1、半 主动式电子标签 （Semi-active Tag），是一种使用电源供电的 RFID 电子标签1。 当被阅读器信号唤醒后 ，半主动式电子标签可作为一个收发器和阅读器进行通信 ，与主动电子标签 （Active Tag）相 比具 有 更 低的 功 耗 ，与被 动 电 子标签 （Passive Tag）相比具有更远的通信距离 ，所以半主动式电子标签被广泛应用于智能交通 、门禁系统 、TPMS 及集装箱安全运输等领域 。目前半主动式电子标签主要有两种射频低功耗处理方案 ：定时唤醒机制和低频唤醒机制2。 定时唤醒机制实现原理为 ：通过设定控制器的定时器 ，定时唤醒 MCU 控制射频芯片向外发送电子标签
2、状态信息 。 定时唤醒弊端很大 ，一般用于低功耗要求不是特别严格的场合 。低频唤醒则是通过低频信号在一定距离和范围内激活处于休眠状态的电子标签 ，使其开始工作 ，低频唤醒可以大大降低系统的功耗3。 本设计采用了低频唤醒技术作为低功耗解决方案 。1 工作原理半主动式电子标签应答系统主要包括阅读器 、半主动式电子标签和上位机 。 电子标签平时处于休眠状态 ，当接收到阅读器唤醒指令后 ，接收来自阅读器的操作指令 ，并上传状态信息 。 阅读器通过串口与上位机连接 ，用于保存电子标签的状态信息 ，以供用户查询 。为实现低功耗及远距离的可靠通信 ， 半主动式电子标签采用双频通信方案 。 低频方案采用了低频
3、接收模块 ，低频唤醒模式通信频率选定为 125 kHz。 当电子标签被低频唤醒并通过了低频数据配对后 ， 采用另一种更远更可靠的高频率通信方式 ， 高频通信方案采用的是 ISM 频段的 2.4 GHz通信频率 。2 硬件设计半主动式电子标签硬件电路的设计可分为七个模块 ：控制模块 、高频收发模块 、低频唤醒接收模块 、电源模块 、存储模块 、C2 仿真调试接口及 LED 指示模块 ，如图 1 所示 。2.1 控制模块综合考虑电子标签的成本 、低功耗要求以及可靠性等因素 ， 控制芯片采用 Silicon Labs 公司的 C8051F410 单片机 。C8051F410 是一款 8 位的 CIP
4、-51 内核 、低功耗混合信号片上型 MCU，具有以下主要特点4：内部资源丰富 ，包括 ： 6 个可捕捉 /比较模块及带看门狗功能的 PCA、 硬件 CRC、32 kB 的片基于低频唤醒技术的半主动式电子标签设计罗通强1， 周受钦2， 谢小鹏1， 闫 隽2（1. 华南理工大学 广东 广州 510641； 2. 中国国际海运集装箱（集团）股份有限公司 广东 深圳 518067）摘要 ： 文中介绍了半主动式电子标签硬件和软件的设计方案， 应用 AS3933 低频唤醒接收芯片实现了电子标签低频唤醒接收功能。 针对低频唤醒接收模块，计算和讨论了其并联谐振电路相关的参数，并给出了电路和程序设计的方案。
5、应用低频唤醒技术的半主动式电子标签可靠的低频通信距离可达 3m 以上，同时低频唤醒技术显著降低了电子标签的运行功耗。关键词 ： 半主动式电子标签； 低频唤醒接收； 并联谐振； AS3933中图分类号 ： TN919.5 文献标识码 ： A 文章编号 ： 16746236（2012）21-0103-04Design of semi-active tag based on LF wake-up technologyLUO Tong-qiang1， ZHOU Shou-qin2， XIE Xiao-peng1， YAN Jun2（1. South China University of Techno
6、logy， Guangzhou 510641， China；2. China International Marine Containers （Group） LTD， Shenzhen 518067， China）Abstract: The hardware and software design scheme of semi-active tag is presented. By using Low Frequency（LF） wake-upreceiver chip AS3933 to realize LF wake-up receiver function of the Semi-act
7、ive Tag. Calculates and discusses the relevantparameters of the parallel resonance circuit for the module of LF wake-up receiver and introduces the circuits design andprograms design. After testing LF wake-up communication of the Tag and the reader， the distance of LF wake-up receiver isover 3m， and
