基于低功耗單片機(jī)ATmega48和低功耗射頻芯片RFM12S的有源電子標(biāo)簽.doc

摘要 重點介紹基于低功耗單片機(jī)ATmega48和低功耗射頻芯片RFM12S的有源電子標(biāo)簽的硬件設(shè)計、低功耗實現(xiàn)，以及防沖突算法的解決思路。該有源電子標(biāo) 簽適用于巖土加固工程中的錨桿注漿現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集記錄，也可用于車輛出入信息采集與控制，以及地下礦井人員定位等有遠(yuǎn)距離識別與控制需求的系統(tǒng)。關(guān)鍵詞 有源電子標(biāo)簽 防沖突 低功耗 RFM12S ATmega48引言 錨固技術(shù)是巖土加固工程的主要方法，目前己廣泛應(yīng)用于礦山、鐵路、水利水電、地質(zhì)等系統(tǒng)的隧道、邊坡、山體加固等工程中。但巖土加固工程屬隱蔽工程，在 施工過程中的管理和監(jiān)督較為困難，目前國內(nèi)在驗收時無法對錨桿的嵌入深度、錨桿注漿量和注漿壓力等重要工程質(zhì)量參數(shù)進(jìn)行檢測，無法對工程質(zhì)量進(jìn)行客觀的評 價。為了解決質(zhì)量驗收檢測問題，本文提出對錨桿注漿工藝在線檢測記錄和后續(xù)驗收讀取的有源電子標(biāo)簽解決方案。1 有源電子標(biāo)簽的硬件設(shè)計有源電子標(biāo)簽主要由控制電路、射頻電路以及天線和電池組成。有源電子標(biāo)簽設(shè)計的難點在于低功耗和防碰撞算法的實現(xiàn)。由于有源電子標(biāo)簽需要內(nèi)置電池給控制電路和射頻電路供電，為了達(dá)到延長使用壽命的目的，它對低功耗要求非常高，所以控制芯片和射頻芯片的選型至關(guān)重要。本設(shè)計中，控制芯片選用Atmel公司的低功耗單片機(jī)ATmega48，射頻芯片選用Hope公司的RFM12S低功耗射頻芯片。1.1 ATmega48單片機(jī) Atmel公司是生產(chǎn)高性能、低功耗、非易失性存儲器和各種數(shù)字模擬IC芯片的半導(dǎo)體制造公司。在單片機(jī)方面，Atmel公司有基于8051內(nèi)核、基于 AVR內(nèi)核和基于ARM內(nèi)核的三大系列單片機(jī)產(chǎn)品。Atmel公司在其單片機(jī)產(chǎn)品中，融入了先進(jìn)的EEPROM電可擦除和Flash ROM閃存技術(shù)，使得該公司的單片機(jī)具備了優(yōu)秀的品質(zhì)，在結(jié)構(gòu)、性能和功能等方面都有明顯的優(yōu)勢。ATmega48是一款高性能、低功耗的8位AVR微處理器。其主要性能指標(biāo)如下： 先進(jìn)的RISC結(jié)構(gòu)； 4 KB的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash； 256字節(jié)的EEPROM 擦寫壽命為100 000次； 工作電壓為1.85.5 V； 工作溫度為-4085 ； 極低功耗（正常模式時1 MHz、1.8 V下為300 A，掉電模式時1.8 V下為1.5 A）。1.2 RFM12S低功耗射頻芯片 RFM12S是一款低成本的ISM(工業(yè)、科研、醫(yī)療)頻段FSK收發(fā)模塊,其核心電路采用的是帶鎖相環(huán)（PLL）技術(shù)的RF12射頻收發(fā)芯片。 RFM12S可工作在315/433/868/915 MHz四個頻段,并符合FCC和ETSI要求。它提供一個SPI接口,可由MCU通過軟件設(shè)置各種射頻參數(shù)和其他輔助功能；采用2.25.4 V供電，靜態(tài)電流低至0.3 A。其與ATmega48的連接電路如圖1所示。圖1 RFM12S與ATmega48的連接電路2 有源電子標(biāo)簽的軟件設(shè)計 RFM12S無線收發(fā)模塊采用SPI(串行外圍設(shè)備接口)接口方式傳輸數(shù)據(jù)。