（检测技术与自动化装置专业论文）嵌入式射频识别系统rfid的研究与实现.pdf

嵌入式射频识别系统( r f ld ) 的研究与实现 摘要 现代信息技术的迅猛发展使得射频识别系统需要处理的信息量 急剧增加，研制一种新型的能够自动接收和管理数据的读卡器是极为 必要的。然丽，在绝大多数的射频识别应用领域，采用c 5 1 系列单片 机作为主控芯片。c 5 1 系列主控芯片有着设计简单、实用、成本低等 特点，但是在半导体产业飞速发展的今天，a r m 、m i p s 、p o w e r p c 系列 芯片为r f i d 提供了一个新的选择。 本文介绍了r d i d 系统的组成以及工作原理，并给出了一些相关的 r f i d 通信协议。硬件方面，选择了p h i l i p s 公司的z l g 5 0 0 射频读写模 块，设计了基于l p c 2 1 3 1 处理器的r f i d 系统，包括读卡、天线、以太 网接口、m c u 硬件设计等。软件方面，利用c 与汇编语言的混合编程实 现b o o t l o a d e r ，将c o s - i i 嵌入式操作系统移入到处理器中，在 a d s l 2 下进行读卡器的软件设计，完成整个射频识别的读写功能。 针对r f i d 的多卡识别问题，对反碰撞算法进行了研究，对炎l o h a 算法提出了一种改进的a l o h a 反碰撞算法模型，并对其进行了仿真， 仿真结果表明该算法在识别的效率和时间上有明显的提高。为实现应 用软件与硬件系统之间的通信，利用v i s u a lc + + 6 。o 开发了r f i d 系统 的串口中间件。为实现读卡器的局域网通信，利用r t l 8 0 1 9 芯片组建 l p c 2 1 3 1 的以太网通信接口。 关键词：射频识别系统，嵌入式，读卡器，反碰撞算法，中间件 i t h es t u d ya n dd e s i g no fe m b e d d e dr f l ds y s t e m a bs t r a c t t h e r a p i dd e v e l o p m e n to fm o d e mi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g ym a k e st h e i n f o r m a t i o nt h a tr a d i of r e q u e n c y i d e n t i f a c t i o n ( r f i d ) t h a ts h o u l d p r o c e s si n c r e a s eq u i c k l y i ti sn e c e s s o r yt od e s i g nan e wr f i dr e a d e r w h i c hc a na u t o m a t i c a l l yr e c e i v ea n d m a n a gt h ei n f o r m a t i o n a tp r e s e n t ， 猿t h em o s tf i e l do fr f i da p p l i c a t i o n ，c 51s e r i e sm i c r o p r o c e s s o ri st h e m a i np r o c e s s o r t h ep r o c e s s o r so fc 51h a v ec h a r a c t e r so f s i m p l ed e s i g n 、 p r a c t i c a l i t ya n dl o wp r i c e a st h er a p i dd e v e l o p m e n to fs e m i c o n d u c t o r , a r m 、m i p s 、p o w e r p c p r o c e s s o r sp r o v i d ean e wc h o i c ef o rr f i d t h i sp a p e ri n t r o d u c e dt h ep r i n c i p l ea n ds t r u c t u r eo fr f i ds y s t e m s o m ei n t