基于ARM的RFID智慧型展示屏設計

黃 璟，邵利群，趙 展

（蘇州工業職業技術學院 電子與通信工程系，江蘇 蘇州 215104）

加工程序復雜、功能繁多、用途廣泛的物品，例如數碼產品、化妝品、儀器儀表、運動器械等商品，或是與生活質量密切相關的食品、藥品等商品，顧客在門市挑選時難免要了解很多內容，這些內容不可能在產品包裝和說明書上一目了然地體現，一般需要通過銷售人員解說商品特性。采用銷售人員介紹的方式，有時銷售人員的偏好和顧客想要了解的內容不能很好契合，不但造成時間人員的浪費，還可能引起顧客反感。而顧客想了解的內容，特別是與技術相關的內容，普通銷售人員又無從解說。

射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）技術是自動識別技術（Auto Identification and Data Capture，AIDC）的一種，通過無線射頻方式，利用交變磁場或電磁場的空間耦合原理，獲取物體的相關數據，并對物體加以識別。RFID技術無需與被識別物品直接接觸即可完成信息的輸入和處理，能快速、實時、準確地采集和處理信息[1]。作為21世紀新興科技之一，RFID技術已廣泛應用于公共交通、身份識別、門禁控制、資產管理等領域。本文介紹一種采用三星公司的32位微處理器S3C2440A，設計實現了基于射頻識別的智慧型展示屏。系統充分利用S3C2440A集成度高、可靠性好、性能高的片上資源功能的優勢，實現讀卡、視頻展示、語音播報、原料追溯、信息統計等功能。適用于食品、藥品、數碼、服裝、珠寶等各類商品的門店和商場，以減輕員工勞動強度，提高商家的客戶滿意度和競爭力，使同類商品的銷售競爭更公平。

1 智慧型展示屏系統結構

智慧型展示屏包括RFID前端通信模塊、MCU主控模塊、語音播放電路、觸摸屏模塊、連接上位機的通信模塊、以太網通信模塊、電源模塊、外圍電路等。圖1為智慧型展示架的系統框圖。

圖1 智慧型展示屏系統框圖

電子標簽貼在商品上，顧客將感興趣的商品靠近智慧型展示屏，展示架中的讀卡芯片發射一定頻率的載波信號，基于電感耦合方式，在電子標簽內在天線上產生同頻率的載波信號。接著電子標簽將卡內編碼的身份識別信息（ID識別代碼）調制到載波信號，通過信號耦合，反饋到讀卡器天線上，經接口電路輸入微處理器，由讀卡程序解調出ID數據。

2 硬件電路設計

2.1 RFID前端通信模塊

RFID系統由電子標簽（Tag）、讀卡器、上層應用軟件組成。本設計采用低頻（Low Frequency，LF）RFID系統，工作頻率范圍為30～300 kHz。其特點是電子標簽內保存的數據量較少，閱讀距離較短，電子標簽外形多樣，可以適應各類商品；低頻電磁波傳輸不具有方向性，信號衰減小，穿透能力強；電磁兼容性好，避免對其他智能電子產品產生電磁干擾；且低頻RFID電路發射功率小，輻射傷害小，環保性能優越。各大IC制造廠商可選擇的RFID芯片很多，且技術比較成熟，有相應的國際標準。

本設計選用NXP公司的HITAG S無源電子標簽，以及相對應的射頻芯片HTRC11001T。HITAG S讀/寫轉發芯片工作頻率范圍從100～150 kHz，本RFID系統工作頻率125 kHz；符合全球統一標準（ISO/IEC18000-2），內存的大小為64～2 048 bit；具有復雜防沖突（anti-collision）算法，可以同時讀取多個標簽。HITAG S采用高度精密專用加密算法，確保數據的安全性；采用循環冗余校驗（CRC）和奇偶校驗，確保數據高度的完整性和可靠性[2]。

HTRC11001T是低功耗高度集成的RFID模擬前端，適合HITAG系列轉發器，可配置接收機參數，具有天線破裂和短路檢測。此RFID模擬前端配套芯片，適用于非接觸式識別轉發器和卡片，可工作于惡劣環境，廣泛應用于牲畜追蹤、簡裝氣體識別、洗衣自動化、工業自動化、考勤系統和游戲機等[3]。本設計的讀卡電路如圖2所示，RFID天線采用工藝簡單、成本低廉的線圈型天線。電容采用2 200 pF的高壓貼片電容。電感初選值取700 μH，由于電路中各元件分布參數的影響，故根據實際電路細調電感值，使電路諧振在125 kHz左右。

