最新基于arm嵌入式平臺的rfid閱讀器設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 任何特殊的許可限制；４．低頻產品有不同的封裝形式。好的封裝形式就是價格太貴，但是有１０年以上的使用壽命；５．雖然該頻率的磁場區域下降很快，但是能夠產生相對均勻的讀寫區域；６．相對于其他頻段的ＲＦＩＤ產品，該頻段數據傳輸速率比較慢；７．感應器的價格相對與其他頻段來說要貴。高頻系統的工作頻率提升到１３．５６ＭＨｚ，感應器一般通過負載調制的方式進行工作。也就是通過感應器上的負載電阻的接通和斷開促使讀寫器天線上的電壓發生變化，實現用遠距離感應器對天線電壓進行振幅調制。如果通過數據控制負載電壓的接通和斷開，那么這些數據就能夠從感應器傳輸到讀寫器。高頻系統的特性：１．工作頻率為１３．５６ＭＨｚ，該頻率的波長大概為２２ｍ；２．除了金屬材料外，該頻率的波長可以穿過大多數的材料，但是往往會降低讀取距離。感應器需要離開金屬一段距離；３．該頻段在全球都得到認可并沒有特殊的限制；４．感應器一般是電子標簽的形式；５．雖然該頻率的磁場區域下降很快，但是能夠產生相對均勻的讀寫區域；６．該系統具有防沖撞特性，可以同時讀取多個電子標簽；７．可以把某些數據信息寫入標簽中；８．數據傳輸速率比低頻要快，價格不是很貴。超高頻系統的工作頻率為８６０ＭＨｚ到９６０ＭＨｚ之間，超高頻系統通過電場來傳輸能量。電場的能量下降不是很快，但是讀取的區域不是很好進行定義。該頻段讀取距離比較遠，無源可達１０ｍ左右。特性為：１．在該頻段，全球的定義不是很相同一一歐洲和部分亞洲定義的頻率為８６８ＭＨｚ，北美定義的頻段為９０２到９０５ＭＨｚ之間，在Ｒ本建議的頻段為９５０到９５６１ｌ電子科技大學碩士學位論文之間。該頻段的波長大概為３０ｃｒｎ左右；２．目前，該頻段功率輸出目前統一的定義（美國定義為４Ｗ，歐洲定義為５００ｍＷ），可能歐洲限制會上升到２ＷＥＩＲＰ；３．超高頻頻段的電波不能通過許多材料，特別是水，灰塵，霧等懸浮顆粒物資；４．電子標簽的天線一般是長條和標簽狀，天線有線性和圓極化兩種設計，滿足不同應用的需求；５．該頻段有好的讀取距離，但是對讀取區域很難進行定義；６．有很高的數據傳輸速率，在很短的時間可以讀取大量的電子標簽。ＲＦＩＤ的另一個重要特征是ＲＦＩＤ標簽的供電。有源標簽的內部裝有電池，為微芯片的工作提供能量。當ＲＦＩＤ閱讀器和標簽相距較遠時，閱讀器也能讀取標簽發出的數據，不足之處是電池壽命有限，需更換，并且會占用標簽的一定空間。而無源標簽工作所需的能量全部來自于閱讀器的電磁場中，標簽芯片的設計需要包含這一供電環節。另外，ＲＦＩＤ系統還可以按照能否寫入標簽數據來分類。一個能對標簽進行讀寫操作的ＲＦＩＤ閱讀器，稱之為ＲＦＩＤ讀寫器更為貼切，不過習慣上我們還是使用閱讀器這個說法。另外標簽本身能否讀寫主要取決于標簽芯片所攜帶的數據記錄載體，如固化不可再寫入的標簽芯片一般在集成電路生產時就將信息以ＲＯＭ工藝模式注入，而可重復擦寫的標簽芯片一般采用ＥＥＰＲＯＭ或者ＦＲＡＭ作為數據載體【１０１。２．３ＲＦＩＤ讀寫器系統的結構２．３．１ＲＦＩＤ讀寫器的硬件構成和各部分功能ＲＦＩＤ閱讀器的功能是啟動射頻標簽，并與標簽建立通信與交互數據。一個經典的ＲＦＩＤ系統硬件架構如圖２．４所示：１２第二章砒Ｄ基本原理和ＩｕＦⅢ閱讀器系統結構圖２－４ＲＦＩＤ系統硬件架構框圖可以看出，要完整的實現ＲＦＤ閱讀器的功能，一個閱讀器系統至少需要包含四個模塊，即天線、射頻前端、控制模塊和接口部分。