Atmel低频唤醒收发芯片低功耗设计

集成电路应用

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应用!"#$%低频唤醒收发芯片降低功耗的设计

金允霖!赵春宇

Y上海交通大学信息检测技术与仪器系智能所!上海8KK8<KZ

摘要#采用D-+.P超低功耗唤醒接收芯片D&DV89?及发射天线驱动芯片D&D98TU实现7891@:的低频唤醒功能"该功能可给有源EGHC提供一条降低电池功耗#延长使用寿命的有效途径"介绍了这一系统的硬件电路设计及软件设计方法!并提供了实际测试的结果"

关键词#低频唤醒超低功耗电感耦合

目前!市场上的EGHC主要分为无源EGHC和有源

发送7891$:的低频信号!以唤醒标签"

图7中粗黑框部分的功能模块是本文所关注的重点"

EGHC"前者无需使用电池但传输距离有限#I7+$%后者通

过电池供电使得传输距离得到大幅提升#J7KK+$!而钮扣电池的容量有限&为在有限的电池容量下使得电子标签的寿命达到最大化!常用的解决方案是给标签设定一个定时唤醒机制!但唤醒的时间间隔不能过长!否则不能及时响应读头&这样不论读头有无读取信息需求!标签都在发送数据!消耗能量%另外定时唤醒需要时钟电路工作!意味着!A#不能进入彻底休眠状态&因此定时唤醒不能达到最佳的节能效果&本文主要针对这一问题!引入低频唤醒机制!为电子标签节能提供另一条有效途径&

!"!读头端!#$%&$#"硬件设计

因为对读头端的功耗要求并不严格!所以!A#选用了BO,P,4*公司的/BAQ?8"这一系列的单片机是增强的97内核单片机!功能相当丰富!包含了DCA+BR!+捕获等功能"另外!接口相对丰富!包括串口+NBH接口及H8A接口!可以方便地扩展H>S端口同上位机通讯"

/%-’()*+,--.’的芯片选用D-+.P公司的D&D98TU"该

芯片通过一个,单线双向-接口.CHS4,)$!由外部!A#控制+配合天线线圈发射7891@:低频载波传送数据和能量/芯片的工作电压为VW8<X&它内部包含了一个

!系统工作原理及硬件设计

E%HC系统的工作原理如图7所示&整个系统由标

签端#&DL$和读头端#EMDCME$两大部分组成&标签端主要包括’!A#*()对标签进行控制兼有数据处理存储**具体实现取决于E%HC系统的应用的功能%传感器*

场合!如在胎压检测&B!N系统中包括压力+温度传感器!在集装箱物流管理中可能包括温湿度+光感传感器**超高频数据发送模块!传输距离等%#$%-’()*+,--.’*

可大于7KK+%/%0(1.234’.5.,6.’***低频唤醒接收模块!如检测到有满足协议的7891$:信号!则产生动作唤醒!A#"读头端主要包括’!A#***负责对超高频接收模块+低频信号发送模块的控制及与上位机的通讯%**超高频数据接收模块!接收标签端发送#$%’.5.,6.’*

出的超高频信号%/%-’()*+,--.’***低频发送模块!负责

&D=

传

感器

XASY压控振荡器Z给接口逻辑门电路和门驱动逻辑电路

提供时钟&当天线半桥处于非激活状态时!XAS工作在自振荡模式!频率范围在789!Y7"V[Z1@:%当天线半桥处于**通过检测天激活状态时!XAS工作在谐振跟踪模式*

线/A电路自身谐振时的电流过零点产生XAS的时钟频率&芯片驱动天线线圈的峰值电流是可调的!峰值电流最大可以达到7;9D!可以根据实际需要调整外部电阻.!"!$阻值使得天线发射不同功率&峰值电流和电阻阻值的关系如下’

#$%&$’\T9K+D!9K1!

!(!

