智能手機(jī)音頻接口的UHF RFID讀寫系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鄧浩海,薛健

(蘭州理工大學(xué)電氣工程與信息工程學(xué)院,蘭州730050)

智能手機(jī)音頻接口的UHF RFID讀寫系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鄧浩海,薛健

(蘭州理工大學(xué)電氣工程與信息工程學(xué)院,蘭州730050)

提出了一種基于智能手機(jī)音頻接口的UHF RFID讀寫系統(tǒng)解決方案,該方案采用AS3992專用射頻收發(fā)芯片,創(chuàng)新性地基于智能手機(jī)音頻通信接口實(shí)現(xiàn)了對RFID讀寫器的控制。測試仿真結(jié)果表明,智能手機(jī)音頻接口的UHF RFID讀寫系統(tǒng)使用方便、便攜性好,系統(tǒng)無需無線配對,數(shù)據(jù)實(shí)時傳輸可靠性高。

音頻接口;RFID;AS3992;曼徹斯特碼;CPLD

引 言

射頻識別(RFID)是一種通過射頻載波來發(fā)現(xiàn)目標(biāo)和進(jìn)行無線數(shù)據(jù)交換的識別與跟蹤技術(shù)[1-2]。與其他技術(shù)相比,RFID技術(shù)具有識別速度快、抗干擾能力強(qiáng)、安全性高、非接觸等優(yōu)點(diǎn),可以極大地節(jié)省時間,提高服務(wù)質(zhì)量,降低勞動成本,提高企業(yè)的生產(chǎn)效率。現(xiàn)有的RFID系統(tǒng)普遍存在主頻低、便攜性差的缺點(diǎn),難以滿足日益發(fā)展的社會應(yīng)用需求[3-4]。

在移動互聯(lián)網(wǎng)時代,智能手機(jī)已成為人們不可或缺的隨身設(shè)備,基于數(shù)據(jù)線或移動網(wǎng)絡(luò)與智能手機(jī)移動終端進(jìn)行交互的APP、外設(shè)開發(fā)已成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)[5-6]。不同廠家的智能手機(jī)數(shù)據(jù)接口有所不同,在這種情況下,智能手機(jī)與外設(shè)的數(shù)據(jù)交互只能通過廠家專用的數(shù)據(jù)接口來完成,這導(dǎo)致不同智能手機(jī)的外設(shè)開發(fā)相對困難,成本較高。與此相反,智能手機(jī)生產(chǎn)廠家的音頻接口標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一,倘若使用手機(jī)的音頻接口連接外部設(shè)備,完成智能手機(jī)與外設(shè)的數(shù)據(jù)交互,這樣的實(shí)現(xiàn)方案有利于降低開發(fā)成本,提高外設(shè)的通用性與保密性[7-8]。

本文提出基于智能手機(jī)音頻接口的UHF RFID讀寫系統(tǒng),主要分為硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩個部分。硬件部分主要包括音頻信號雙向處理單元設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)編解碼單元設(shè)計(jì)、控制核心單元設(shè)計(jì)、RFID單元設(shè)計(jì);軟件部分主要分為驅(qū)動層設(shè)計(jì)、APP應(yīng)用層設(shè)計(jì)。

1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)硬件的總體設(shè)計(jì)

基于音頻接口的數(shù)據(jù)傳輸方案,可以彌補(bǔ)智能終端與外設(shè)數(shù)據(jù)通信接口不一致的缺陷,音頻通信接口的數(shù)據(jù)交互設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于如何通過模擬信號進(jìn)行通信。系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示,手機(jī)APP應(yīng)用程序?yàn)槿藱C(jī)交互界面,通過APP可以實(shí)現(xiàn)對手機(jī)外設(shè)UHF RFID讀寫器的控制與數(shù)據(jù)交互[9-10]。

本系統(tǒng)音頻接口雙向通信的實(shí)現(xiàn)原理是:從終端到外設(shè),手機(jī)APP將需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)按照協(xié)議規(guī)范轉(zhuǎn)換成音頻信號。將特定頻率(22 k Hz)的音頻信號轉(zhuǎn)換為曼徹斯特編碼的直接數(shù)字傳輸方案更為穩(wěn)定高效,該方案不需要進(jìn)行載波調(diào)制和解調(diào),基于CPLD的曼徹斯特解碼單元將曼徹斯特碼解碼為串口信號送入RFID讀寫單元中,完成數(shù)據(jù)的傳輸。從外設(shè)到終端,RFID讀寫單元先將串口數(shù)據(jù)發(fā)送至基于CPLD的曼徹斯特編碼單元,然后將曼徹斯特碼通過音頻處理單元轉(zhuǎn)換為特定頻率的音頻信號送入智能手機(jī)中,手機(jī)APP監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)輸入,并把輸入的音頻信息轉(zhuǎn)換成可識別的指令[11-12]。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

1.2 音頻信號雙向處理單元的設(shè)計(jì)

