1.1 单片机电路
射频标签发行量巨大且由电池供电，所以成本和功耗是首先要考虑的问题。综合考虑这两个因素本设计选择了MSP430F122。MSP430系列单片机是TI公司生产的16位系列单片机，在电池供电的低功耗应用中具有独特的优势。其工作电压为1.8V～3.6V，有四种低功耗模式，正常工作时电流为300μA左右，在休眠条件下工作的电流仅为0.8μA，具有16位的RISC结构，数字控制振荡器提供从任何低功耗模式到激活模式小于6?滋s的快速唤醒时间，具有JTAG调试电路和在线烧录程序接口。
JTAG电路：TDO、TDI、TMS、TCK、RST组成JTAG调试电路，该部分在调试阶段必须具备，当调试通过后，在量产阶段可以去掉。在此对JTAG接口做个简要介绍，JTAG接口是1985年制定的检测PCB和IC芯片的一个标准，1990年被修改后成为IEEE的一个标准即IEEE1149.1。通过这个标准，可对具有JTAG口芯片的硬件电路进行边界扫描和故障检测。具有JTAG口的芯片都有如下JTAG引脚定义。
TCK(Test Clock Input)：测试时钟输入，TCK为TAP操作提供了一个独立的、基本的时钟信号，TAP的所有操作都是通过这个时钟信号来驱动的；
TDI(Test Data Input)：测试数据输入，数据通过TDI输入JTAG口；
TDO(Test Data Output)：测试数据输出，数据通过TDO从JTAG口输出；
TMS(Test Mode Selection Input)：测试模式选择，TMS用来设置JTAG口处于某种特定的测试模式，TMS信号在TCK的上升沿有效。
这四个信号在IEEE 1149.1标准里是强制要求的。
TRST(Test Reset Input)：测试复位，输入引脚，低电平有效，TRST信号在IEEE 1149.1标准里不是强制要求的。
BSL（bootstrap loader）电路：MSP430的bootstrap loader(BSL)使用户可以使用一个UART串行接口对Flash存储器或RAM进行编程，方便系统进行升级。MSP430F122的BSL电路由P1.1(BSLTX)、P2.2(BSLRX)、TCK、RST四个引脚组成。
P3.6、P3.7为I2C总线接口电路，由于MSP430F122无I²C硬件接口，本系统用I/O口来模拟I2C接口电路。P3.4、P3.5为串行通讯电路，P3.4为串口的TXD发送端，P3.5为串口的RXD接收端，分别与nRF401的Din和Dout脚连接。P3.0接nRF401的CS频道选择端，CS=0为433.92MHz，CS=1为434.33MHz。P3.1连接nRF401的节电控制端PWR_UP，PWR_UP=0 时nRF401处于待机模式，PWR_UP=1为活动模式。P3.2接nRF401的发射接收控制端TXEN，TXEN=1为发射模式，TXEN=0为接收模式。
1.2 模拟射频电路
在本系统设计中模拟射频电路采用nRF401芯片为主控芯片，该芯片采用FSK调制解调技术，最高工作速率可达到20Kb/s，发射功率可以调整，最大发射功率是+10dBm。
nRF401的天线接口设计为差分天线，以便于使用低成本的PCB天线。它所需要的外围元件少，无需声表滤波器、变容管等昂贵元件，只需要便宜且易于获得的4MHz晶体，收发天线合一，无需进行初始化和配置，不需要对数据进行曼彻斯特编码，有两个工作频宽（433.92/434.33MHz），工作电压为2.7V~5V，还具有待机模式，可以更省电和高效。因此非常适合便携式产品设计。其结构框图如图2所示。

nRF401有3种工作模式：收模式(RX)、发模式(TX)和等待模式（Stand.by），其具体工作模式可由3个引脚设定，分别是TXEN、CS和PWR_UP。因此可以通过单片机控制nRF401的工作模式，使其处于接收、发射、等待中的任一种状态，实现半双工通信。若PWR=0，TXEN和CS任意，则系统为待机状态；若TXEN=1，则为发送状态；TXEN=0，为接收状态。CS为信道选通端，CS=0选通信道为433.92MHz；CS=1选通信道为434.33MHz。RF_PWR为发射功率设置，调节电阻R3值可以调节输出发射功率，最大发射功率可以调节到+10dBm。其主要特性如下：
(1)工作频率为国际通用的数传频段；
(2)工作速率最高可达20Kb/s；
(3)FSK调制，抗干扰能力强；
(4)采用PLL频率合成技术，频率稳定性极好；
(5)灵敏度高达-105dBm；
(6)功耗小，接收状态250μA，待机状态仅为8μA；
(7)最大发射功率达+10dBm；
(8)低工作电压(2.7V)，可满足低功耗设备的要求；
(9)具有多个频道，可方便地切换工作频率；
(10)因采用了低发射功率、高接收灵敏度的设计，使用无需申请许可证，开阔地的使用距离最远可达1000m。
nRF401接收机使用频移键控(FSK)调制方式，改善了噪声环境的系统性能。nRF401另一个非重要的特性是接收机的频带外阻抗很高，这意味着它不需要外部声面波(SAW)滤波器。
本系统的无线通讯模块发送部分是通过单片机串行口发送到nRF401的Din脚进行发送，而接收部分是由模块接收到数据以后，由Dout输入到单片机的串行口的，连接示意图如图3所示。

1.3 存储电路
存储电路使用的芯片为AT24C01，是128B的EEPROM。该芯片是用来存储标签密钥，在发行射频标签时通过读写器的射频芯片发射传播一串密钥。例如，12B的数据通过射频标签的nRF401芯片接收后送到单片机的串行口，再经过单片机的处理后写入到I2C存储器AT24C01中，以后每次对卡片进行读写操作时，首先要进行密钥判断，如果密钥正确才能进行相应的读写操作，从而有效防止该射频标签被误读，只有发行该卡片的读写器才能对其进行读写。
1.4 电池工作寿命的计算与工作循环的关系
(1)一个CR2032型锂电池（标称容量>210mAh），要让该电池工作半年以上(4380h)。
(2)为满足该连续工作时间，理论上要求平均工作电流为：
I=210mA.h/4380h=47.9μA
(3)在工作模式转换中，从待机到接收稳定最多需要5ms的时间，另外加上10ms时间来搜索前置码，所以设计工作时间为15ms，待机时间为3.45s，此时理论平均工作电流为：
I=11mA×（15ms/3.45s）=47.8μA
nRF401接收电流为11mA，这也意味着为了唤醒标签，读卡器每次发送数据时必须先发送至少3.45s的前置码，以保证能够可靠唤醒标签。对于标签来说，每工作15ms若搜索不到前置码，即进入待机模式3.45s。利用在待机模式和接收模式之间的切换来减小功耗。当加大电池容量后，就可以延长电池的使用时间和缩短待机时间。
1.5 系统开发环境
(1)编译器使用MSP430的IAR C编译器。
(2)仿真器使用杭州利尔达公司LSD-FET430P120。
(3)编程器使用杭州利尔达公司的LSD-430PRGS-IIIA。
2 系统软件设计
系统软件采用模块化程序设计，用C语言编写。主要由四部分组成，包括：主程序模块、通信程序模块、I2C通讯模块、存储程序模块。主程序流程图如图4所示。