Y7Z

此外!D&D98TU还整合了电路诊断和自保护功能&如果发送的序列正常!它将在数据发送结束后约7U+*在CHS给出一个大约89U"*的负脉冲&在发送过程中!

如果检测到有下面三种情况!则认为有错

连接到BA或BCD的接口

8;<=><??!>?79!@:

#$%

#$%&’()*+,--.’/%0(1.234’.5.,6.’

/%7891$:

图7EGHC系统结构构成

EFDCFE#$%’.5.,6.’

!A#

/%-’()*+,--.’

误’Y7Z供电电压CXAA小于U;9X%Y8Z谐振频率不在QK1@:和7UK1@:之间%Y?Z天线电流超出公式Y7Z的设定范围79[&一旦发生错误!它会在发送完后约7U+*在CHS给出一个78V"*的负脉冲&电路会在电压超过?7X或芯片过热情况下!启动自保护&

!"#

电池

9Q

集成电路应用

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系列的单片机在低功耗方面有着显著的优点#在414D$

图4中"567894通过631:脚控制;<;24:/"=>?平时处于高电平"一旦有低电平则;<;24:/由待机模式进入发送模式#对应=>?低电平时!3和"@组成的串联谐振电路开始起振"能量通过53以磁场的形式发散出去"否则停止谐振#AB即谐振电流过零检测电阻"#"#控制流经天线线圈的峰值电流#发送结束后的=>?发出的负脉冲信号通过567894的641:捕获确认是否发送成功#若发送正常"则631/驱动5C=亮一次"显示成功"否则不亮#

3LFG系统时钟的运行环境下"工作电流为420!;#而进

入56L@待机模式下"耗电量仅为013!;#L(6@90的63$

64口都支持输入边沿触发中断"利用这一特性连接;"<;24B9的唤醒输出信号-HI;JCK到这两端口的任意

一脚都能唤醒L(6@90#

图9中!3和"3构成342EFG的并联谐振回路"由

!3天线线圈通过电感耦合获取读头端天线线圈发射出

来的能量"感应电压使得谐振回路起振#只要谐振电压的有效值大于3%D";<;24B9就能产生相应动作#跳线

!"#标签端!$%&"硬件设计

如何降低标签端的功耗是设计时考虑的重点#

;<;24B9是;)%#’公司推出的一款超低功耗具有序列头侦测功能的唤醒>7#工作电压范围为4D!91/D#它

在接收数据前处于待机侦听模式"功耗仅为3!;#传送开始时读头端需要先发送一个大约21/%.的342EFG载波序列头"其中前384个载波用于唤醒;<;24B9"后234个载波时间提供给;<;24B9进行自增益调整"即把接收信号的放大增益调到适当值#接收到一个完整的序列头后";<;24B9会在-HI;JCK6脚给出一个低电平去唤醒后端的L7K"然后一个载波间隙后开始将接收到的载波信号解调数字信号"L7K通过读取;<;24B9的-H=;<;脚可以获得;(J解调输出的串行数据#接收数据的过程中"24B9的功耗为4!;#当L7K判断数据已接收完时"给出一个高电平到;<;24B9的AC(C<脚"则它会回到待机侦听模式#

标签端的L7K选用<>公司的L(6@90M4303#L(6@90

N64和连接器N63是为方便N<;O在线仿真编程预留的接口#可以看到;<;24B9所需的外部器件相当少"有利

于提高标签的集成度$减小体积#

#软件设计

;<;24B9的波特率可以达到@E&!."在这里将传送

波特率暂定为3E&!."即数据每个&,)维持3%.的时间#因此发送端一次发送的格式应该为%

-%.

!"#$%&’#/%.

#"!读头端程序

567上电后初始化"

631:和631/设为推挽输出模

式"631:在;<;24:/不工作时一直保持低电平"对应

()$")*$!012%.

+,)3%.

!!+,)3%.

读头端$标签端及标签中断服务程序如图@所示#

图4读头端电路原理图

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