摘 要： 介紹一種用于礦井人員定位" title="礦井人員定位">礦井人員定位的超低功耗" title="超低功耗">超低功耗射頻讀寫系統" title="讀寫系統">讀寫系統的硬件設計方案。該方案以TI公司的16位單片機MSP430F2012為核心芯片，結合Chipcon公司最新推出的無線射頻收發芯片CC1100和外圍元器件構建。重點闡述讀寫器" title="讀寫器">讀寫器和射頻卡的硬件設計、工作特性，并給出其內部構造。利用LSD-FET430仿真器和串口調試軟件對硬件系統進行仿真測試，驗證了該設計方案的可行性。
　　關鍵詞： 礦井人員定位；MSP430F2012；CC1100；讀寫器；射頻卡

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　　礦井人員定位系統集成了計算機網絡、射頻識別、數據庫和微電子電路等多種新技術，能夠實時采集到礦井人員的位置信息，經實時數據庫反饋給地面監控中心，并通過互聯網達到在線監控的目的。一旦事故發生，可以根據礦井人員的位置采取有效的救援措施，使人員傷亡和各項損失降到最低。目前不少有關礦井人員定位方面的報道和研究^[1][2]，但其射頻讀寫系統設計中選用的主控芯片和射頻芯片大多功耗高，不利于在礦井惡劣環境中長時間工作。本設計選用的MSP430F2012和CC1100均是最新推出的超低功耗芯片，適合于礦井人員定位。
1 射頻讀寫系統硬件設計
　　用于礦井人員定位的射頻讀寫系統由計算機、讀寫器和射頻卡組成，讀寫器和射頻卡的硬件設計是該系統的核心[2]。讀寫器主要包括控制模塊" title="控制模塊">控制模塊、射頻收發模塊、接口模塊和天線；而射頻卡主要由控制模塊、射頻收發模塊、存儲器和天線構成，根據實際的需要分有源射頻卡和無源射頻卡^[2][3]。圖1是用于礦井人員定位的射頻讀寫系統結構圖。

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1.1 控制模塊
　　不論是讀寫器還是射頻卡，要實現信號的編碼處理，控制模塊是必不可少的。控制模塊主要由基帶信號處理單元和智能單元組成。基帶處理單元將發出的命令編碼為便于調制到射頻信號上的編碼信號，并對經解調處理的射頻卡回送信號進行必要的處理，然后將結果送入讀寫器的智能單元中。智能單元是讀寫器的控制核心，實現與后端應用程序的規范、控制通信、加密和解碼、執行防沖突算法等。
　　MSP430^[4]是TI公司的一個超低功耗單片機系列，它有5種可編程的工作模式，其中活動模式下的工作電流僅需幾百微安，LPM3模式下僅需0.55?滋A。MSP430完美地整合了低功耗、速度和片上外圍器件：CPU采用16位精簡指令集，集成了16個通用寄存器和常數發生器，極大提高了代碼的執行效率；該系列單片機還將大量的外圍模塊整合到片內，適合構成較完整的片上系統；提供了5種低功耗模式，主要面向有源系統中需要電池供電的應用。本設計的控制模塊選用了MSP430系列中更低成本、更高性能的新型單片機MSP430F2012，其內部結構如圖2所示。

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1.2 無線收發模塊
　　無線收發模塊主要完成射頻信號的處理功能，包括產生射頻能量，將讀寫器欲發往射頻卡的命令調制到讀寫器發射的載頻信號上，形成已調制的發射信號，經讀寫器的天線發送出去。發送出去的已調信號經過空間信道傳送到射頻卡上，射頻卡對接收到的射頻信號做出響應，形成返回讀寫器天線的發射回波信號；將射頻卡返回到讀寫器的回波信號進行必要的加工處理并從中解調，提取出射頻卡回送的編碼數據。
　　無線收發模塊選用的芯片是Chipcon公司最新推出的CC1100^[5]射頻芯片，它是一種特別適合應用于UHF的無線傳輸芯片，體積小、功耗低，數據傳送速率為1.2kb/s～500kb/s，其典型工作頻率是315MHz、433MHz、868MHz和915MHz，實際的工作頻帶為：300MHz～348MHz，400MHz～464MHz和800MHz～920MHz，在所有頻段提供的輸出功率為-30dbm～10dbm。根據文獻[6]可知在礦井無線通信最佳頻段為900MHz左右，因此本設計選用915MHz為中心頻率，帶寬為200kHz，上行與下行信道的間隔也是200kHz。
　　圖3為CC1100在915MHz時的外圍器件組成的電路。

