一种降低rfid标签数据发送功耗的方法

专利名称：：一种降低rfid标签数据发送功耗的方法
技术领域：
：本发明涉及射频识别(RadioFrequencyIdentification,简称RFID)
技术领域：
，尤其涉及一种降低RFID标签数据发送功耗的方法。
背景技术：
：功耗问题制约着射频识别(RFID)系统的应用领域，特别在使用有源、半有源RFID系统中，RFID标签在更换一次电池后的工作时间是一个非常重要的指标，如何在原有的一些低功耗设计基础上更进一步，通过以软硬结合的方式进一步降低标签的功耗，使RFID标签在保持原有工作性能的基础上，能工作的时间更长久。通常RFID标签的电池寿命可以由下式计算峰值电流x有效时间+休眠电流x有效时间平均工作电流电池寿命-总时间电池存C总电荷量平均工作电流平均工作电流的组成有图1所示。实践中，有源、半有源RFID标签工作特性是用电量的95X以上是由工作时间的长短和峰值电流的大小这两个因素决定的。休眠时的电流一般会被忽略。在RFID低功耗设计上，目前采用的主要由硬件设计和软件设计方法相结合。对于硬件方面，有源、半有源RFID标签硬件主要器件是由单片机和射频收发芯片组成，选择一些本身具有低功耗特性的单片机是非常重要的，可以降低整个标签系统设计的功耗。选择射频收发芯片应该根据设计需求，射频收发芯片主要功耗有两种，一种是发射数据功耗较低的射频芯片，主要应用于大部分是发送数据为主的应用设计；另一种是收发数据功耗相对比较平衡，主要应用于接收和发送数据比较平衡的应用。同时在电路设计中应尽量简化电路，删除不必要的电子器件，布线尽量使用短距离布线，在减少功耗开支的情况下工作的稳定性也能对于软件设计方面，有以下方法:31、单片机使用读Flash方法代替使用读RAM方法，用宏定义来代替子程序调用，因为CPU进入子程序时，会首先将当前CPU寄存器推入堆栈(RAM)，在离开时又将CPU寄存器弹出堆栈，这样至少带来两次对RAM的操作，所以读RAM会比读Flash带来更大的功耗。用宏定义来代替子程序调用，无疑会降低系统的功耗。2、设计高效算法，使用査表方法替代实时计算，在软件设计的开始，就要进行算法的选择，应该选择工作效率高的算法，尽量减少CPU的运算量，将一些运算的结果预先算好，放在Flash中，用查表的方法替代实时的计算，减少CPU的运算工作量，可以有效降低功耗。3、控制变量和变量的数据类型，尽量#用短的数据类型，不可避免的实时计算，精度够用就可以，如尽量使用字符型的8位数据替代16位的整型数据，尽量使用分数运算而避免浮点数运算等。临时变量有效的时间短、循环的合理运用都会降低算法所需的功耗。4、减少I/0口工作时间的操作，让I/0模块间歇运行，不用的I/0模块或间歇使用的1/0模块要及时关掉，以节省电能。不用的I/O引脚要设置成输出或设置成输入，用上拉电阻拉高。若引脚没有初始化，可能会增大单片机的漏电流。采用以上的方法所获得的降耗效果已经到达了一个瓶颈，尤其对于RFID数据发送时的功耗的降低很难有所突破。
发明内容本发明的目的是公开一种一种降低RFID标签数据发送功耗的方法，在目前普遍存在的有源、半有源RFID低功耗解决方案外，寻找一种以软件为主，在保持原有工作性能的基础上，更进一步有效降低功耗，使有源、半有源RFID标签的电池能工作更多的时间。本发明的技术方案是，一种降低RFID标签数据发送功耗的方法，采用改变RFID标签的微控制器的工作频率的方式，包括以下步骤将高频振荡器接入所述微控制器的第一频率输入口；将低频振荡器接入所述微控制器的第二频率输入口；唤醒所述微控制器并设置为高频工作方式；配置所述微控制器的I/0口，设置成工作参数；所述RFID标签发送数据直到所有数据发送完毕，配置所述微控制器的I/O口，关闭外围电路；所述微控制器设置为低频工作方式；所述RFID标签进入休眠状态。上述的方法中，还包括提高数据传输功率和传输速率的步骤，具体包括开始配置射频芯片参数；判断所述射频芯片是否支持2个以上的传输速率、目前使用的射频芯片的传输速率是否未达到最高速率和射频芯片的发射功率是否未达到最高，若结果是否定的，则使用原来的配置，退出所述提高数据传输功率和传输速率的步骤，若结果是肯定的，则修改参数，提高发射功率和数据传输速率；判断是否可以达到原先射频芯片配置的效果，若结果是否定的，则使用原来的配置，退出所述提高数据传输功率和传输速率的步骤，若结果是肯定的，则新配置生效。本发明技术方案的原理，当采用变频的工作方式时，在原有的RFID硬件基础上，实现一种变频的工作方式，使有源RFID标签的功耗在原有的基础上进一步降低，同时不影响原有的性能。标签，主要由微控制器(或者称为单片机)、射频芯片、天线、电池及周边电路组成，标签工作时的功耗主要由微控制器和射频芯片产生。