基于嵌入式Linux系統(tǒng)的UHF RFID讀寫器設(shè)計

劉義才，章小城

LIU Yi-cai1,ZHANG Xiao-cheng2

（1. 武漢商業(yè)服務(wù)學(xué)院 機電工程系，武漢 430056；2. 中國船舶重工集團公司 第七○九研究所，武漢 430074）

0 引言

RFID（radio frequency identification）射頻識別是一種非接觸式的自動識別技術(shù)，它通過射頻信號自動識別目標(biāo)對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，識別工作無須人工干預(yù)，可工作于各種惡劣環(huán)境中[1]。無源UHF RFID（Ultra High Frequency Radio Frequency Identification）是近幾年剛剛開始興起并得到迅速推廣應(yīng)用的一門新技術(shù)，它具有識別距離遠、識別準(zhǔn)確率高、識別速度快、抗干擾能力強、使用壽命長、可穿透非金屬材料、運用范圍廣等特點，是為實現(xiàn)數(shù)字化、信息化而對物體的屬性、狀態(tài)、編號等特征數(shù)據(jù)進行自動采集所推出的一種全新管理手段，可廣泛應(yīng)用于人員、動物、物品等方面的身份自動識別。同時該技術(shù)可應(yīng)用于不同的場合，如物流管理、工業(yè)生產(chǎn)控制、個人身份識別、活動目標(biāo)監(jiān)測、交通運輸?shù)取Ｒ罁?jù)行業(yè)的不同，對讀寫器的功能全面性、天線數(shù)量、接口類型有著不同的要求。目前市場上大部分讀寫器功能單一，不帶操作系統(tǒng)，不便于用戶進行二次開發(fā)；同時天線數(shù)量很少，覆蓋范圍有限；而且接口單一，這使得讀寫器的應(yīng)用場合受到了限制。因此設(shè)計了一種基于嵌入式Linux操作系統(tǒng)的超高頻讀寫器。該讀寫器可根據(jù)不同的行業(yè)需求進行二次開發(fā)，完成對符合ISO18000-6C和EPC Class1 Gen2電子標(biāo)簽的讀寫及控制操作，以適應(yīng)不同行業(yè)的實際應(yīng)用需求。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.1 硬件原理設(shè)計

基于嵌入式Linux系統(tǒng)的超高頻RFID讀寫器采用硬件分層結(jié)構(gòu)的模型，主要由底層射頻模塊、中間層控制模塊和上層應(yīng)用Linux系統(tǒng)模塊三部分組成。如圖1所示為系統(tǒng)硬件原理框圖。

1.1.1 射頻模塊

主要完成基帶信號的調(diào)制，以及對回波信號的解調(diào)處理。該模塊采用的是集成射頻收發(fā)芯片Inter R1000[2]，它是一個高度集成、高效率、低功耗，同時支持ISO18000-6C和EPC Class1 Gen2標(biāo)準(zhǔn)的射頻芯片。R1000將大部分的射頻電路集成到芯片中，可以接收到兼容的射頻標(biāo)簽發(fā)出的數(shù)據(jù)。該芯片集成了積分下變頻混頻器、高集成的壓控振蕩器（VCO）、可變的接收增益控制、集成功率放大器（PA）、針對前向和反向的功率的集成RF傳感器、集成多種用途的數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）和模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）等。如圖1所示，Inter R1000 芯片接收來至ARM7 AT91SAM7S256的數(shù)據(jù)信息，通過內(nèi)部鎖相環(huán)以24MHZ的參考頻率，生成UHF調(diào)制差分調(diào)頻信號，經(jīng)巴倫平衡后通過外部功放進行放大，輸送給環(huán)形器，再通過定向耦合器與低通濾波器相連接，而后接天線進行信號的發(fā)射[3]。其中外部功放選用ASX520集成功率放大器，供電電壓為5V，電流為600mA。環(huán)形器選用逆時針環(huán)形器，著重考慮端口的匹配以及器件與地的良好連接。定向耦合器選用RCP890M30，耦合端和隔離端經(jīng)過反向功率檢測和前向功率檢測與ARM7相連接。

圖1 系統(tǒng)硬件原理框圖

1.1.2 控制模塊

控制模塊的微控制器采用的是A R M 7 AT91SAM256，它是Atmel公司的基于32位ARM RISC結(jié)構(gòu)處理器的小管腳輸出的Flash微處理器，具有256 K字節(jié)的高速內(nèi)置Flash和64 K字節(jié)的SRAM，高度集成的外圍接口，包括一個USB2.0的外設(shè)，并且僅僅只需要較少的外圍擴展器件就能工作。該模塊的主要功能是完成命令的波形編碼、回波信號的解碼、差錯控制、讀寫器命令流程控制等。如圖1所示，微控制器AT91SAM256連接控制的4個天線采用分時工作方式，增加了讀寫器的有效空間覆蓋范圍。

1.1.3 Linux系統(tǒng)模塊

該系統(tǒng)模塊采用主頻為500MHz的Inter Xscal PXA270處理器，運行Linux2.6版本的嵌入式操作系統(tǒng)，通過USB和控制模塊進行通訊，完成接收控制模塊傳來的數(shù)據(jù)并進行分析和處理，實現(xiàn)數(shù)據(jù)過濾、安全驗證算法等。PXA270內(nèi)部采用Inter SpeedStep動態(tài)電源管理技術(shù)[4]，外部擴展100M網(wǎng)口、USB Host/Device接口、串口、JTAG接口、GPIO以及高精度時鐘芯片等。基于外部擴展的接口和嵌入式操作系統(tǒng)，可方便的實現(xiàn)系統(tǒng)的升級和二次開發(fā)。