e r r e l a t e dc o m m u n i c a t i o n p r o t o c o lo fr f i da n dt h ed e v e l o p m e n t o fe m b e d d e ds y s t e mw e r e e x p a t i a t e d i nt h eh a r d w a r ea s p e c t ，t h e e m b e d d e dr f i ds y s t e mb a s e do nl p c 2 131 p r o c e s s o ra n dz l g 5 0 0 m o d u l ew a sd e s i g n e d ，w h i c hi n c l u d e da n t e n n a ，r e a d e r ，e t h e m e ti n t e r f a c e ， m c ue t c i nt h es o f t w a r ea s p e c t ，ca n d c o m p i l el a n g u a g ew e r eu s e dt o r e a l i z eb o o t l o a d e r , tc o s i i o p e r a t i n gs y s t e mw a st r a n s p l a n t e di n t o l p c 2131 p r o c e s s o r t h es o f t w a r eo fe m b e d d e dr f i ds y s t e mw a s d e b u g g e du n d e ra d s1 2 ，t h er e a d e rf u n c t i o no fr e a d i n ga n dw r i t i n gw a s a c c o m p l i s h e d t h em u l t i c a r d si d e n t i f a t i o na n da n t i - c o l l i s i o na l g o r i t h mw e r e s t u d i e d a n i m p r o v e d a n t i - c o l l i s i o n a l g o r i t h m m o d e lf o ra h o h a a l g o r i t h mw a sp r e n e n t e d ，t h es i m u l a t i o nr e s e a r c hw a sd o n ei nm a t l a b6 5 t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w e dt h a tt h en e wa l g o r i t h mw a sb e t t e ro n e f f i c i e n c ya n dt i m e t or e a l i z et h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e na p p l i c a t i o n s o f t w a r ea n dh a r d w a r es y s t e m ，as e r i a l p o r tm i d d l e w a r eo fe m b e d d e d r f i ds y s t e mw a sm a d eb yv i s u a le 书6 0 e t h e m e ti n t e r f a c eo f l p c 2131 p r o c e s s o rw a sd e s i g n e db yr t l 8 0 18 9 a st or e a l i z el a n c o m m u n i c a t i o no fr e a d e r k e yw o r d s ：r a d i o f r e q u e n c yi d e n t i f a c t i o n ( r f i d ) ，e m b e d d e d s y s t e m ，r e a d e r , a n t i c o l l i s i o n ，m i d d l e w a r e 东华大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位 论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除 文中已明确注明和引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写，我对 所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：1 地盘 日期： 2 。