按照信號類型劃分，我們通常將天線和射頻模塊統一起來劃分到模擬部分，而控制和處理的模塊劃分到數字部分。同時，如果讀寫器本身要求實現一些應用上的功能，它還應該集成一定的應用模塊在其中。在功能上講，模擬部分負責和標簽之間的通信，而數字部分需要控制整個通信過程以及處理來往的數據，下面分別介紹模擬部分和數字部分的硬件構成以及它們的主要功能。２．３．１．１模擬部分根據閱讀器和標簽之間能量和數據傳輸方式的不同，閱讀器的模擬部分又可以分為電感耦合系統、微波表面波系統和時序系統。但閱讀器的原理相似，下面以電感耦合系統為例進行討論。模擬部分的發送、接收過程及功能模塊構成如圖２－５所示：電子科技大學碩士學位論文圈圈圓圈因圍圍……回…￡蛩圖２－５ＲＦＩＤ閱讀器模擬部分發送接收方框圖模擬部分的功能有：１．產生高頻的發送功率，啟動標簽并為它提供能量；２．對發射數據進行調制，用于將數據傳送給標簽；３．接收并解調來自標簽的高頻信號。對于發送部分，首先由頻率穩定的石英晶體振蕩器產生所需的工作頻率，震蕩信號被饋送到由信號編碼的基帶信號控制調制器。對輸入數據進行ＡＳＫ或ＦＳＫ調制，變為Ｍａｎｃｈｅｓｔｅｒ、Ｍｉｌｌｅｒ或者ＮＰ，Ｚ碼。同時發送部分將此基帶信號送到頻率合成器，經功率放大輸出使調制后的信號達到所需電平，耦合到震蕩線圈輸出。接收端則采用隔開的信號信道接收震蕩線圈上收到的微弱信號，將此微弱信號放大、濾除雜波，經過混頻提取出基帶信號，然后經過ＡＳＫ或ＦＳＫ的解調后可以得到來自標簽的數據信息。可以看出，模擬部分的硬件構成其實是一個發送、接收機系統，不同于其他發送、接收機的一點是它需要向其通信對象提供工作所需能量。２．３．１．２數字部分從功能上來看，ＲＦＩＤ閱讀器的數字部分因該是一個完整的數據處理和控制系統，必然包括處理器、存儲器、控制端口和數據端口這幾個組成部分。圖２－６是一個典型的數字部分的示意圖，任何一個ＲＦＩＤ閱讀器，其數字部分都應至少包含圖中所示的這些模塊。１４第二章ＲＦＩＤ基本原理和ＲＦＩＤ閱讀器系統結構數據輸入圖２－６ＲＦＩＤ閱讀器數字部分構成數字部分主要完成的任務有：１．與系統軟件通信，執行系統軟件命令；２．控制與應答器的通信；３．信號的編碼與解碼；４．執行反碰撞算法；５．數據的加密與解密；６．進行應答器與閱讀器的身份驗證。通過上述分析可以得出，數字部分可以是一個ＰＣ系統，也可以是一個嵌入式系統，甚至可以簡化成一個單片機系統。設計上，怎樣構建一個ＲＦｌＤ閱讀器的數字部分，主要取決于與模擬部分的接口匹配問題、處理和控制能力問題以及系統特征和功能上的要求。２．３．２ＲＦＩＤ閱讀器的軟件部分及其功能對于一個ＲＦＩＤ閱讀器來說，無論是ＰＣ系統、嵌入式平臺或是單片機系統，都必然需要相應的軟件來與硬件系統配合，才能實現閱讀器所需的功能。而軟件的復雜程度，取決于使用者對控制和應用功能的需求。按照層次劃分的ＲＦＩＤ閱讀器軟件構成如圖２．７所示：１５電子科技大學碩士學位論文用戶界面應用程序硬件控制和驅動程序操作系統圖２－７閱讀器軟件構成對于任何軟件工程來說，操作系統和平臺的選擇和構建都是至關重要的。ＲＦＩＤ閱讀器的軟件，最簡單的可以簡化到只有控制數據接收解碼然后傳送給上位機，復雜的可能需要涉及實時控制、顯示、報警、通訊和組網等各種功能。所以，操作系統的選取和構建除了需要適合硬件平臺之外，還需要考慮使用功能上的要求。