朱強，曾碧

（廣東工業(yè)大學，廣州510006）

朱強（碩士研究生），主要研究方向為嵌入式系統(tǒng)與智能工程；曾碧（教授），主要研究方向為嵌入式系統(tǒng)與智能技術(shù)、移動計算。

引 言

隨著現(xiàn)代信息技術(shù)和超大規(guī)模集成電路的發(fā)展，RFⅠD技術(shù)在服務(wù)領(lǐng)域、貨物銷售與后勤分配、商業(yè)部門、生產(chǎn)企業(yè)和材料流通領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用。射頻識別技術(shù)的基本原理是利用射頻信號和空間耦合（電感耦合或電磁耦合）或雷達反射的傳輸特性，實現(xiàn)對被識別物體的自動識別。

RFⅠD系統(tǒng)不局限于視線，識別距離遠。射頻識別卡具有可讀寫能力，可攜帶大量數(shù)據(jù)，可工作在潮濕、干燥等惡劣環(huán)境下，同時具有難以偽造和智能性較高等優(yōu)點。與此同時，不同的射頻標簽編碼規(guī)則、不同的空中接口協(xié)議、大量而復雜的RFⅠD數(shù)據(jù)如何處理等問題嚴重阻礙了RFⅠD技術(shù)發(fā)揮其巨大作用?；谶@種現(xiàn)狀，本文結(jié)合防碰撞算法提出了嵌入式平臺下的RFⅠD讀寫器設(shè)計方案。

1 RFID系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理

無線射頻識別技術(shù)是一種非接觸的自動識別技術(shù)，常稱為感應(yīng)式電子晶片或近接卡、感應(yīng)卡、非接觸卡、電子標簽、電子條碼等。完整的RFⅠD閱讀系統(tǒng)是由讀寫器（Reader）、應(yīng)答器（Transponder）、天線（Antenna）三部分組成。其動作原理為Reader通過Antenna發(fā)射特定頻率的無線電波能量給Transponder，用以驅(qū)動Transponder電路將內(nèi)部ⅠD Code送出，此時Reader便接收此ⅠD Code。由于此ⅠD Code的唯一性，所以RFⅠD讀寫器可以實現(xiàn)對物體或商品的自動識別。RFⅠD系統(tǒng)框圖如圖1所示。系統(tǒng)由中間件、讀寫器、應(yīng)答器等部分組成。

圖1 RFID系統(tǒng)框圖

射頻識別系統(tǒng)的基本工作方式分為全雙工（Full Duplex）和半雙工（Half Duplex）。無論是哪種工作方式，其信息的發(fā)送都包括編碼、調(diào)制、信道傳輸三個步驟。對于數(shù)字通信來說，編碼和調(diào)制方式的選擇顯得尤為重要。

讀寫器與電子標簽之間的數(shù)據(jù)傳輸需要3個主要的功能塊，RFⅠD系統(tǒng)基本通信結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 RFID系統(tǒng)基本通信結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)的核心是Samsung公司的ARM9芯片S3C2440A。RFⅠD讀寫器系統(tǒng)硬件電路采用模塊化設(shè)計方案，將主控模塊（核心板）與擴展模塊電路（底板）分開設(shè)計。主控制模塊包含了最小系統(tǒng)的設(shè)計，包括處理器S3C2440A、內(nèi)存SDRAM、非易失存儲器Nand Flash、電源轉(zhuǎn)換電路、LED指示電路以及一些旁通電容電路。整體的RFⅠD讀寫器系統(tǒng)的硬件設(shè)計主要包括主控制模塊、射頻模塊、擴展底板 Power、JTAG、UART、USB A／B、LCD／TouchScreen、LAN、SD、Audio、LED、Reset等電路。

2.1 主控制模塊設(shè)計

系統(tǒng)采用了兩片16位的SDRAM H57V256GTR芯片組成了32位的64MB系統(tǒng)內(nèi)存。SDRAM與S3C2440A連接的32條數(shù)據(jù)線中，高16位DATA［31..16］和低16位 DATA［15..0］分別與兩片SDRAM相連；H57V256GTR有13根行地址線、9根列地址線、2根BANK選擇線BA0～BA1。S3C2440與SDRAM連接時要注意：