昂年了月 z 日 东华大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允 许论文被查阅或借阅。本人授权东华大学可以将本学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本版权书。 本学位论文属于 不保密瓯 学位论文作者签名：z 弋逛亟 日期：z 。吣年明2 日 指导教师签名： 石蕴睁 日期：列矽彦年3 月2 - 日 嵌入式射频设别系统( r f i d ) 的研究与实现 第一章绪论 1 1r fid 技术简介 射频识别技术( r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ，r f i d ) 是利用感应、电 磁场和电磁波作为传输手段，完成非接触式双向通信，并获得相关数据的一种自 动识别技术【1 1 。射频识别技术最大的优点就在于非接触，因此完成识别工作时无 需人工干预且不容易损坏，可识别高速运动的物体并同时可以识别多个射频卡， 操作快捷方便。和早期的接触式识别技术不同，r f i d 系统的射频识别卡和读写 器之间不用接触就可完成识别，因此它可实现多目标识别、运动目标识别。另外 不象i c 卡那样有电触点暴露在外，射频识别卡是将芯片完全封装在内的，因此 可以使用在比较恶劣的环境。总之，r f i d 系统可在更广泛的场合中应用。 r f i d 技术是一个崭新的技术应用领域，它不仅涵盖了射频技术，还包括密 码学、通信原理、和半导体集成电路技术，是一个多学科综合的新兴学科。因此 对r f i d 技术的认识和研究具有深远的理论意义。随着2 1 世纪数字化时代的到来， 基于远程信息化网络管理技术和移动商务的需求，r f i d 技术智能管理系统将在 各个领域中发挥巨大的作用1 2 1 。 1 1 1 r f i d 系统的组成及工作原理 一套完整的r f i d 系统，是由读写器( r e a d e r ) 、电子标签( t a g ) ( 也称应答器) 和应用软件系统三个部分，r f i d 系统基本组成如图1 1 所示。其工作原理r e a d e r 发射某一特定频率的无线电波能量给接收机，用以驱动接收机电路将内部的数据 送出，此时r e a d e r 便依次接收解读数据，送给应用程序做相应的处理【3 1 。 汐? 习 罗? 习 缪j 一2 雾1 7 一霉? 幽 数据 接i控l 射 管理 口j 裂卜 频天 天 一- 匦卜畦尹模p 模 卜 线 线 系统 ：块 块| 块 。 ? 琵一d盏二出盔 。，z f ， l _ j l ：r 二il ：| 1 电子标签 图1 1r f i d 系统基本组成 嵌入式射频设别系统( r f i d ) 的研究与实现 电子标签是r f i d 系统的真正的载体。一般情况下，电子标签由标签天线和标 签专用芯片组成。每个电子标签具有唯一的电子编码，附着在物体目标对象上。 标签相当于条形码技术中的条形码符号，用来存储需要识别和传输的信息。依据 电子标签的供电方式的不同，电子标签可以分为有源电子标签和无源电子标签； 从功能方面来看，可将电子标签分为只读标签、可重写标签、带微处理器标签和 配有传感器的标签；按调制方式来看，标签还可以分为主动式标签和被动式标签 1 4 。 2 读写器 读写器是负责读取或写入标签信息的设备。它可以单独完成数据的读写、显 示和处理等功能，也可以与计算机或其它系统进行联合，完成对电子标签的操作。 典型的读写器包含有控制模块、射频模块、接口模块以及读写器天线。此外，许 多读写器还有附加的接口( r s 2 3 2 、r s 4 8 5 、以太网接口等) ，以便将获得的数据传 给应用系统或从应用系统接收命令。 