1.2 性能測試[5]

測試條件：1）測試儀器：安捷倫N9020A頻譜儀；2）前端載波發(fā)射頻率：26dbm；3）讀寫器工作方式：跳頻；4）調(diào)制方式：DSB-ASK。

測試結(jié)果如圖2和圖3所示：讀寫器工作占用帶寬為73kHz；鄰道功率比〉90db；讀寫器雜散發(fā)射功率較小。經(jīng)過實際工作環(huán)境測試讀取標(biāo)簽距離可達到6.2m。

通過對UHF RFID讀寫器硬件參數(shù)的測試可以看出，該讀寫器的性能指標(biāo)達到了國家對射頻識別設(shè)備的相關(guān)技術(shù)規(guī)定以及產(chǎn)品性能的要求。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

圖2 占用帶寬

圖3 鄰道功率比

軟件的開發(fā)主要分為兩個部分：1）基于AT91SAM7S256的嵌入式底層軟件設(shè)計，主要負責(zé)對InterR1000的射頻模塊讀寫控制；2）基于Linux系統(tǒng)的應(yīng)用層設(shè)計，它通過USB接口負責(zé)與底層控制模塊的通信，完成應(yīng)用層的需求。

2.1 底層軟件設(shè)計

如圖4所示為讀寫器底層程序流程圖，它是基于ADS1.2平臺，采用C語言和匯編語言混合編程，同時結(jié)合Inter R1000提供的開發(fā)庫來完成程序的編寫。底層程序通過USB接口負責(zé)與上層應(yīng)用軟件進行數(shù)據(jù)通信，完成對射頻模塊的讀標(biāo)簽、寫標(biāo)簽、查詢標(biāo)簽等操作。為了便于開發(fā)，采用模塊化的設(shè)計思想，將這些操作封裝成單獨的庫函數(shù)，只需調(diào)用各個函數(shù)的接口就可以完成對射頻模塊的控制。

圖4 讀寫器底層程序流程圖

2.2 基于B/S結(jié)構(gòu)的應(yīng)用層軟件設(shè)計

B/S(Browser/Server)結(jié)構(gòu)即瀏覽器和服務(wù)器結(jié)構(gòu)，它是隨著Internet技術(shù)的興起，對C/S（Client/Server）結(jié)構(gòu)的一種變化或改進的結(jié)構(gòu)。在這種結(jié)構(gòu)下，用戶工作界面是通過WWW瀏覽器來實現(xiàn)，極少部分事物邏輯在前端（Browser）實現(xiàn)，但是主要邏輯事務(wù)在服務(wù)器端（Server）實現(xiàn)。在基于嵌入式Linux操作系統(tǒng)的超高頻讀寫器的設(shè)計中，我們采用的是boa Web服務(wù)器。它是一個單任務(wù)的http服務(wù)器，源代碼開放，性能高。因此用戶無需安裝任何軟件，通過HTTP方式訪問讀寫器。同時通過編寫CGI(Common Gateway Interface)外部擴展程序，實現(xiàn)動態(tài)Web技術(shù)[6]。我們把對底層控制的模塊接口程序放到Linux系統(tǒng)的/cgi-bin/目錄下，供Web服務(wù)器調(diào)用。底層控制模塊采用的是模塊的設(shè)計思想，把程序化繁為簡，便于程序的設(shè)計、調(diào)試及維護，主要功能包括：登陸讀寫器，配置讀寫器，清點標(biāo)簽，讀標(biāo)簽數(shù)據(jù)，寫標(biāo)簽內(nèi)容，退出登錄等。同時這些常用功能模塊可以根據(jù)用戶的實際應(yīng)用需求進行修改，實現(xiàn)系統(tǒng)應(yīng)用層的二次開發(fā)。如圖5所示為讀寫器客戶端動態(tài)Web界面。

圖5 讀寫器客戶端動態(tài)Web界面

3 結(jié)束語

基于嵌入式Linux系統(tǒng)的UHF RFID讀寫器產(chǎn)品樣機已經(jīng)設(shè)計完成，并通過了現(xiàn)場環(huán)境使用測試，可以實現(xiàn)對符合ISO18000-6C和EPC Class1 Gen2電子標(biāo)簽的讀寫操作，同時各項性能指標(biāo)均能滿足產(chǎn)品設(shè)計要求。UHF RFID作為對現(xiàn)實世界物體標(biāo)識與信息傳播相結(jié)合的一種手段將對社會各個方面產(chǎn)生重要作用，如物流管理、工業(yè)生產(chǎn)控制、個人身份識別、活動目標(biāo)監(jiān)測、交通運輸?shù)龋恍杞Y(jié)合行業(yè)特點進行調(diào)整，就可形成適應(yīng)行業(yè)應(yīng)用的RFID解決方案。

[1] 游戰(zhàn)清,蘇劍,張益強,等.無線射頻識別技術(shù)(RFID)理論與應(yīng)用[M]：北京：電子工業(yè)出版社,2004

[2] Intel Corporation. Intel UHF RFID Transceiver R1000[Z].2007.

[3] Intel Corporation. Intel R1000 Development Platform Application Note modified[M].2007.

[4] Intel Corporation.PXA270 Processor Developer's Manual[Z].2004.

[5] 章小城,向偉,徐丹.基于Intel R1000芯片的超高頻RFID手持式讀寫器設(shè)計[J].計算機與數(shù)字工程,2008,(9)：198-200.

[6] 劉崢嶸,張智超,許振山,等.嵌入式Linux應(yīng)用開發(fā)祥解[M].北京：機械工業(yè)出版社,2004.