8、 the application of the LF wake-up ability can cut down the systems power consumption obviously.Key words: Semi-active Tag； LF wake-up receiver； parallel resonance； AS3933收稿日期 ：2012-07-03 稿件编号 ：201207015基金项目 ：深圳市生物、互联网、新能源、新材料产业发展专项资金资助项目（JC201104210135A）作者简介 ：罗通强（1987），男，广东廉江人，硕士。 研究方向：射频通信及智能化物流装备
9、。电子设计工程Electronic Design Engineering第 20 卷Vol.20第 21 期No.212012 年 11 月Nov. 2012103电子设计工程 2012年第21期图 1 半主动式电子标签结构框图Fig. 1 Diagram of semi-active tag内 Flash 和 2304 字 节 的 片 内 RAM 等 ； 接 口 丰 富 ， 包 括SMBus/I2C、SPI 接口和 UART 接口 ，可以方便扩展外部接口 ；另外 ，具有活动 、空闲 、挂起 、停机 4 种工作模式 。 通过这 4 种工作方式的切换可以实现系统的低功耗设计 。2.2 高频收发模
10、块电子标签高频部分主要实现高频通信的数据收发 ，在此选用奥地利微电子的 AS3940 高频收发芯片 。 AS3940 是一款低功耗 FSK 调制的 2.4 GHz 射频收发芯片 ，射频收发器具有可编程的数据传输率 ，最高可达 2 Mbit/s，工作频率范围为2 4052 480 MHz ISM 频段 ，并集成了定时器和连接管理器 ，允许各种低功耗操作模式 ， 掉电模式下功耗仅为 1.5 A，非常适合低功耗设计5。 高频收发模块包括高频收发芯片 AS3940、LDB212G4020 对称变换器 、 低通滤波器 LFL152、16 MHz 的晶振 、 外围匹配电路及 50 的 PCB 天线 ， 如
11、图 2 所示 。AS3940 与 MCU 的 SPI 管脚连接 ，通过 SPI 进行配置 。2.3 低频唤醒接收模块电子标签低频唤醒接收功能的实现核心是奥地利微电子的 AS3933 芯片 。 AS3933 是一款 3 通道可编程低频唤醒接收器 ，主要的功能特点有6： 3 通道 ASK 唤醒接收 ，可编程 16位或 32 位曼彻斯特唤醒码 ； 接收频率范围广泛 ：15150 kHz；支持可编程数据速率和带时钟恢复的曼彻斯特解码 ，并提供了内置自动天线调谐器 ；唤醒灵敏度达到 80 VRMS，3 通道低功耗侦听模式功耗最低仅有 1.7 A。低频天线采用并联谐振方式 ，由并联电阻 、电容和电感组 成
12、 。 为 克 服 低 频 接 收 的 方 向 性 ， 天 线 采 用 PREMO 的3DC1515S-0477J 的三维正交低频天线 ， 其中 X、Y 轴方向上的电感 LXY=4.77 mH、直流等效电阻 RXY=93 ，Z 轴方向上的电感 LZ=5.89 mH 、直流等效电阻 RZ=142 ，低频谐振的频率 f=125 kHz。 低频天线并联谐振的等效电路如图 3，其中 L为天线线圈的电感值 ，u 为天线线圈的感应电压 ，RL为天线图 2 高频收发模块电路图Fig. 2 Circuit of UHF transceiver module104线 圈的直流等效电阻 ，Cpar为并联电容 ，Rp
13、ar为并联电阻 。 为了达到最优的低频接收灵敏度 ，对谐振电路匹配的阻容进行理论计算 。电路谐振时 ，并联电容计算可通过汤姆逊公式获得 ：f =12 LCpar姨（1）当 L=LXY=4.77 mH，f =125 kHz，代 入 （1）式 求 得 CparXY=340.2 pF；当 L=LZ=5.89 mH，f =125 kHz， 代入 （1） 式求得 CparZ=275.5 pF。设计中缺少电容值为 340.2 pF 和 275.5 pF 的电容 ，X、Y采 用 330 pF 和 10 pF 的电 容 并 联代 替 ，Z 采 用 270 pF 和6.8 pF 的电容并联代替 。 AS3933