3 数据管理系统 数据管理系统主要完成数据信息的存储、管理以及对电子标签进行读写控 制。数据管理系统可以是市面上现有的各种大小不一的数据库或供应链系统，用 户还能够买到面向特定行业的、高度专业化的库存管理数据库。系统的基本工作 流程是：读写器通过发射天线发送出一定频率的射频信号，当附着标签的目标对 象进入发射天线工作区域时会产生感应电流，电子标签凭借感应电流所获得的能 量发送出存储在芯片中的产品信息，或者主动发送某一频率的信号；读写器对接 收天线接收到电子标签发送来的载波信号进行解调和解码后，送到数据管理系统 进行相关的处理；数据管理系统根据逻辑运算判断该电子标签的合法性，针对不 同的设置做出相应的处理和控制。 1 1 2 r fid 技术应用 由于射频识别技术的优点，r f i d 技术已被广泛应用于诸如工业自动化、商业 自动化、交通运输控制管理等众多领域。汽车、火车等交通监控、高速公路自动 收费系统、物品监控管理、流水线自动化控制、门禁系统、金融交易、仓储管理、 畜牧管理、车辆防盗等等【5 】。沃尔玛宣布，要求它的i 0 0 位顶级供应商载送到连 锁超市的罐头和盘子上贴上射频标签；中国邮政即将使用r f i d 跟踪和监控邮包来 嵌入式射频设别系统( r f i d ) 的研究与实现 减少丢失率；美国国防部曾规定2 0 0 4 年1 0 月1 日或者2 0 0 5 年1 月1 日以后，所有军 需用品都要使用射频标签【6 1 。 在产业方面，欧洲的p h i l i p s 公司、s t 微电子公司在积极开发廉价r f i d 芯 片；c h e c k p o i n t 公司在开发支持多系统的r f i d 识别系统；诺基亚公司在开发能够 基于r f i d 的移动电话购物系统；s a p 公司则在积极开发支持r f i d 的企业应用管理 软件。美国的t i 公司、i n t e l 公司等美国集成电路厂商目前都在r f i d 领域投入巨 资进行芯片研发川目前，位于上海张江的r f i d 产业化基地也处于建设之中。 当前我国r f i d 应用市场上也在飞速发展。迄今为止最大的项目是学生证的防 伪，用量已经达至i u 2 0 0 0 万；其次是火车车皮和集装箱的识别，用量也达到了百万 左右；再者就是对高压气瓶和钢瓶等安全物品以及计价器的防伪，随着r f i d 技术 的重要性日益体现，我国政府也希望能够在这项技术上有所创新。2 0 0 4 年2 月， 我国国家标准化管理委员会宣布成立“电子标签 国家标准工作组，负责起草、 制定我国有关“电子标签”的国家标准i s 。 1 1 3 r f i d 系统的频率、作用距离 通常阅读器发送信息时所使用的频率被称为r f i d 系统的工作频率。常见的工 作频率有1 2 5 5 k h z 、3 4 2 5 k h z 及1 3 5 6 m h z 等等【9 】。 低频系统一般指其工作频率小于3 0 m h z ，典型的工作频率有：1 2 5 k h z 、2 2 5 k h z 、 1 3 5 6m h z 等，应用这些频点的射频识别系统一般都有相应的国际标准。低频系 统的基本特点是电子标签的成本较低、标签内保存的数据量较少、阅读距离较短 ( 无源情况，典型阅读距离为1 0 0 m ) 、电子标签外形多种多样( 卡状、环状、钮扣 状、笔状) 、阅读天线方向性不强。 高频系统一般指其工作频率大于4 0 0 m h z ，典型的工作频率有9 1 5 m h z 、 2 4 5 0 m h z 、5 8 0 0 m h z 等。高频系统在这些频段上也有相应的国际标准。高频系统的 基本特点是电子标签及阅读器成本均较高、标签内保存的数据量较大、阅读距离 较远( 可达几米至十几米) 、适应物体高速运动性能好、外形一般为卡状、阅读天 线及电子标签天线均有较强的方向性【1 0 】。 r f i d 系统在实际应用中，电子标签附着在待识别物体的表面，电子标签中保 存有约定格式的电子数据。阅读器可无接触地读取并识别电子标签中所保存的电 嵌入式射频设别系统( r f i d ) 的研究与实现 子数据，从而达到自动识别物体的目的。阅读器通过天线发送定频率的射频信 号，当标签进入磁场时产生感应电流从而获得能量，发送自身编码等信息，被阅 读器读取并解码后送至相关系统进行有关处理， 在电磁场系统中，阅读器( r e a d e r ) 发出一个电磁( 豳) 波，电磁波以一个球形 波向前传播。