模块电路设计

系统选用MSP430F413单片机和MFRC522射频芯片。为简化系统结构，本系统仅由低电压报警单元、MCU单元、射频收发单元、天线、红外发射接收以及外围信号组成。

本系统选用的是SPI接口方式，其连接图如图1所示。

图1 MCU与射频接口及下载接口图

MSP430选用JTAG接口下载仿真程序。为了进一步减少功耗，在系统处于休眠模式时可通过指令关闭SPI接口和MCU中无用的端口。

射频卡读写器采用电感耦合式天线，主要用于产生磁通量，而磁通量用于向射频卡提供电源并在读卡器与射频卡之间传输信息。当一个RFID系统正常工作时所需的磁感应强度B一定时，安培匝数NI由环形天线的边长a以及标签和读写器天线的距离x来共同决定。其关系式为：

电感耦合式天线的特征值主要有品质因数(Q)和谐振频率。一般而言，Q一方面衡量能量的传输效率，另一方面也衡量频率的选择性。对于并联谐振回路，Q可以定义为：

Q=2πfRC=R/(2πfL)(f在本系统中为13.56MHz) (2)

式中：f为谐振频率；R为负载电阻；L为回路电感；C为回路电容。Q值越高，天线的输出能量越高，然而太高的Q值会干扰读写器的带通特性，从而无法遵从协议标准。一般来说，Q=20时，整个系统的带通特性与带宽都比较好。RFID系统中的品质因数一般在10~30内取值，最大不要超过60。

MFRC522从TX1和TX2引脚发射的信号是已调制的13.56MHz载波信号，辅以多个无源器件实现匹配和滤波功能，以直接驱动天线。其匹配电路和信号接收电路如图2所示。

图2 天线匹配电路

红外发射接收电路部分的设计目的是为了节省电源开支，当系统处于休眠模式时停止发射无线电波，可外加一个红外对管来检测是否有卡进入天线范围。当红外接收管接收到外界有卡时立即进入中断，跳出休眠模式，对外发射无线电波，并进行相关的操作。这种通过指令间断打开红外发射管检测是否有卡再进入中断唤醒CPU和打开天线的方法缩短了天线和红外管的电流消耗，从而节省了功耗。

软件设计

CPU的运行时间对系统的功耗影响很大，所以应尽可能缩短其工作时间，使系统较长时间处于休眠或低功耗模式。当系统上电完成初始化操作后立即进入休眠模式，只有当红外接收管接收到信号时产生中断才打开天线进入工作模式。其中断服务程序如下：

#pragma vector=PORT2 _VECTOR__interrupt void Port_2(void)

{ LPM3_EXIT； //退出休眠

PcdAntennaOn()； //开启天线

PcdReset()； //RC522复位

P1OUT = 0xFF； //打开SPI接口

station=1； //转入工作模式

P2OUT|=BIT6； //LED亮

P2IFG&= ~(BIT7)； //清除标记}

图3是程序运行的流程图。

图3 程序运行流程图

MSP430有五种低功耗模式，本系统采用的是LPM_3，此时DC发生器的DC电流被关闭，只有晶振活动。用晶振做系统主时钟和定时器时钟源，对红外接收管脚中断使能定义，使红外发射管每隔0.24s发射一个0.03ms的脉冲，间断地检测在天线范围内是否有卡，有卡时红外接收管产生中断进入中断服务程序。这样让I/O口间歇运行既不影响正常读卡也能节省电能。

尽量减少CPU的运算量，将一些运算的结果预先算好，放在Flash里，用查表的方式代替实时计算，需要运算时最好使用分数运算，尽量避免浮点数运算。定义变量时，尽量使用字符型变量。减少CPU的运算量可以有效降低CPU的功耗。

总结

本文利用MSP430单片机的中断、定时、运算等功能，借助于软件优势，及MFRC522的低电压，小体积等特点，使读卡器读卡距离为0~60mm，休眠模式的电流<10μA，工作模式时电流约为150mA，延长了电池的寿命，增加了系统可靠运行的时间。