14、 内部谐振电容组能以 1 pF为步长编程到最大 31 pF， 谐振并联的小容值电容亦可通过配置内部谐振电容组获得 。低频天线性能和其品质因数 Q 关系密切 ， 一般来讲 ，Q值越高低频唤醒作用距离越远 ，不过 Q 值太高会导致标签通频带宽缩小 ，影响数据的正确性 。 设计中 Q 值大小无法遵循协议标准 ，厂家推荐的 Q 值范围为 2030。 并联谐振电路有载品质因数 Q 可由下式得到 ：Q=1 RLCparL姨+1RparLCpar姨姨 姨（2）根据天线谐振电路相关参数 ，选取 Q=25.1 值 ，代入 （2）式分别求得 XYZ 轴谐振并联电阻 ：RparXY=250 k，RparZ=470
15、k。低频唤醒接收模块的电路图如图 4 所示 。 考虑程序处理的精简性 ，AS3933 芯片外接 32.768 kHz 的晶振 ，用于对低频信号的频率检测 。 AS3933 三个接收通道的管脚分别与 3D 低频天线的 XYZ 轴引脚相连 ，配置引脚与 MCU 的 SPI 相连 ，唤醒管脚 WAKE3933 与 MCU 的 P0 管脚相连 ，曼彻斯特解码时钟管脚 CL_DAT3933 和数据引脚 DAT3933 与 MCU 的 P2 脚相连 ，电源引脚外接电源 。2.4 其他功能模块电子标签的其他功能模块包括电源模块 、 存储模块 、C2仿真调试接口及 LED 状态指示模块 。 电源模块主要包括
16、5 V锂电池 、LP2985 3.3 V 电 源芯 片 、LP2985 3.6 V 电 源芯 片 、BQ24085 充电芯片等 。5 V 直流锂电池通过 LP2985 电源芯片形成 3.3 V、3.6 V 稳压输送到各自所需模块供电 。 充电部分在电子标签电池电量不足时可以使其进行及时的充电 ，以备后续使用 ；为了实现标签操作和状态信息的实时记录以备查询 ， 设计了一个外部存储模块 。 存储模块的选用的芯片是FM3130。C2 仿真调试接口是 C8051F 系列单片机集成的一个具有在线片内编程和调试的接口 ；LED 状态指示模块用于指示电子标签充电状态 、低频唤醒状态 、高频数据收发状态 。3
17、 软件设计电子标签软件主要由 3 部分组成 ：初始化部分 、休眠模式部分 、低频唤醒接收部分 、高频收发部分 。初始化部分主要包括 MCU 内部 、 外部设备初始化和软件初始化 ，包括定时器初始化 ，端口配置 ，RTC 初始化 ，中断初始化 ，SPI 初始化 ，AS3940 初始化 ，AS3933 初始化 ，晶振初始化 ，以及部分变量初始化等 。 休眠模式主要为了降低功耗 ，包 括 ： 关 闭 一 些 外 设 和 MCU 进 入 挂 起 状 态 ， 包 括 禁 止AS3940，禁止 FM3130 等 。 低频唤醒接收部分主要包括 P0 端口匹配中断唤醒 MCU 接收低频数据 ，解析并校验配对数
18、据 。高频收发部分用于电子标签高频响应阅读器并向其发送高频信息 ，完成高频响应后转入接收来自阅读器发来的高频信息 。 如图 5 所示为半主动式电子标签主程序流程图 。3.1 通信协议电子标签低频指令数据包格式如表 1 所示 。 表 1 中协议ID 用于说明设备通信采用的协议的版本号 ，协议版本号用于以后协议的更新区别 ； 模式表示电子标签唤醒后的状况 ；CRC 校检位用于判断数据接收的准确性 。 低频配对接收到阅图 4 低频唤醒接收模块电路图Fig. 4 Circuit of LF wake-up receiver module图 5 半主动式电子标签主程序流程图Fig. 5 Main pro
19、gram flow chart of semi-active tag图 3 低频天线并联谐振等效电路Fig. 3 Parallel resonant equivalent circuit of LF antenna罗通强， 等 基于低频唤醒技术的半主动式电子标签设计105电子设计工程 2012年第21期头的时长 tc应满足 ：0.616 ms3.5 ms，加上 1 位分离位 ，编制为 11 位曼彻斯特码 ，tpb=4.026 ms；唤醒类型码 （Pattern）：在寄存器R6 和 R5 中配置 AS3933 的 16 位唤醒类型码的格式 ，编制为 16 位曼彻斯特码 ；数据 （Data）：按照
20、表 1 低频指令数据包格式进行编制 ，共 10 字节 ，160 位曼彻斯特码 。频率检测 125 kHz 的低频波的载波头 、前导码 、唤醒类型码满足设定要求 ，则唤醒管脚 WAKE3933 产生一个高电平唤醒 MCU，随即在 AS3933 数据时钟管脚 CL_DAT3933 输出曼彻斯时钟脉冲复原波形 ， 同时数据管脚 DAT3933 输出曼彻斯特解码数据 ，如图 7 所示 。时钟管脚 CL_DAT3933 的每个上升沿对应一位曼彻斯特解码后的数据 ，这极大地方便了接收数据程序的处理 。 低频数据采用 MCU 的 PCA 捕获模块捕获 CL_DAT3933 管脚输出的上升沿并产生中断 ，在中