电子标签位于电磁场中，淹没在这样传播的电磁波中并从电磁波中 收集一些能量，其可瘸的能量的大小与该点距发射机的距离有关f l l l 。 1 2 r fid 技术研究现状 1 2 1 r f l d 技术发展历程 r f i d 技术应该归结为雷达技术的发展及应用，因此其历史可追溯到2 0 世纪初 期。大约在1 9 2 2 年雷达( r a d a r r a d i od e t e c t i n ga n dr a n g i n g ) 诞生了，正是由 于雷达的发明才奠定了盟军在第二次世界大战时期的胜利基础。雷达发射无线电 波并通过接收到的目标反射信号来测定和定位目标的位置及其速度。随后，在 1 9 4 8 年出现了早期研究r f i d 技术的一篇里程碑的论文 ”c o m m u n i c a t i o nb ym e a n s o fr e f l e c t e dp o w e r 1 2 】。后来，随着电子技术的发展，如晶体管集成电路、 微处理芯片、透信掰络等新技术，拉开了r f i d 技术的研究序幕。在2 0 世纪6 0 年代 发表了一系列的r f i d 技术论文及专利文献。 为适应数字化信息社会发展的需求，r f i d 技术酶研究与开发也正突飞猛进地 发展。在欧洲、美国及日本等网正在研究各种各样的r f i d 技术。各种新功能的r f i d 系统不断涌现，满足各种各样市场的需求。2 0 世纪末至t j 2 i 世纪初，r f i d 技术中的 一个重大的突破就是二极管可以被集成在c m o s 的集成电路上。这一技术使得微波 r f i d 的电子标签只含有一个集成芯片成为可能。在这方面i b m ( 从i n t e r m e c 获得技 术) 、t a g m a s t e r ，m ic r o n ，s i n g l ec h i ps y s t e m ( s c s ) 、m o t o r o l a ，s i m e n s e ， m i c r o c h i p 。t r a n s c o r e ( 兼并? a m t e c h 公司组成了t n t e r m e c ) 以及酲本h i t a c h i ，m e x e l l 等公司表现积极。目前，在m i c r o c h i p ，h i t a c h i ，m a x e l l ，t r a n s c o r e 和瑞典 的t a g m a s t e r 等公司已有单一芯片的不同频段的电子标签供应市场。而且己经加 入反碰撞协议( a n t i c o l l i s i o np r o t o c 0 1 ) ，使得一个阅读器可以同时读出至少 4 0 个微波电子标签的内容信息。露时也增a n t 许多功能，如电子钱包需要的低功 耗读写功能、数据加密功能等，为r f i d 系统的应用提供更加广泛的应用前景呻1 。 嵌入式射频设别系统( p f i d ) 的研究与实现 r f i d 系统主要由数据采集和后台数据库网络应用系统两大部分组成。目前已 经发布或者正在制定的标准主要是与数据采集相关的。其中包括电子标签与读写 器之间的空气接口、读写器与计算机之间的数据交换协议、r f i d 标签与读写的性 能和一致性测试规范、以及r f i d 标签的数据内容编码标准等。后台数据库网络应 用系统目前并没有形成正式的国际标准，只有少数产业联盟制定了一些规范，现 阶段还在不断的演变之中。 r f i d 标准争夺的核心主要在r f i d 标签的数据内容编码标准这一领域。目前， 形成了五大标准组织，分别代表了国际上不同团体和国家的利益。e p cg l o b a l 是由北美u c c 产品统一编码组织和欧洲e a n 产品标准组织联合成立，在全球拥有上 百家成员，褥到了零售业巨头沃尔玛，制造业巨头强生、宝洁等跨国公司的支持。 而a i m 、i s o 、u i d 代表了欧美国家和日本；i p - x 的成员则以非洲、大洋洲、亚洲 等国家为主。比较焉畜，e p cg l o b a l 由于综合了美国和欧洲的厂商，实力相对占 上风 1 4 1 。 