发机与高性能的模拟和超低功耗微控制器产品的组合，为此需对 MSP430F2012特性作介绍。

1.21 MSP430F2012特性：

低工作电压范围：1.8V-3.6V；超低功耗分别为活动模式(220μA atl MHz，2.2V)与待机模式(0.5μA)及关闭模式0.1μA)；高超强性能，即从待机模式唤醒1μs、16-Bit RISC指令体系与62.5ns指令周期、内部频率高达16MHz并且有4种校准频率误差±1％、内部非常低功耗的LF振荡器及16Bit Timer_A；通用串行接口USl支持SPI、12C接口；集成Spy-Bi-Wire调试接口。

利用了MSP430F2012内部资源，具有集成度高、抗干扰能力强、通信可靠、功耗低等特点，可以作为二次开发的平台。

1.22 CC1100多通道射频收发机特性与应用：

特性：微发射功率：最大发射功率为10dBm；ISM频段工作频率，无需申请频点：载频频率430—438MHz；高抗干扰能力和低误码率；透明的数据传输；多速率：提供1200bps、2400bps等多种通信波特率；低功耗及休眠功能分别为接收电流<16mA与发射电流<30mA及，休眠时电流仅为<10μA双接口方式，TTL电平的UART接口和标准的RS-232接口可选。

CC1100应用电路示意见图2所示。

图2

用CC1100构建有源RFID平台的应用举例-高性能RF无线数据传输技术方案。

无线通讯模块采用透明模式进行通讯，即所收即所发，具有通讯距离远、低功耗、接口灵活等优点，使用者无需编码和控制。采用单片射频集成电路及单片机MCU的无线模块，外围电路小，但可靠性高，故障率低，方便模组，应用广泛，适合一般有线系统的升级置换，如用于水、气、热、电计量表具无线远传自动抄表，无线温湿度控制，设备监控等。图3为高性能RF无线数据传输技术方案框图。

产品具有CC1100特性外其通信距离(视距)大于300米，工作电压为+3.0V。

图3

1.23CC2500射频收发机特性与应用

CC2500是高度集成、多通道RF收发机，设计用于2.4GHz工业、科研、医学(1SM)频带内的低功耗无线应用。

*CC2500特性

低的系统成本：超低的芯片单价；极少的外置元件需求，所需元件均为低成本类型；其参考设计采用两层PCB布板，所有元件置于同一板侧；极小的占位面积(4x4mm)，CC2500采用20引脚QFP封装；CC2500许多的数字特性使其可结合廉价微控制器的使用来轻松的实现高性能RF系统的建立。

超低功耗：接收模式时13.3mA；发送模式于0dBm输出功率时21.2mA；高0TA数据率的触发模式数据传输降低了电流损耗；快速启动时间降低平均电流损耗。

优越的RF性能：高灵敏度(10dps时-99dBm，250dps时89dBm)；可编程数据率范围：1·2·500kbps；“强劲”解决方案具有卓越的可选择性及模块化特性；可编程输出功率可高达+1dBm；适用于多通道运作(50-800kHz通道宽度)完整的数据分组处理，包括前同步码生成、同步宇插入／检测、地址校验、任意的封包长度及自动循环冗余码校验(CRC)；可编程载波感应指示及数字RSSI输出，用于支持自适应通道选择并增强了通信连接的强劲性。

*用CC2500构建有源RFID平台的应用举例-高速公路路径识别系统

该方案由CC2500射频收发机作为无线传感器与作为核心的超低功耗微控制器MSP430F14X及作为卡片用的MSP430F2012等主要芯片构成高速公路路径识别系统。即RSU路边单元读卡系统。