當(dāng)片選信號nSEL為低時，數(shù)據(jù)在每個時鐘的上升沿通過SDI引腳被送入 RFM12S的內(nèi)部寄存器。要發(fā)送數(shù)據(jù)，首先發(fā)送同步頭，然后再發(fā)送需要發(fā)送的數(shù)據(jù)，通過檢測SDO引腳來判斷上一數(shù)據(jù)是否發(fā)送完畢；上一數(shù)據(jù)發(fā)送完畢 后，SDO引腳會輸出一個高電平信號，這時可以繼續(xù)發(fā)送下一數(shù)據(jù)，直到數(shù)據(jù)發(fā)送完畢。要接收數(shù)據(jù)，首先無線模塊接收到同步頭，nIRQ引腳將被拉低通知單 片機(jī)接收數(shù)據(jù)，接收到的數(shù)據(jù)將被放入無線模塊的接收緩沖區(qū)中等待單片機(jī)讀取。整個接收過程中，單片機(jī)都是通過判斷nIRQ的低電平信號來接收數(shù)據(jù)的，接收 完所有數(shù)據(jù)后關(guān)閉接收寄存器，然后對數(shù)據(jù)作進(jìn)一步的處理。RFM12S無線收發(fā)模塊的初始化程序如下：void Init_RFM12S(void) WriteCMD(0x80D8);WriteCMD(0x82D8);WriteCMD(0xA640);WriteCMD(0xC647);WriteCMD(0x94A0);WriteCMD(0xC2AC); WriteCMD(0xC49B);WriteCMD(0x9850); WriteCMD(0xE37D);WriteCMD(0xC800); WriteCMD(0xC000);RFM12S無線模塊發(fā)送流程如圖2所示，無線模塊接收流程如圖3所示。圖2 無線模塊發(fā)送流程圖3 無線模塊接收流程3 低功耗防沖突算法的實現(xiàn) 目前廣泛使用的防沖突算法大都是TDMA，主要有兩大類：基于樹的算法和基于Aloha的算法。Aloha算法根據(jù)讀寫器檢測接收到的信號來判斷有無沖 突。一旦發(fā)生沖突，讀寫器就發(fā)送命令讓標(biāo)簽停止發(fā)送，隨機(jī)等待一段時間后再重新發(fā)送以減少沖突。純Aloha算法存在的一個嚴(yán)重問題是存在錯誤判斷，即對 同一個標(biāo)簽，如果連續(xù)多次發(fā)生沖突，將導(dǎo)致讀寫器出現(xiàn)錯誤判斷，認(rèn)為這個標(biāo)簽不在自己的作用范圍。本文設(shè)計的有源電子標(biāo)簽采用雙工工作模式。這種工作方式靈活，既可自行發(fā)送信息，又可由讀寫器決定它什么時候發(fā)送信息。 具體預(yù)約延時防沖突算法如下：主機(jī)廣播通知現(xiàn)在開始讀取電子標(biāo)簽數(shù)據(jù)，從第一個標(biāo)簽號x開始，其他標(biāo)簽號根據(jù)各自的ID號計算相應(yīng)的休眠時間。假設(shè)每個 標(biāo)簽一次通信需要的時間為T，預(yù)約延時間隔設(shè)為nT，則第m號標(biāo)簽的休眠時間可計算為t=(m-x)nT。當(dāng)休眠時間到時，自動上傳數(shù)據(jù)給主機(jī)。如果收 到主機(jī)回應(yīng)消息證明數(shù)據(jù)上傳無誤，則進(jìn)入休眠，這個休眠時間根據(jù)實際情況設(shè)定；如果未收到主機(jī)回應(yīng)消息，則再次上傳。在nT時間內(nèi)未能成功上傳的標(biāo)簽也進(jìn) 入休眠，同時由主機(jī)標(biāo)識該標(biāo)簽，留作后續(xù)處理。預(yù)約延時算法示意圖如圖4所示。圖4 預(yù)約延時算法示意圖預(yù)約延時算法主機(jī)流程如圖5（a）所示，從機(jī)流程如圖5（b）所示。圖5 預(yù)約延時算法主/從機(jī)流程4 總結(jié) 本文設(shè)計的這種有源電子標(biāo)簽外形美觀，功耗低，防碰撞性能良好，識別距離為100 m以上；可以應(yīng)用于巖土加固工程中錨桿注漿現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集記錄，也可用于車輛出入信息