21、断程序中读取 DAT3933 管脚高低电平状态 ，高电平则相关低频变量赋 1，低电平则赋 0，每接收 1 位低频数据 ，低频变量左移 1 位 ，同时位计数器加 1。接收完 8 位 （1 字节 ）数据后 ，低频变量清零 ，字节计数器加1。 判断接收完成 12 字节的低频数据后 ，低频接收唤醒标志置位 ，完全退出捕获中断函数 。 低频数据的接收程序流程图如图 8 所示 。图 8 低频数据接收程序流程图Fig. 8 Program flow chart of LF data receiver图 7 曼彻斯特时脉复原下的同步数据Fig. 7 Synchronization of data with r
22、ecovered Manchester clock图 6 AS3933 低频唤醒协议波形Fig. 6 LF wake-up protocol of AS3933读器 ID 数据符合设置的要求后 ，才进行高频响应 。高频响应阅读器指令数据包格式定义见表 2。 表 2 中协议 ID 和表 1 中协议 ID 的作用一样 。 起始帧和结束帧用于保证数据接收的完整性 ，软件编程中可通过起始帧判断数据接收的开始 ， 通过结束帧判断数据接收的完成 ；CRC 校检位用于判断数据接收的准确性 ； 当起始帧和结束帧都接收到 ，并且 CRC 正确则表示数据接收正确 。3.2 低频通信程序通过 MCU 的 SPI 口
23、对 AS3933 各工作寄存器进行配置 ，以满足低频唤醒接收数据的要求 。 AS3933 低功耗侦听模式采用 ON/OFF 模式 ，配置使 AS3933 唤醒需要满足 16 位曼彻斯特唤醒类型码 （Pattern）检测 ，数据接收开启曼彻斯特解码 。AS3933 低频唤醒协议波形如图 6 所示 ， 协议波形包括载波头 （Carrier Brust）、前导码 （Preamble）、唤醒类型码 （Pattern）、数据 （Data）。 低频唤醒信号的频率为 125 kHz，ASK 调制 ，协议中各类型码数据均采用曼彻斯特编码 ，AS3933 数据接收速率为每秒钟 2730 个曼彻斯特位 ， 根据数
24、据手册算得每位曼彻斯特位时长为 366 s。 以下低频唤醒协议各类型码的格式要求的说明 ：载波头 （Carrier Brust）：按照 125 kHz 的操作频率 ，载波表 1 电子标签低频指令数据包格式 （字节 ）Tab. 1 Protocol format of semi-active tag LFcommunication instructions协议 ID 模式 阅读器 ID CRC1 1 6 2表 2 电子标签高频响应阅读器指令数据包格式 （字节 ）Tab. 2 Protocol format of semi-active tag UHFcommunication instructi
25、ons起始帧 协议 ID 模式 阅读器 ID 电子标签 ID CRC 结束帧1 1 1 6 6 2 1（下转第 111页）106电 子标签需要接收 10 字节 ，共 160 个曼彻斯特位的数低频据 ， 数据时长约为 59 ms， 故设定唤醒状态的维持时间为100 ms。 完成 10 字节低频数据接收后 ，MCU 将向 AS3933 发送清除唤醒指令使电子标签回到低功耗的低频侦听模式 。4 结 论半主动式电子标签大部分时间处于休眠状态 ，影响其电池使用时间的主要因素是休眠状态下的功耗 。 对其进行低频唤醒通信测试 ，半主动式电子标签在休眠状态下的功耗仅约为 45.6 A，实测可靠的低频唤醒通信距
26、离为 3.4 m。 采用低频唤醒技术降低了电子标签的功耗 ，能大大延长了电子标签电池的使用时间 。参考文献 ：1 Nekoogra F，Dowla F. Ultra-Wideband radio frequencyidentification systemsM. New York：Springer-Verlag，2011.2 曹世华，赵芳 低频唤醒技术在微功耗主动式RFID中的应用研究J. 微计算机信息，2008，24（2）：230-231，234.CAO Shi-hua，ZHAO Fang. The research and application ofmicro-power active
27、RFID based on LF wake-up technologyJ.Microcomputer Information，2008，24（2）:230-231，234.3 尹丰，周受钦 用于集装箱的解决邻道干扰的低频唤醒定位装置：中国：200610157186.7P 2008.4 潘琢金 C8051F410/1/2/3混合信号ISP FLASH微控制器数据手册S. 2006.5 AS3940 2.4GHz Low Power Multiple-Channel FSK TransceiverDatasheet:Rev.1.1Z. autriamicrosystems，2011.6 AS393