圖2中MOD是工作模式選擇位，這里設置只讀模式，故MOD=0。當DIN為高電平時，HTRC11001T處于休眠狀態，當DIN為低電平時，電路發射RF信號，并接收來自收電子標簽的反饋信號，同時開始解調AM信號。經過解調后的信號經DOUT引腳輸入到S3C2240微處理器，進行解調和數據處理。

圖2 RFID系統硬件及接口原理圖

2.2 控制模塊

主控MPU模塊采用三星公司的32位嵌入式ARM芯片S3C2440A，工作頻率可達405 MHz。內部集成ARM920T核技術，CPU核心電壓1.2 V，存儲器電壓1.8 V/2.5 V/3.3 V，I/O電壓3.3 V。因采用低電壓技術，故運算速度快，功耗低。具有16 kbyte指令Cache、16 kbyte數據Cache。集成LCD專用DMA的LCD控制器，支持256 k色TFT。8路10位ADC和觸摸屏接口，4路擁有外部請求引腳的DMA控制器，3路URAT，2路SPI，可實現串行數據雙工傳輸。I2C總線控制器，I2S控制器。2路USB主機控制，1路USB期間控制，4路PWM定時器，1路內部定時器，具有日歷功能的RTC，攝像頭接口，MMC/CF多媒體接口，AC97音頻接口。130個通用I/O，24個外部中斷源等[4]。S3C2440提供用戶多種與其他系統進行信息交互的功能。本設計主控模塊原理框圖如圖3所示。

圖3 微處理器系統框圖

2.3 觸摸屏模塊

TFT-LCD（Thin Film Transistor-Liquid Crystal Display），即薄膜晶體管液晶顯示器。采用東華公司4.3 in（1 in=2.54 cm）四線電阻式觸摸屏WXCAT43-TG3#001F，其像素為480×272，顯示比例16∶9。盡管微處理器內部有LCD控制器，還是需要外接觸摸屏控制器，來提供數據和使能等控制信號給內部LCD控制器，并且提供觸摸屏信號，以控制內部液晶旋轉，得到相應圖像。圖4為觸摸屏控制器接口電路。

圖4 觸摸屏控制器接口電路

本設計中外擴控制器采用ADI公司的四線式觸摸屏控制器ADS7846，其性價比比較高，廣泛應用于電阻式觸摸屏。通過SPI總線方式與S3C2440A通信。初始化觸摸屏后，若觸摸屏被按下，則進入相應中斷處理程序，若沒按下則循環等待[5]。控制器完成觸摸坐標的信息采集及A/D轉換，將數據信息返回到微處理器。

2.4 存儲器擴展模塊[6]

存儲器擴展電路由2個部分組成，即程序存儲器擴展和數據存儲器擴展。

系統程序存儲器擴展采用64 M×8 bit的NAND Flash非易失閃存芯片K9F1208，用以存儲操作系統程序，以及系統掉電后需要保存的用戶數據。工作電壓采用3.3 V。存儲器結構為528 byte×32頁×4 096塊，可以實現頁的讀取、寫入、擦除等操作。

智慧型展示屏要展示大量信息，S3C2440A內部的16 kbyte指令Cache和16 kbyte數據Cache空間不能滿足應用要求。需要擴展外部數據存儲器，以存儲信息量巨大的應用程序數據。本設計采用2片HY57V561620構建32 bit的SDRAM，即同步動態隨機存儲器系統。每片存儲容量為4組×4 M×16 bit，共32 Mbyte，2片總容量為64 Mbyte。工作電壓為3.3 V，支持自動刷新和自刷新。

2.5 串行通信接口

RFID讀卡器和微處理器之間，采用常用的串行數據傳輸總線標準，由于兩者邏輯電平標準不同，故采用電平轉換芯片MAX3232來連接兩部分。若要了解產品動態資訊，如點閱率、即時銷售情報、庫存統計等信息，系統可以增加分析與統計等功能，以便更深層次地分析顧客消費行為模式。這時需要連接上位機，嵌入式控制模塊將收集到的信息通過串口傳輸到上位機，由PC機上的應用軟件進行數據處理，完成分析與統計。這種情況下，控制模塊分別與RFID射頻模塊和PC機連接，需要設計雙串口。

2.6 以太網接口

若智慧型展示屏僅是商品介紹，那么系統不需要聯系網絡。若是展示內容涉及制造材料來源追溯、貨品真假辨別、商品歷史追溯等，就要通過以太網通信，連接因特網，以獲取更多信息。比如牛奶商品，可以了解奶源、奶牛飼料等信息。