动态鹏公式为<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>公式中P是动态功耗，是我们需要降低的值。公式中的c是动态电容，系统的动态电容取决于加工工艺和设计单元库，是硬件设计上考虑的因素，设计完毕后基本上是固定不变的。公式中的f是工作频率，是变频工作方式的重点。V是电源电压，在RFID设计上一般是3v的电池，电池的放电曲线因素暂时不在我们的讨论范围内。通过公式，可以清楚的看到，公式中的f频率与功耗P是正比的关系，也就是f降低，p也会降低，并且是明显的线性关系。变频工作的方案包括在标签工作时间采用高的频率工作，低的工作频率会增加功耗，因为标签在工作时间主要的功耗是在单片机和射频芯片及周边电路上，射频芯片及周边电路的工作频率一般是固定的，但是工作时间的长短取决于单片机，射频芯片及周边电路多工作lms时间就会多消耗这lms的工作电流。变频工作的方案包括标签休眠时间采用低频工作。标签在休眠时，射频芯片及周边电路处于非工作状态，单片机处于低功耗状态，此时标签的主要功耗都集中在单片机上，通过动态功耗公式可以得出把单片机休眠的输入时钟调低将有效降低功耗，休眠状态不需要高效率工作状态，唯一需要注意的是从低功耗模式被唤醒后重新进入工作状态的速度会相对慢些，如果是定时唤醒，可以通过调整定时器的数值解决此问题。当RFID标签在非极限距离工作的情况下，提高射频芯片的数据传输速率。标签在工作时间的电流分配模拟效果如图7所示。标签在工作时间主要分三个部分1.单片机唤醒后进行配置工作单片机由休眠状态进入到工作状态，单片机被唤醒，进行配置工作，主要对I/O口进行设置，对射频芯片进行必要的配置。2.射频芯片发送数据单片机传输数据给射频芯片，射频芯片对外发送数据。3.单片机进入休眠前配置工作射频芯片发送完一次数据后，单片机进入休眠状态前的配置工作，主要对I/O口进行关闭处理，切断射频芯片电源。射频芯片发送数据这个过程是标签在工作时间耗电最多的一个过程，如果使用相同的射频芯片，电流的大小取决于射频芯片的发射功率，如果发送相同字节长度的数据，耗电的时间取决于射频芯片发送数据的速率，速率越高发送数据时间越短，功耗越低。在无线通讯过程中，发送数据频率越高，信号灵敏度越低，传输的距离越短。相同的射频芯片提高发送数据频率后，如果需要达到相同的信号灵敏度要求，射频芯片需要提高发射功率。本发明的有益效果，可以分析如下，对于变频工作，RFID标签工作时间采用高频率的工作方式时，标签在一个工作周期内高频工作和低频工作的电流模拟效果图2所示，通过分析，可以确定在工作时间内低频工作对降低功耗是不利的，只有高频工作才能达到理想的效果。当RFID标签在休眠时间使用低频率的工作方式，标签在休眠时间采用高频工作和低频工作的两种不同效果，如果高频频率是低频频率的两倍，那么休眠时的功耗也是两倍的关系，模拟效果如图3所示。RFID标签在非极限距离工作的情况下，提高射频芯片的数据传输速率的效果。可以举例在相同的信号灵敏度情况下发送相同长度字节数据，发送频率是250KBps和发送数据频率是lMBps的效果，如图4所示。可以看出，lMBps数据发送速率比250KBps数据发送速率的峰值电流要大，平均峰值电流也大，但是工作时间明显縮短，功耗明显下降。下表Table20是一个比较流行的射频芯片nRF2401A的器件手册中摘录的有关发送功率和电流的关系，可以明显看出，适当调高发射功率后，电流增加的比例要小很多。<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>CffldMo置VDD=3.0V,VSS=0V,TA=27"C,Loadjjnpedam=100Q4J173Q.Table20RFoutputpow'ersettingforthenRF雄lA.图1现有技术中RFID标签电流模拟效果图图2本发明有益效果分析RFID标签高频工作和低频工作的电流模拟效果图图3本发明有益效果分析RFID标签低频休眠和高频休眠的模拟效果图图4本发明有益效果分析lMBps数据发送速率和250KBps数据发送速率效果图图5本发明一实施例中降低数据发送功耗变频工作流程图图6本发明一实施例中降低数据发送功耗提高传输功率和传输速率流程图图7本发明RFID标签工作电流模拟效果图具体实施例方式以下结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。为降低RFID标签数据发送功耗的方法，采用改变RFID标签的微控制器的工作频率的方式，包括以下步骤将高频振荡器接入所述微控制器的第一频率输入口；将低频振荡器接入所述微控制器的第二频率输入口；唤醒所述微控制器并设置为高频工作方式；配置所述微控制器的1/0口，设置成工作参数；所述RFID标签发送数据直到所有数据发送完毕，配置所述微控制器的I/O口，关闭外围电路；所述微控制器设置为低频工作方式；所述RFID标签进入休眠状态。