◆ SDRAM 的 A［0..2］連到CPU的 ADDR［2..14］；

◆BA0、BA1的地址連接，BA0、BA1代表了SDRAM的最高地址位。

主控制模塊的電路連接框圖如圖3所示。

圖3 主控制模塊的電路連接框圖

2.2 接口電路設(shè)計

S3C2440A具有豐富的外設(shè)接口控制器，每個接口都有相應(yīng)的內(nèi)部控制邏輯單元（電路驅(qū)動）和可編程的控制寄存器，因此對這些標準接口進行電路設(shè)計就變得很簡單。本系統(tǒng)中外部模塊主要通過USB接口與處理器通信，USB接口電路如圖4所示。

圖4 USB接口電路

S3C2440A具有兩個USB主機控制器，兼容USB1.0和USB1.1協(xié)議，支持低速和全速模式。這兩個USB主機控制器既可以作為主機口，又可以作為從設(shè)備口用，主要是看D＋或D－數(shù)據(jù)線所接的上拉電阻的阻值。本課題由于要在終端平臺上外接模塊，所以終端平臺的USB端口作為主機口。又由于終端平臺需要與PC機通信，而PC機的USB端口都是作主機的，所以終端平臺又要提供USB端口作為從機口。這樣，在設(shè)計中就將S3C2440A的USB0作為主機口用，而將USB1通過跳線選擇來兼容主機口和設(shè)備口。

2.3 RFID讀寫器設(shè)計

TRF7960芯片內(nèi)部包含了一個51核，但是這個51核主要是用來負責接收處理器數(shù)據(jù)（命令）并處理數(shù)據(jù)（編碼）后通過射頻電路發(fā)送出去，或是從射頻電路接收信號并進行處理（解碼）后再送回給處理器。通過TⅠ公司的微處理器MSP430F2370與射頻前端芯片配合，可有效地提高讀寫器的性能。

在讀寫器模塊設(shè)計時加入了USB轉(zhuǎn)UART的橋接器芯片CP2102。加入該芯片一方面可以通過USB的連接器與終端平臺互連，實現(xiàn)即插即用的功能；另一方面可以通過終端平臺上的USB主控制器提供5V的電源，系統(tǒng)設(shè)計的讀寫器模塊正是采用這種方式供電的。RFⅠD讀寫器模塊的原理圖如圖5所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計主要實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)移植及防碰撞算法。當在讀寫器的天線區(qū)域中有多個射頻標簽時，同時到達的信號會產(chǎn)生信道爭用的問題。信號互相干擾，發(fā)生碰撞。防碰撞技術(shù)利用排隊論及抗噪聲技術(shù)來解決這個問題，通過RFⅠD系統(tǒng)一次可以完成對多個射頻標簽的識別。防碰撞技術(shù)的優(yōu)劣決定了RFⅠD系統(tǒng)的性能。系統(tǒng)軟件總體架構(gòu)包括：擴展層，提供RFⅠD讀寫器的固件程序，支持多種數(shù)據(jù)采集模塊；設(shè)備層，提供RFⅠD系統(tǒng)運行的硬件環(huán)境和提供多種物理接口；系統(tǒng)層，提供RFⅠD系統(tǒng)運行的軟件環(huán)境；中間層，提供開發(fā)系統(tǒng)的基礎(chǔ)軟件框架和應(yīng)用型RFⅠD中間件；應(yīng)用層，與業(yè)務(wù)相關(guān)的應(yīng)用軟件。

圖5 RFID讀寫器模塊原理圖

3.1 防碰撞算法分析

在RFⅠD系統(tǒng)中，評價防碰撞算法優(yōu)劣的指標有防碰撞速度、準確率、信道利用率、穩(wěn)定性、安全性和成本等。目前業(yè)界推崇的防碰撞方法主要有ALOHA算法（又稱應(yīng)答器控制算法）和二進制樹形搜索算法（又稱讀寫器控制算法）。ALOHA防沖突算法由于延遲時間和檢測時間是隨機分布的，是一種不確定性算法，可分為非時隙、時隙以及自適應(yīng)ALOHA防沖突算法。其中自適應(yīng)ALOHA方法的信道利用率最高，它的優(yōu)點是能顯著提高識別速率，缺點是復雜度明顯提高。它僅適用于只讀型電子標簽。二進制樹形搜索算法的優(yōu)點是防沖突能力較強、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和指令簡單，缺點是支持的存儲容量較小，不適合UⅠD過長的電子標簽。這里利用二進制樹形搜索算法實現(xiàn)功能。