考慮成本，本設計采用DAVICOM公司（臺灣聯杰國際）的DM9000以太網芯片，實現現場信號的以太網傳輸和控制。其系統框架如圖5所示。DM9000與S3C2440A之間通過地址總線、數據總線和控制總線連接，DM9000再經RJ-45連至以太網。

圖5 S3C2440與DM9000接口電路

DM9000是16位快速以太網控制處理器，備有標準10/100 Mbit/s自適應，16 kbyte大容量FIFO，4路多功能GPIO。備有接收緩沖區，暫存接收到的數據，再由數據鏈路層直接從該緩沖區取出數據。DM9000實現以太網MAC和PHY的功能，包括MAC數據幀的組裝、拆分與收發、地址識別、MLT-3編碼器、CRC校驗、接收噪聲抑制、輸出脈沖成形、鏈路完整性測試、信號極性檢測及糾正等[7]。

3 軟件設計

本設計采用基于嵌入式Linux的操作系統。相對于其他商用實時操作系統，它具有源碼開放、可移植、可固化、資源豐富等優勢，支持多線程、多進程、多平臺。它由一個內核和一些可以定制的系統模塊組成，如文件模塊、網絡模塊、各類驅動模塊等[8]。終端軟件采用層次結構和模塊化設計，軟件體系結構大體分為用戶層、控制層、數據協議層和硬件接口層[6]，如圖6所示。

圖6 軟件總體結構設計圖

針對本系統的嵌入式硬件，經過重新裁剪和配置，編寫相應的程序，如RFID閱讀程序、串口驅動程序、觸摸屏驅動程序、以太網驅動程序、圖形用戶界面應用程序等。其中閱讀器軟件的工作流程如圖7所示。

4 結論

智慧型展示屏結合RFID技術、通信技術、多媒體控制技術，改變了傳統展示架靜態展示功能，實現了商品的音視頻自動介紹功能。它減少了門市、賣場銷售人員的工作負擔，為消費者提供愉快的購物體驗。由于每個商品的電子標簽具有全球唯一ID號碼，故顧客了解的是所選擇的某一單品的信息，而非同一類商品信息。對于食品、藥品等，客戶獲得了更有價值信息。本系統設計了以太網模塊，實現材料來源追溯、商品比較等功能；可以連接PC機，實現產品動態資訊分析與統計。

智慧型展示屏系統架構獨立，避免現場工程以及復雜的系統設定操作界面，可以隨處擺設，即插即用。現場安裝時，可以嵌入墻體內，嵌入貨架上，也可以加上支架做成立式的展示屏。功能上可以增加無線通信模塊，如GSM、GPRS、WiFi通信模塊等，安裝使用更便捷。在更為高端的商業展示場地，由于光顧高端商品的顧客數量相對較少，層次相對較高，展示空間更為寬敞，可以考慮采用電子標簽固定而讀卡器移動的便攜式商品展示機，顧客需要了解某個商品時，將展示屏靠近該商品的電子標簽即可。系統還可以增加防盜功能，一旦物品在離開閱讀器的識別范圍，閱讀器自動將信息反饋給計算機，計算機分析這些信息是否異常，如有異常則報警。

總之，智慧型展示屏具有電子化、全球化、資訊化、無線化與網絡化等優勢，在未來流通業的無人化應用上，發展潛力十足。

[1] 黃玉蘭.物聯網 射頻識別（RFID）核心技術詳解[M].北京：人民郵電出版社，2010.

[2] 劉殿金.自助式機器機柜監控模塊設計[D].南京：南京理工大學，2009.

[3] HTRC11001T HITAG reader chip[EB/OL].[2012-08-20].http://www.nxp.com/documents/data_sheet/HTRC11001T.pdf.

[4] Samsung Electronics.S3C2440A 32-bit CMOS microcontroller user’s Manual[EB/OL].[2012-08-20].http://download.csdn.net/detail/zzsg200 5/1198190.

[5] 張穎超，楊樂，葉小嶺，等.基于Linux的觸摸屏[J].儀表技術與傳感器，2008（2）：71-73.

[6] 劉芳.基于ARM和射頻識別技術的手持式物流終端設備的研究[D].武漢：武漢工程大學，2008.

[7] 李劍雄，張策，楊軍.基于ARM和DM9000的網卡接口設計與實現[J].微計算機信息，2008，24（5）：123-124.

[8] 黃瑩.基于嵌入式系統的UHF頻段便攜式RFID閱讀器研究[D].武漢：湖北工業大學，2007.