随着数字化社会的到来，以网络信意化管理和移动商务的迫切需求为发展的 动力，r f i d 技术应用领域不断扩大，各种r f i d 系统己经应用于或正在投入实际应 用。因此，无论您是否认识至u r f i d 技术正在成为入们生活中的一部分，其应用势 头正方兴未艾f 1 5 】。 1 2 2r f id 的发展前景 r f i d 技术在我国处于一个刚刚起步的阶段，但是它的发展潜力是巨大的，前 景非常诱入。在信息社会，对于各种信息的获取及处理要求快速、准确，在不久 的将来，r f i d 技术将网其他识别技术一样深入我们的生活，改善我们的生活。 随着应用需求的变化，r f i d 技术与其他高新技术结合，系统功能更加强大， 如与g p s 结合，可用于全球范围的物品识别及跟踪定位：与生物识别技术相结合， 形成可靠的门禁保安系统，如将掌纹存入r f i d 标签，当携带此r f i d 标签的人进入 安全区时，必须将手掌赦在扫描器上，只有该人手纹信息同安全数据库检索出的 三维图象一样，并且同本人所携带的r f i d 标签中信息一致才可进入该区域。 计算机阙络技术及现代通信技术的发展，为在全球范围蠹高速准确的数据传 输提供了条件。与计算机技术、互联网技术及通信技术结合，可形成跨地区的行 业性管理网络，范圈从一个小区域扩展到全国甚至全世界，满足跨地区甚至跨国 嵌入式射频设别系统( r f i d ) 的研究与实现 界运行的物品识别跟踪需要，实现国际大流通。结合计算机技术、网络技术及通 讯技术，r f i d 也进入跨行业、跨部门的综合性网络系统。例如：日本的高级物流 系统中，利用建立在运输沿线的r e d 系统及计算机网络，构成同时实现高速公路 不停车收费、运输车辆的调配、物品流通及运输过程的跟踪等多项功能系统网络。 再如城市交通管理，它不单是高速公路不停车收费，而且是利用r f i d 技术实时跟 踪车辆，通过交通控制中心的网络实时疏导交通，利用电子地图实时显示交通状 况，查处违章和被盗车辆等。美国麻省理工学院( m i t ) 于1 9 8 8 年提出产品电子编 码( e p c ) 和“实物互联网 的概念，得到许多国际大公司的支持【1 6 】。国际自动识 别技术领域两个知名标准化组织e a l 3 和u c c 也决定联合推动e p c 的标准化和应用， e p c 在未来十年的大规模应用将把全球物流跟踪与商品识别提高到一个前所未有 的水平，从而极大地改变我们的生活。 1 3 嵌入式系统 1 3 1 嵌入式系统的发展 继桌面计算机之后，最重要的i t 技术产业莫过于嵌入式系统了。为了区别于 原有的计算机系统，人们把嵌入到对象体系中，为了实现对象体系智能化控制的 计算机系统，称为嵌入式计算机系统，简称嵌入式系统【1 7 】。 嵌入式系统是面向特定应用，以硬件设计和软件开发为基础的专用计算机系 统，广泛应用子工业、控制、通讯、消费类产品等领域。纵观嵌入式技术的发展， 大致经历了以下三个阶段 1 8 1 ： 第一阶段：嵌入式技术发展的早期，以功能简单的专用计算机或单片机为核 心的可编程控制器形式存在。一般没有操作系统的支持，通过对系统进行直接控 制。这一阶段的系统结构和功能都相对单一，处理效率较低，内存容量小，几乎 没有用户接口。 第二阶段：后来出现了以嵌入式c p u 和嵌入式操作系统为标志的嵌入式系统。 这一阶段系统的主要特点是：计算机硬件出现了高可靠、低功耗的嵌入式m c u ，嵌 入式系统能运行于各种不同类型的微处理器上：操作系统内核小、效率高；具备 文件和目录管理、多任务、网络支持、图形窗口以及用户界面等功能；具有大量 的应用程序接口( a p i ) ，开发应用程序简单。 嵌入式射频设别系统( r f i d ) 的研究与实现 第三阶段：现阶段是以芯片技术和网络技术为标志的嵌入式系统。s o c 片上 系统使嵌入式系统越来越小的同时功能却越来越强。目前大多数嵌入式系统还孤 立于网络之外，但随着网络技术的发展以及与信息家电、工业控制技术等结合的 日益密切，嵌入式技术与网络技术的结合正在推动嵌入式技术的快速发展。 1 3 2 嵌入式处理器 嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器。根据现状，嵌入式处理器可分成下面 几类【1 9 】： l 。嵌入式微处理器( e m b e d d e d 麓i e r p r o e e s s o ru n i t ，e m p u ) 嵌入式微处理器的基础是通用计算机中的c p u 。