28、3 3D Low Frequency Wakeup Receiver Datasheet:Rev1.2S. Austriamicrosystems，2010.class audio power amplifier TDA7498 J. Electronic world，2011（4）：15-17.4 周金博，章国宝. 基于DSP的智能功放开关电源设计J. 电子设计工程，2009（12）:12-14.ZHOU Jin-bo，ZHANG Guo-bao. Design of power supply forintellgent power amplifier based on DSPJ. Elec
29、tronic DesignEngineering，2009（12）:12-14.5 庄伟. 基于1073芯片的网络IP高清播放机设计 J. 广播电视信息，2011（2）:22-25.ZHUANG Wei. The design of network IP HD player basedon 1073 chip J. Radio & Television Inforcation，2011（2）:22-25.6 李俊锋，周南. 基于LPC2138的AES3数字音频接口设计J.电子设计工程，2012（10）:150-154.LI Jun-feng，ZHOU Nan. Design of the in
30、terface about AES3digital audio based on LPC2138 J. Electronic DesignEngineering，2012（10）:150-154.7 王海峰，章怡. 多媒体音源信号智能检测与自动化控制J.电声技术，2008，32（7）: 40-42.WANG Hai-feng，ZHANG Yi. Multi-media sound sourcesignal intelligence detection and control automationJ. AudioEngineering，2008，32（7）: 40-42.8 王以真，沈伟星. 音
31、箱研讨（四）扬声器的谐振频率fsJ.电声技术，2007，31（3）: 22-24.WANG Yi-zhen，SHEN Wei-xing. Study and discussion onloudspeakers（ ）resonance frequency fs of loudspeakerJ.Audio Engineering，2007，31（3）: 22-24.9 郭杰，莫福源，蔡志博，等. EVB Phase Vocoder算法与MaxxBass算法在虚拟低音增强应用中的比较 J. 电声技术，2009，33（3）:59-62.GUO Jie，MO Fu-yuan，CAI Zhi-bo，et
32、al. Comparison ofapplications of EVB phase vocoder algorithm and MaxxBassalgorithm in virtual bass enhancementJ. Audio Engineering，2009，33（3）:59-62.（上接第 106页）!Vishay 的 17 款新器件扩充 600V N 沟道功率 MOSFET 系列Vishay Intertechnology，Inc 宣布， 其 E系列 600V 功率 MOSFET 新增采用 8 种封装的 17 款新器件， 将该系列 MOSFET 在10 V 下的导通电阻扩展到
33、39600 m，将最高电流等级扩展至 773 A。 新的 E 系列 MOSFET 采用 Vishay 的下一代超级结技术，使公司进入使用功率转换技术的增量市场，包括照明、适配器和高功率可再生能源系统。今天发布的器件使 600 V E系列 MOSFET 的器件数量增加到 27 个。 所有的 E系列器件都具有超低的导通电阻和栅极电荷，可实现极低的传导损耗和开关损耗，从而在功率因数校正、服务器和通信电源系统、焊接、不间断电源（UPS）、电池充电器、LED 照明、半导体生产设备、适配器和太阳能电池逆变器等高功率、高性能的开关应用中节约能源。器件可承受雪崩和通信模式中的高能脉冲，保证通过 100% UIS 测试时达到极限条件。 MOSFET 符合 RoHS 指令。咨询编号 ：2012211007“周文辉， 等 基于心理声学低频扩展的SOUND BAR 音响系统设计111