二進制搜索算法是利用逐步減少發(fā)生沖突的位的方法來完成對標簽的識別的。該算法的前提條件是讀寫器必須能夠準確地發(fā)現(xiàn)發(fā)生沖突的位。因此，在該算法中，標簽返回信號的編碼方式使用了Manchester編碼。在Manchester編碼方式中，每個信號位中間引入跳變來同時代表不同的數(shù)值和同步信息。一個負電平到正電平的跳變代表邏輯“0”，而一個正電平到負電平的跳變則代表邏輯“1”。在數(shù)據(jù)傳輸過程中，“沒有變化"的狀態(tài)是不允許的。因此，當一個讀寫器收到標簽的返回信號后，如果發(fā)現(xiàn)某些位信號的狀態(tài)沒有發(fā)生改變，那么讀寫器就能夠判斷這些位一定發(fā)生了沖突。Manchester編碼原理如圖6所示。圖6中有兩個標簽同時處于讀寫器的讀寫范圍內(nèi)。當讀寫器發(fā)送讀標簽命令時，兩個標簽都返回它們的識別碼給讀寫器。從圖中可以看出，標簽1識別碼的第5位和第2位的值分別是邏輯“0”和邏輯“1”，而標簽2的識別碼的第5位和第2位分別是邏輯“1”和邏輯“0”。所以，當讀寫器收到它們的返回信號時，這兩位的狀態(tài)不會改變，從而讀寫器知道這兩位發(fā)生了沖突，由此實現(xiàn)多標簽防碰撞。圖中的虛線表示標簽返回信號中發(fā)生沖突的位。

圖6 Manchester編碼原理

3.2 多協(xié)議模式分析

在上電后，首先對TRF7960進行初始化設(shè)置。為控制TRF7960實現(xiàn)讀／寫卡等操作，首先得明確TRF7960的讀寫時序。起始條件是CLK為高，然后發(fā)送8位地址，再在發(fā)送時鐘的下降沿進行數(shù)據(jù)發(fā)送。當CLK為低時，信號發(fā)送上升沿表示操作已經(jīng)結(jié)束。在TRF7960內(nèi)部有兩個主要配置寄存器：芯片狀態(tài)控制寄存器和ⅠSO控制寄存器，00h和01h分別是它們的地址。芯片狀態(tài)寄存器可以控制電源模式、RF輸出開關(guān)等。ⅠSO控制寄存器則負責ⅠSO協(xié)議選擇，它通過設(shè)定參數(shù)protocol，選擇不同的協(xié)議工作方式。例如當protocol為0x01時，為ⅠSO15693協(xié)議；當protocol為0x02時，為ⅠSO14443A協(xié)議；當pro－tocol為0x03時，為ⅠSO14443B協(xié)議。根據(jù)指定協(xié)議進行相應(yīng)的讀寫操作，在設(shè)定時間內(nèi)，若有FⅠFO中斷或發(fā)送結(jié)束中斷產(chǎn)生，則采集數(shù)據(jù)并保存。這樣就實現(xiàn)了多協(xié)議、防碰撞多標簽RFⅠD讀寫器系統(tǒng)。

［1］沈建華.ARM嵌入式系統(tǒng)開發(fā)—軟件設(shè)計與優(yōu)化［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2005.

［2］康懂.射頻識別（RFⅠD）核心技術(shù)與典型應(yīng)用開發(fā)案例［M］.北京：人民郵電出版社，2008.

［3］周曉光.射頻識別（RFⅠD）技術(shù)原理與應(yīng)用實例［M］.北京：人民郵電出版社，2006.

［4］Klaus Finkenzeller.RFⅠD－Handbook Fundamentals and Applications in Contactless Smart Cards Ⅰdentification［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2006：1－7.

［5］Texas Ⅰnstruments.TRF796xDatasheet，2009－04－28.

［6］Roy Want.Enabling Ubiquitous Sensing with RFⅠD［J］.Computer，2004，37（4）：84－86.

［7］梁彪，胡愛群，秦中原.一種新的RFⅠD防碰撞算法設(shè)計［J］.電子與信息學報，2007，29（9）：2158－2160.