上述的方法中，还包括提高数据传输功率和传输速率的步骤，具体包括开始配置射频芯片参数；判断所述射频芯片是否支持2个以上的传输速率、目前使用的射频芯片的传输速率是否未达到最高速率和射频芯片的发射功率是否未达到最高，若结果是否定的，则使用原来的配置，退出所述提高数据传输功率和传输速率的步骤，若结果是肯定的，则修改参数，提高发射功率和数据传输速率；判断是否可以达到原先射频芯片配置的效果，若结果是否定的，则使用原来的配置，退出所述提高数据传输功率和传输速率的步骤，若结果是肯定的，则新配置生效。目前采用变频的工作方式实现方法，较流行的低功耗单片机如MPS430系列和C8051F系列等单片机都有2个以上外部频率输入口，可以将高频振荡器和低频振荡器分别接入到2个不同的频率输入口，通过软件根据需要进行切换就可以实现变频工作。外部振荡器有以下四种，可以根据需要选择，目前较多的一般使用(2)外部晶振。(1)外部CMOS时钟。(2)外部晶振。(3)外部电容C模式。(4)外部振荡RC模式。8如果使用的单片机没有2个以上外部频率输入口，可以使用单片机的倍频工作方式和分频工作方式来实现。举例一个简单的定时发送数据的标签软件变频工作的流程如图5，唤醒所述微控制器并设置为高频工作方式；配置所述微控制器的I/0口，设置成工作参数；所述RFID标签发送数据直到所有数据发送完毕，配置所述微控制器的I/O口，关闭外围电路；所述微控制器设置为低频工作方式；所述RFID标签进入休眠状态。进一步，当RFID标签在非极限距离工作的情况下，提高射频芯片的数据传输速率实现方法。目前市场上主流的如nRF2401系列和CC2500系列等射频芯片都有多种不同的数据发送频率提供给设计者选择，这样给使用提高射频芯片的数据传输速率这种方法提供了硬件基础。如图6所示，在原有的配置基础上尝试使用提高射频芯，包括，上述的方法中，还包括提高数据传输功率和传输速率的步骤，具体包括-开始配置射频芯片参数；判断所述射频芯片是否支持2个以上的传输速率、目前使用的射频芯片的传输速率是否未达到最高速率和射频芯片的发射功率是否未达到最高，若结果是否定的，则使用原来的配置，退出所述提高数据传输功率和传输速率的步骤，若结果是肯定的，则修改参数，提高发射功率和数据传输速率；判断是否可以达到原先射频芯片配置的效果，若结果是否定的，则使用原来的配置，退出所述提高数据传输功率和传输速率的步骤，若结果是肯定的，则新配置生效。权利要求1、一种降低RFID标签数据发送功耗的方法，其特征在于，采用改变RFID标签的微控制器的工作频率的方式，包括以下步骤将高频振荡器接入所述微控制器的第一频率输入口；将低频振荡器接入所述微控制器的第二频率输入口；唤醒所述微控制器并设置为高频工作方式；配置所述微控制器的I/O口，设置成工作参数；所述RFID标签发送数据直到所有数据发送完毕，配置所述微控制器的I/O口，关闭外围电路；所述微控制器设置为低频工作方式；所述RFID标签进入休眠状态。2、如权利要求1所述的降低RFID标签数据发送功耗的方法，其特征在于，还包括提高数据传输功率和传输速率的步骤，具体包括开始配置射频芯片参数；判断所述射频芯片是否支持2个以上的传输速率、目前使用的射频芯片的传输速率是否未达到最高速率和射频芯片的发射功率是否未达到最高，若结果是否定的，则使用原来的配置，退出所述提高数据传输功率和传输速率的步骤，若结果是肯定的，则修改参数，提高发射功率和数据传输速率；判断是否可以达到原先射频芯片配置的效果，若结果是否定的，则使用原来的配置，退出所述提高数据传输功率和传输速率的步骤，若结果是肯定的，则新配置生效。全文摘要本发明公开一种降低RFID标签数据发送功耗的方法，其特征在于，采用改变RFID标签的微控制器的工作频率的方式，包括以下步骤将高频振荡器接入所述微控制器的第一频率输入口；将低频振荡器接入所述微控制器的第二频率输入口；唤醒所述微控制器并设置为高频工作方式；配置所述微控制器的I/O口，设置成工作参数；所述RFID标签发送数据直到所有数据发送完毕，配置所述微控制器的I/O口，关闭外围电路；所述微控制器设置为低频工作方式；所述RFID标签进入休眠状态。本发明在保持RFID标签原有工作性能的基础上，更进一步有效降低功耗，使有源、半有源RFID标签的电池能工作更多的时间。文档编号G06K19/07GK101604402SQ20091005502公开日2009年12月16日申请日期2009年7月17日优先权日2009年7月17日发明者梁俐斌申请人:上海邮政科学研究院