1.3 存儲器和接口模塊
　　射頻卡中的存儲器主要用于存儲人員的信息（ID號）和卡片的電壓信息，其容量一般不要求太大，可以節約能耗。本設計選用可寫入射頻卡，其存儲器的讀寫訪問按字段進行，采用EEPROM工藝。閱讀器中的接口模塊主要是連接計算機的RS232口，其實質是一個電壓轉換電路，將MSP430的TDO、TDI、TMS、TCK、GND、RST/NMI引腳的電壓與RS232的DB9電壓匹配。
　　CC1100與MSP430采用的是SPI接口連接^[5]， 串行外設接口SPI(Serial Peripheral Interface)總線系統是一種同步串行外設接口,允許MCU 與各種外圍設備以串行方式進行通信、數據交換。外圍設備包括FLASHRAM、A/D轉換器、網絡控制器、MCU等。SPI系統可直接與各個廠家生產的多種標準外圍器件直接接口，使用4 條線:串行時鐘線(SCK)、主機輸入/從機輸出數據線MISO（Multiple-Input Single-Output）、主機輸出/從機輸入數據線MOSI和低電平有效的從機選擇線SS。
1.4 天線
　　射頻讀寫系統中，天線是必不可少的部分，用于產生電磁波，在讀寫器與射頻卡之間傳送信息。天線的形狀和尺寸決定系統的感應頻率范圍等性能，頻率越高，天線越靈敏，面積也越小。天線有偶極子、微帶面、縫隙式和線圈式等類型，天線的極化方式有線極化、圓極化、橢圓極化等，根據不同的頻段可以選擇不同類型和不同極化方式的天線。本設計中的讀寫器天線采用915MHz諧振頻率線極化天線，天線輻射功率為1W左右，射頻卡天線采用的三角微帶天線模型設計，最大場強方向為0.125。
2 射頻讀寫系統工作特性及工作流程
2.1 超低功耗設計的工作特性
　　在礦井復雜環境中，采用具有休眠機制的低功耗芯片將更加有利于整個系統長時間穩定有效運行。閱讀器中的MSP430通常情況下處于休眠狀態，而CC1100一直處于接收狀態，且休眠狀態的時間是接收狀態時間的數倍。當閱讀器上的CC1100接到射頻卡發出的編碼信息后，產生中斷通知MCU,MCU發出指令激活MSP430，MSP430將接收到的射頻卡的ID號和電池電壓的編碼信息通過RS232傳送給計算機，然后繼續休眠。
　　射頻卡中的MSP430通常情況下處于休眠狀態，CC1100也處于休眠狀態，但MSP430中有定時器電路，定時器Timer定時1s產生中斷，將處于休眠狀態的MSP430喚醒；MSP430通過SD16_A測量射頻卡中的電池電壓，并延時一個隨機時間后把自己的ID號和電池電壓經編碼后通過CC1100發送出去，然后繼續睡眠。
　　圖4為MSP430的超低功耗工作特性。由圖4可以看出閱讀器和射頻卡中的MSP430處于休眠的時間較長，休眠時處于低功耗狀態，只有在被喚醒或激活的小段時間中正常功耗下工作。射頻卡被喚醒，向讀寫器發送編碼信息，發送完立即轉入休眠狀態；讀寫器被激活，向上位機傳送編碼信息，之后轉入休眠狀態。這種設計比其他空閑狀態時仍正常消耗電量的射頻讀寫系統功耗要低很多。

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2.2 射頻讀寫系統工作流程
　　在整個系統中，讀寫器是核心部件，讀寫器和射頻卡的所有工作都由上位計算機的應用系統來控制，它是連接后端應用系統與前端信息載體——射頻卡之間的主要通道^[2]。射頻卡定時將自身的信息編碼處理發送給讀寫器，讀寫器將其解碼處理后存入存儲器中。當計算機的應用系統發出查詢命令時，指令經RS232線傳到讀寫器智能單元，讀寫器發出指令將收到的射頻卡信息傳送給上位機，上位機通過實時數據庫分析收到的信息并進行比較處理，并分時段保存。當事故發生時，可以根據下面采集到的人員位置信息采取有效的救援措施，使損失降到最低^[3]。
3 系統仿真結果與結論
　　TI公司的MSP430系列包容了MCU在國際上的先進技術JTAG和Flash在線編程技術，利用BOOTSTRAP在燒斷熔絲以后只要幾根線就可以更改并運行內部的程序，這為在線改寫提供了很方便的途徑。本設計系統是利用LSD-FET430仿真器和串口調試軟件進行仿真測試，在915MHz時得到仿真結果如圖5所示。

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　　由圖5調試結果可以看出，當射頻卡被喚醒后，將其ID號發送給讀寫器，讀寫器通過RS232線傳到上位機的串口調試軟件，顯示出其ID號，圖5(a)為發送2次4個射頻卡時接收到的結果，圖5(b)為發送5次4個射頻卡時接收到的結果。仿真和調試的結果證明了該設計方案的可行性，該讀寫系統因其低功耗性將在礦井等惡劣環境中逐步得到應用。