e m p u 具有体积小、功耗少、 成本低、可靠性高的优点。僵由于片内周边电路不足，就必须在电路板上安装r o m 、 r a m 、总线接网和各种外设接口等器件，这样就降低了系统的可靠性。 嵌入式微处理器磷翦主要有a m l 8 6 8 8 、3 8 6 e x 、s c 一4 0 0 、p o w e rp c 、6 8 0 0 0 、 m i p s 和a r m 系列等。 2 。嵌入式微控制器( m i c r oc o n t r o ll e ru n it ，m c u ) 嵌入式微控制器又称单片机，就是将整个计算机系统的主要硬件集成到一块 芯片中。嵌入式微控制器一般以某种微处理器内核戈核心，根据某些典型的应用， 在芯片内部集成了各种必要的功能部件和外设。微控制器的片上外设资源一般比 较丰富，适合于控制，因此称为微控制器。和e m p u 相比，m c u 的最大特点是单片 化，体积大大减小，从而使功耗和成本下降、可靠性提高。微控制器是目前嵌入 式系统工业的主流。我们平时说到的嵌入式系统硬件，通常指的是嵌入式微控制 器，即单片型系统芯片。 嵌入式微控制器豳前的品种和数量最多，比较有代表性的通用系列包括 8 0 5 1 、m c s - 2 5 1 、m c s 一9 6 1 9 6 2 9 6 和数目众多的基于a r m 技术的微控制器芯片等。 在3 2 位微控制器领域，目前业界的最优秀代表无疑是基于a r m 技术的各类嵌入式 微控制器。目前m c u 占嵌入式系统约7 0 的市场份额。 3 嵌入式d s p 处理器( e m b e d d e dd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ，e d s p ) 在数字信号处理应用中，各种数字信号处理算法相当复杂，般结构的处理 器无法实时的完成这些运算。由于d s p 处理器对系统结构和指令进行了特殊设计， 使其适合于实时地进行数字信号处理。在数字滤波、f f t 、谱分析等方面，d s p 嵌入式射频设别系统( r f i d ) 的研究与实现 算法正大量进入嵌入式领域，d s p 应用正从在通用单片机中以普通指令实现d s p 功能，过渡到采用嵌入式d s p 处理器。嵌入式d s p 处理器系列比较有代表性的产品 是t i 的t m s 3 2 0 系列和m o t o r o l a 的d s p 5 6 0 0 0 系列。 4 嵌入式片上系统( s y s t e mo nc h i p ，s o c ) 随着e d a 的推广和v l s i 设计的普及化，以及半导体工艺的迅速发展，可以在 一块硅芯片上实现一个更为复杂的系统，这就是片上系统( s o c ) 。除某些无法集 成的器件以外，整个嵌入式系统大部分均可集成到一块或几块芯片中，使应用系 统电路板变得很简单，对于减小整个应用系统体积和功耗、提高可靠性非常有利。 可见基于s o c 的单片应用系统将成为嵌入式系统的主流器件，但目前s o c 要在嵌入 式系统应舞中全面推广还有一段路要走f 2 0 l 。 1 3 3 嵌入式操作系统 运行在嵌入式硬彳孛平台上，对整个系统及其操纵的部件、装置等资源进行统 一的协调、指挥和控制的系统软件就叫嵌入式操作系统【2 l 】。 按对外部事件的响应能力来分类，嵌入式操作系统有实时操作系统和分时操 作系统。嵌入式系统主要对设备和装置进行控制，在这些应用场合中，系统是 否能够及时快速的响应外部事件，常常是对系统的第一要求，因此嵌入式系统中 使用的操纵系统大多是实时操作系统。 嵌入式实时操作系统( r e a l - t i m ee m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m ，r t o s 或e o s ) 是一种实时的、支持嵌入式系统应用的操作系统软件，它是嵌入式系统( 包括硬、 软件系统) 极为重要的组成部分，目前，嵌入式操作系统主要都以提供“微内核 为主，其他诸如窗口系统界面、文件管理模块、通信协议等还要由开发人员自己 设计或者外购。大多数嵌入式操作系统主要提供：内存管理、多任务管理、外围 资源管理这三项功能。 