车上的无线卡片采用CR2032电池供电，通过内部ADC10定时检测内部电压状况，一端口控制LED进行电压状态指示，静态功耗小于3μA，寿命可达1年以上；内部Timer-A定时启动CC2500进入接收状态接收RSU命令发射车辆ID号、车牌号等信息。安装在高速公路口的RSU单元在通过车辆检测装置检测到有车辆经过的时候由内部SPI接口控制CC2500向外发送要求车辆反馈信息的命令，在RSU单元接收到车辆信息校对完成后，将车辆信息通过内部SPI接口存贮于EEPROM， 同时将信息通过GPS传输给公路管理部门记录该车辆进入高速的位置，在车辆从高速出口出来时，安装在出口处的RSU同样检测并记录出口的位置，从而统计出该车所行驶的路段并计算各省段过路费用分摊给各个管辖省区。MSP430内部的WDT或者Basic-Timer可设置软件陷阱，修复错误状况，保证整个考勤系统正常运行。内置的BOR模块实时监控外部电源，保证单片机正常工作，避免因外部电源变化大导致的内部FIash或RAM数据改写等情况发生，增强了整个系统的安全性。除此之外CC2500的应用范围还可在无线游戏控制器、无线键盘／鼠标、消费电子产品、无线音频与运动及休闲设备上应用。

2、无源RFID技术方案与应用例举

无源RFID接收读写器发射的信号并对其进行调制后反射给读写器(见图4)，本射频卡通信模块(可用TRF7960)是基于13.56MHz频率的非接触卡读写模块，可支持TI公司的Tag-it HF-1全系列卡片，符合，S014443标准的高频非接触卡片。集支MSP430超低功耗级微控制器(用MSP430F2274)和TRF7960超小体积，超低功耗，多协议于一身，能简单，快速的将当今流行最流行的非接触射频卡技术应用到您的产品中，提高产品的竞争力。图4为实现无源RFID技术的组成框图。

图4

2.1无源RFID技术方案的组成分析

2.11MSP430F2274特性：低工作电压范围：1.8 V--3.6 V；超低功耗，分别为活动模式(270uA at 1 MHz，2.2V)和待机模式(0.7uA)及关闭(RAM Retention)0.1 μA；超快1μs内从待机模式唤醒；1 6—Bit RISC指令体系，65ns指令周期；基本时钟模块结构为内部频率高达1 6MHz并且有4种校准频率误差+1％及内部非常低功耗的LF振荡器；1 6—Bit Timer_A Timer_B (带3捕获／比较寄存器)；10—6it，200ksps A／D转换器；2个配置运算放大器(仅msp430f22x4)；通用串行通讯接口。

2.12 TRF7960／1射频识别(RFID)读取器特性与所构建无源RFID方案应用

TRF7960／1一高度集成，13.56MHxRFID读取器系统；是高度集成、多标准模拟前端及数据成帧系统(data framing Vstem)，用于13.56MHzRFID读取器。其内置的编程选项使其成为各种应用的理想选择。包括近距离或近程的RFID系统。

TRF7960/1特点：集成低电平转换编码(4位转1位、256位转1位。优化米勒码106Kb／s。)与采用12字节FIFO的MCU相连8位并行或4引脚串行SPI(接口)；工作电压范围：2.7V至55V；集成电源稳压器。用于射频输出级并增强了电源的噪声抑制能力；集成电源稳压器(20MA)，可用于MCU及其他外置电路；5V电源下的大输出功率(100mW或200mW)；使用单个外部13，56MHz石英晶振产生芯片及外部微控制器所需的时钟；同步时钟输出可选择为HF频率、RF／2或RF／4频率双接收机输入，带AM及PM解调并实现了“通信漏洞”的最小化；集成了读取器至读取器间的抗干扰节电(power down)。待机(startdl by)及工作模式与小型化32引脚QFN封装。

2.2 TRF7960应用与构建无源RFID应用举例

除了与MSP430F2274构建无源RFID以外，还可在13.56MHz RFID系统、近距离RFID系统、相程RFID系统、高比特率近程系统与高频EPC系统等项目应用。