對于ＰＣ平臺，常用的Ｗｉｎｄｏｗｓ和Ｌｉｎｕｘ系統可以適應絕大多數的硬件平臺，功能上也可以有相當豐富的資源和開發工具。然而ＰＣ系統的體積和功耗制約了其在ＲＦＩＤ閱讀器領域的發展。通常的ＲＦＩＤ閱讀器是以單片機、ＡＲＭ等微處理器構成的嵌入式系統。這樣一來，承載ＲＦＩＤ閱讀器軟件的一般是一些嵌入式操作系統如Ｌｉｎｕｘ、ＷｉｎＣＥ等。一些簡單的閱讀器也可能采用無操作系統的模式。在操作系統之上，控制和驅動程序是軟件和硬件相接口的部分，此部分軟件的設計，需要詳細了解所針對硬件的接口標準和控制端口的信息。此層面的軟件把上層應用軟件的控制命令下發到硬件，同時接收發送上來的數據，經處理后上傳給需要數據的應用程序。應用程序主要負責處理來自用戶的控制要求并下發，同接收下層傳回的數據并反饋給用戶。同時針對不同功能的應用程序之間需要協商處理器和存儲器資源的分配以及彼此交換所需的數據。用戶界面主要是為用戶提供一個操作和顯示反饋信息的平臺。２．４基于不同頻段的ＲＦｌＤ閱讀器設計和實現上的不同點比較由于工作在低頻、高頻和超高頻下的ＲＦＩＤ系統，其耦合方式、數據速率、操１６第二章ＲＦＩＤ基本原理和ＲＦＩＤ閱讀器系統結構作距離等方面都有比較顯著的差異，所以在進行不同頻段的ＲＦＩＤ讀寫器的設計時，系統各部分都會存在或多或少的不同，下面分別說明。１．模擬部分比較首先是天線設計上存在很大差異：采用電感耦合方式的低頻和高頻ＲＦＩＤ閱讀器，在讀寫器線圈和感應器線圈間存在著變壓器耦合作用。通過讀寫器交變場的作用在感應器天線中感應的電壓被整流，可作供電電壓使用。此類天線一般為電感量較大的線圈，對電感量和Ｑ值有一定的要求。對于低頻閱讀器，傳統上一般采用繞制的方式，如果須印制在ＰＣＢ上，須占用較多ＰＣＢ信號層和電路板面積。而使用電磁反向散射耦合方式的ＵＨＦ閱讀器天線，其對射頻特性的要求較高，主要考慮天線與標簽芯片之間的匹配問題，但此類天線普遍面積不大，可以方便的制作在ＰＣＢ上。此類天線必須滿足：１）足夠的小以至于能夠放置到較小的空間；２）有全向或半球覆蓋的方向性；３）提供最大可能的信號給標簽的芯片；除天線之外，模擬部分還要完成編碼、調制、濾波、功率檢測等任務，本文后面將介紹一款成熟的１２５ｋＨｚ頻率ＲＦＩＤ模擬前端芯片ＥＭ４０９５的電路和驅動。此類的模擬前端芯片，能夠完成天線上的模擬信號和數字部分基帶信號之間相互轉換的全部工作，實際應用中使用非常廣泛。２．數字部分比較：相較于模擬部分，ＲＦＩＤ閱讀器的數字部分在對應不同頻率的模擬前端時，其差異要小一些。在與模擬前端相匹配時，數字部分需要能滿足處理速度、數據傳輸速度、接口標準匹配等問題。另外，數字部分的設計也需要考慮實際的使用和其他接口及功能的要求。２．５完整的ＲＦＩＤ閱讀器設計思路和步驟通過對ＲＦＩＤ閱讀器構成和功能的詳細分析，下面提出一系列關于ＲＦＩＤ閱讀器設計的思路和步驟。在設計之前，首先需要對系統進行功能分析，即弄清楚需要實現哪些功能，１７電子科技大學碩士學位論文達到怎樣的指標，這樣，才可能在選擇硬件電路和軟件平臺時有一個明確的標準和方向。然后需要對系統的其他一些需求如功耗、體積和成本等進行分析，這主要關乎到硬件的設計。結合前面的功能需求分析，來選取合適的硬件平臺。模擬部分的設計：在條件允許的前提下，這部分可以自行設計，包括天線和發送接收機的設計，這樣做的不足之處在于需要的設計時間較長，因為需要嚴格按照所需讀取的標簽所使用的ＲＦＩＤ標準來進行設計，以實現閱讀器和標簽芯片之間的匹配，設計和調試都比較耗時。