音頻信號雙向處理單元的功能是實(shí)現(xiàn)智能手機(jī)模擬音頻信號與曼徹斯特碼之間的轉(zhuǎn)換。智能手機(jī)的音頻接口主要有OMTP和CTIA兩種標(biāo)準(zhǔn),電路圖如圖2所示。這兩種標(biāo)準(zhǔn)的主要區(qū)別是麥克風(fēng)和地位置相反,本文采用二級回路作自動識別控制。音頻接口至數(shù)據(jù)編解碼單元的功能就是將模擬音頻信號轉(zhuǎn)換為曼徹斯特碼。

圖2 耳機(jī)音頻接口電路圖

比較器回路電路圖如圖3所示,其功能是識別當(dāng)前連接的音頻接口類型。

圖3 MIC和GND識別電壓比較器電路圖

模擬開關(guān)配置如圖4所示,其功能是將音頻接口的正確MIC/GND與編解碼單元連接。

音頻信號轉(zhuǎn)曼徹斯特碼電路圖如圖5所示,其功能是將音頻信號轉(zhuǎn)換為曼徹斯特碼。

曼徹斯特碼轉(zhuǎn)音頻信號電路圖如圖6所示,其功能是將曼徹斯特碼轉(zhuǎn)換為音頻信號。

1.3 雙向數(shù)據(jù)編解碼單元設(shè)計(jì)

基于CPLD的雙向數(shù)據(jù)編解碼單元,其功能是實(shí)現(xiàn)曼徹斯特碼與串口信號的雙向轉(zhuǎn)換,本設(shè)計(jì)中選用Altera公司的CPLD芯片。圖7和圖8分別是曼徹斯特、串口雙向編解碼單元的ModelSim仿真圖。

1.4 控制核心單元設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)控制核心采用基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的高性能、低成本、低功耗的32位嵌入式微處理器STM32F103,其工作頻率為72 MHz,32 KB Flash閃存,芯片內(nèi)部集成UART、ADC、SPI、I2C、USB、CAN等多種功能接口[13]。

圖4 模擬開關(guān)電路圖

圖5 音頻信號轉(zhuǎn)曼徹斯特碼電路圖

1.5 RFID單元設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用的RFID讀寫芯片是奧地利微電子公司生產(chǎn)的AS3992芯片,這是一款超高頻RFID讀寫芯片,其工作頻率為840～960 MHz,芯片內(nèi)部集成完整的射頻調(diào)制/解調(diào)模塊、CRC碼校驗(yàn)?zāi)K,支持ISO18000-6B/C協(xié)議,該芯片的應(yīng)用可以大幅降低系統(tǒng)的開發(fā)難度和復(fù)雜程度,提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性[14-15]。

圖6 外設(shè)至音頻接口的回路

2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)軟件的總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)上電復(fù)位后,智能手機(jī)APP通過音頻接口向外設(shè)RFID單元發(fā)送指令,外設(shè)RFID單元對指令類型進(jìn)行識別并執(zhí)行相應(yīng)操作,系統(tǒng)軟件流程圖如圖9所示。

圖7 基于CPLD曼徹斯特碼解碼單元ModelSim仿真圖

圖8 基于CPLD串口雙向編碼單元ModelSim仿真圖

圖9 軟件系統(tǒng)流程圖

2.2 系統(tǒng)驅(qū)動層的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)驅(qū)動層的主要功能是基于STM32控制器實(shí)現(xiàn)對射頻讀寫芯片AS3992的操作,包括完成相應(yīng)寄存器配置與命令的操作。

3 實(shí)驗(yàn)與分析

實(shí)驗(yàn)采用三星GALAXY Note3智能手機(jī),Android 4.4.2操作系統(tǒng)。系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果如圖10所示,圖中顯示的是智能手機(jī)APP讀取到的RFID標(biāo)簽PC+EPC數(shù)據(jù)。

圖10 手機(jī)APP單標(biāo)簽測試結(jié)果

結(jié) 語

本文實(shí)現(xiàn)了一種基于智能手機(jī)音頻接口的UHF RFID讀寫系統(tǒng),創(chuàng)新性地基于音頻接口實(shí)現(xiàn)了智能手機(jī)終端與外設(shè)RFID設(shè)備之間的信息交互。實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果表明,該系統(tǒng)使用方便、便攜性好,數(shù)據(jù)實(shí)時傳輸可靠性高。

[1]張彥,陳積明.RFID與傳感器網(wǎng)絡(luò):架構(gòu),協(xié)議,安全與集成[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2012.

[2]劉占杰,張艷,趙陽.S3C6410和CR95 HF的RFID讀卡系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2014,14(6):76-79.

[3]Li H S,Bian G R,He N H.Network Design and

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UHF RFID Reader System of Intelligent Mobile Phone Audio Interface

Deng Haohai,Xue Jian

(College of Electrical and Information Engineering,Lanzhou University of Technology,Lanzhou 730050,China)

A solution of UHF RFID read and write system based on the intelligent mobile phone audio interface is proposed.A dedicated chip RF transceiver AS3992 is used.Based on the intelligent mobile phone audio communication interface,the control of the RFID reader is realized.The test results show that the UHF RFID reader system is easy to use,and this system has advantages of good portability, wireless system without pairing and high real-time data transmission reliability.

audio interface;RFID;AS3992;Manchester;CPLD

TP302

A