用TRF7960构建 SD卡接口HF(1 3.56MHz)读头

问题提出

在RFID系统的应用中读头是非常重要的环节，在性能上，需要考虑读头识别TAG的距离和需要考虑读写TAG的可靠性和安全性以及同时识别多个TAG时的防碰撞问题。在应用中，需要考虑读头对外数据传输及数据存储的便捷性。当然在许多应用中，读头设计还需要考虑低功耗性能。HF(13.56MHz)在RFID系统中应用非常广泛，HF有两种标准，S015693，IS014443-A／B，这两种标准都有非常高的可靠性和安全性，尤其是1S014443-B的协议可应用在银行、金融等安全性等级很高的场合。HF读头通常可以同时识别几十个TAG，所以能实现较好的防碰撞设计。

微功耗HF(1 3.56MHz)读头方案组成(见图5所示)

图5中TRF796x系列是TI的HF读头芯片，同时涵盖了IS015693+ IS014443-A／B这两种协议，TRF796x内置LDO时钟输出功能，不但可以省去外部LDO和MCU工作晶体的成本，同时由于内置LDO的优秀的PSRR性能，可极大的抑止其他电路对RF电路的影响，提升RF性能，增强读写TAG的距离。利用TRF796x的低功耗性能以及微指控制器MSP430系列的超低功耗特性，则可以实现微功耗HF读头的设计，静态电流小于2uA，对于手持读头系统，这是一个非常好的特性。利用MSP430的高性能，我们可以轻松实现SD卡的接口，使得SD存储这种小体积，大容量的，便携的数据存储及传输方式可以用到RFID的系统。

图5

同样由TRF796x系列是TI的HF读头芯片特点，利用SP3232，可以轻松实现从UART到RS232的转换，通过RS232实现与计算机或其他主机设备通讯，实现RS262接口的HF(13.56MHz)读头方案；用TUSB3410，我们可以轻松实现从UART到USB的转换，通过USB实现与计算机或其他USB主机设备通讯，实现USB接口的HF(13.56MHz)读头方案。

用TRF7960构建智能锁方案

该方案采用超低功耗单片机MSP430F2232为核心结合TRF7960智能卡读头和13.56MHZ高频卡片实现门锁的感应式智能控制。图6为用TRF7960构建智能锁方案示意图。

图6

该方案采用干电池供电，片内12位AD定时采集内部电压状况，一端口控制LED进行电压状态指示和认证指示，静态功耗小于3μA， 最大限度的延长了电池的使用寿命， 无需经常更换电池；片内定时器Timer_A定时启动TRF7960无源卡片读头感应外部卡片和读取信息，TRF7960读取的卡片信息通过SPI接口传输绐MCU进行数据处理和身份验证：卡片识别验证通过后，MCU控制电机驱动器BA6289；驱动电机打开门锁，同时蜂鸣器和LED灯闪烁指示；在门处于敞开状态时，MCU实时检测门锁状态，报警提醒关闭门锁，避免不必要的财物损失：卡片的验证信息等存贮于外部
EEPROM (CAT24C128型)，随时调用该方案13.56MHZ的无源卡片基于IS01 5693协议，识别距离可达10GM左右，具有读卡功耗低、感应距离远、性能稳定、体积小、性价比高等特点，是新一代家用和商用智能锁的最佳选择方案。

方案中AS1360为稳压芯片，其指标为：低静态电流1.5μA宽电压输入最高到20V；低压差可分别议为250mV@100mA与400mV@200mA；精确的输出电压为1.8，2.5，3.0，3.3，5.OV；高输出电流为250mA；高精度输出电压为±1.5％；异常线形调节为0.1％／V；低温飘±100ppm／℃；集成短路及过流保护。

主要参考文献：

1、<<Low-Power RF>> Texas Instruments 2008

2、〈〈产品选型手册-TI 》 利尔达科技有限公司2008

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