另一個方法是使用成熟的模擬前端芯片，并按照其要求設計相應的天線即可。數字部分的設計：數字部分通常圍繞一顆微處理器芯片來構建，所以選擇一塊合適的處理核心是此部分首要任務。在經過功耗、成本和開發環境等考慮的前提下，選擇ＭＣＵ時，主要考慮的因素還有：處理速度和能力、ＩＯ口的數目、總線和接口資源、集成的模塊和功能等。選定ＭＣＵ后，再選取匹配的儲存器并設計電路，這樣就構成了數字部分的核心，此后按照功能的要求設計其他模塊，如對外的接口、顯示和按鍵枯奇。除了處理能力、系統功能和接口方面的考慮，還需要思考的一個問題是開發環境的構建，因為無論是何種的硬件構成，都需要一個完整可靠的開發和調試平臺，在此基礎上才能進行硬件電路的調試以及軟件系統的構建和開發。最好選擇比較成熟，具有完善開發和調試工具的平臺。硬件設計完成后，首先要做的是控制和驅動程序的編寫與調試，因為無論以什么操作系統為平臺，能否打通軟件和硬件之間的接口都是一個關鍵。在無操作系統的狀態下，能夠驅動硬件進行正常的工作，才有可能做接下來的工作。在這個過程中，同時可以檢查硬件設計上的錯誤和不足，為修改和完善做準備。確認所有硬件功能模塊都工作無誤后，最后要完成軟件部分的設計。這部分要考慮對硬件資源的分配和利用，調度和協調各硬件部分之間的配合工作并且向用戶提供清晰的指示信息以及方便的操作平臺。１８第三章系統方案設計第三章系統方案設計從本章開始，在第三章、第四章和第五章總共３個章節中，將結合本論文課題來源的工程項目具體介紹一個基于ＡＲＭ嵌入式平臺的ＬＦ頻段便攜式ＲＦＩＤ閱讀器的開發設計實例。本章重點介紹系統級的功能需求和特點分析、方案設計、功能模塊劃分和開發流程規劃等總體設計思路方面的內容；第四章會集中詳細介紹硬件電路的設計和相關驅動的開發；第五章將簡單介紹軟件平臺的構建和驅動及應用程序的開發。３．１功能需求和特點分析３．１．１核心功能和性能指標針對項目的要求，本設計中需要完成的一些重要技術指標有：１．系統頻率：本ＲＦＩＤ系統工作在低頻，對讀取距離要求較低，在５ｅｒａ－ｌＯｏｍ范圍即可。僅支持一次單個標簽的讀取，不涉及防碰撞的問題；２．系統類型：便攜化的手持式系統，要求所設計的ＲＦＩＤ讀寫器可以手持移動使用，需具有使用靈活性和使用方便性的特點；３．用戶界面：盯ＴＬＣＤ彩色顯示，要求具有可視化功能菜單界面，能夠顯示彩色圖片和動畫；４．數據傳輸：高密度大數量的閱讀器組網，所有數據由上位機進行統一管理；５．具有產品化的特征：可升級和擴展的功能，良好的外觀、軟件界面和可操作性。３．１．２系統特點分析通過分析上面的系統核心技術指標，不難總結出系統的兩個特點：１．便攜性：要求能夠手持移動使用；２．復雜性：功能要求多，各項功能要求高，系統比較復雜。１９電子科技大學碩士學位論文下面針對這兩個特點，對本閱讀器系統的設計作一個整體上的指導思路的規劃。３．１．２．１便攜式的意義和設計要點從ＲＦＩＤ主要應用于大型物流領域發展至今，ＲＦＩＤ的應用已經深入到生產和生活的各個方面，固化式的ＲＦＩＤ閱讀器已經很難滿足應用上的要求。在ＲＦＩＤ標簽日趨微型化的今天，ＲＦＩＤ閱讀器便攜化的意義也是顯而易見的：首先來說，ＲＦＩＤ閱讀器識別標簽的距離是有限的，特別是頻率較低的閱讀器，其有效范圍一般都在一米以內。如果閱讀器采用固定式的設計，那么需要將搭載了標簽的物品移動到閱讀器很近的范圍以內才能進行操作，這無疑給很多應用帶來麻煩。其次，當