i t 行业从来就不是一个平静的世界，面对嵌入式系统的巨大应用领域和诱人 前景，世界上的备大软件开发齑甚至个人都纷纷开发出各具特色的嵌入式操作系 统。据统计，目前嵌入式操作系统有4 0 种左右，其中较为流行的主要有： w i n d o w s c e 、z c l i n u x 、c o s - i i 、v x w o r k s 、p s o s 、n u c l e u s 等。使用其中的商 业操作系统是需要高昂的费用的，而其中免费的、源码开放的、在互联网上发布 嵌入式射频设别系统( r f i d ) 的研究与实现 的比较有名的c l i n u x 和c o s i i 获得了最为广泛的应用 2 2 1 。 与通用操作系统相比较，嵌入式实时操作系统在系统实时高效性、硬件能相 关依赖性、软件固态化以及应用的专用性等方面具有较为突出的特点。 惑前，嵌入式操终系统正朝以下凡个方面迅猛发展： 1 提供开放的操作系统应用程序接口( a p i ) 通用嵌入式操作系统为了支持开发商根据需要自行开发所需的应用程序，除 了提供自身的一套a p i 以外，还要提供支持p o s i x 等标准的a p i 。 2 。面向网络、面向特定熬应用 伴随着通用型嵌入式r t o s 的发展，面向网络、面向特定应用的嵌入式操作系 统正b 益弓| 超人们的重视。嵌入式系统与i n t e r n e t 的结合，嵌入式操作系统与应 用设备的无缝结合代表着嵌入式操作系统发展的真正未来。 3 。实时、嵌入式l i n u x 成为新热点 实时、嵌入式l i n u x 操作系统的迅速崛起。实时、嵌入式l i n u x 具有开放的源 代码、精巧、高效的内核、完整的网络功能、良好的可剪裁性，非常适合信息家 电一类的嵌入式系统的开发。 4 本文的研究内容 本文共分七章，阐述了r f i d 系统的组成和工作原理，分析了r f i d 系统的技术 实质，并结合工程的实际应用，选择了p h i l i p s 公司的z l g s 0 0 射频读写模块，设 计了基于a r m 7 处理器的r f i d 读卡器，- 并对反碰撞算法进行了研究。 本文的主要章节安排如下： 第一章，绪论，介绍了射频系统的基本内容和应用领域的现状，阐述了嵌入 式射频识别系统的优点、意义和发展状况，确立了本文的研究重点和方向； 第二章，r d i d 系统理论基础，包括电磁场理论、编码与调制、数字校验、通 信协议等，为后面章节的设计与研究提供了理论指导； 第三章，r f i d 系统硬件设计，以( z l g 5 0 0 ) 的射频收发模块为例设计了基于 l p c 2 1 3 1 处理器的r f i d 系统，包括读卡、天线、以太网接口、m c u 硬件设计； 第四章，r f i d 系统软件设计，利用c 与汇编语言的混合编程实现b o o t l o a d e r ， 将c o s - i i 嵌入式操作系统移入到处理器中，在a d s l 2 编译环境下进行读卡器 嵌入式射频设别系统( r f i d ) 的研究与实现 的软件设计，完成了射频识别的读写功能； 第五章，r f i d 系统的反碰撞算法研究，主要研究了z l g 6 0 0 模块所采用的a l o h a 算法，并针对a l o h a 算法提出了一种改进的算法模型，并对该模型进行了仿真； 第六章，r f i d 系统中间件设计，利用v i s u a lc + + 6 0 设计了基于串口的中间 件，扩展了r f i d 系统以太网通信； 第七章，总结与展望，对本文的研究工作进行了总结，对嵌入式射频识别系 统下一步的研究方向进行了展望。 嵌入式射频设别系统( r f i d ) 的研究与实现 第二章r f id 系统理论基础 2 1 相关电磁场的基础理论 2 1 1 天线场 了解电磁传播规律，有助于更好地理解和应用r f i d 系统，下面介绍一下天 线场的概念。 读写器和电子标签通过各自的天线构建了二者之间的非接触信息传输信道。 这种空间信息传输信道的性能完全由天线周围的场区特性决定，这是电磁传播的 基本规律。射频信号与距离的高次幂成反比，随着离开天线的距离增大而迅速减 小。在这个区域由于电抗占优势，因此该区域被称为电抗近场区，它的边界约为 一个波长。超过电抗近场区就是辐射场区。按照距离天线的远近，又把辐射场区 分为辐射近场区和辐射远场区。根据观测点距离天线的不同，天线周围辐射的场 呈现出来的性质也不相同。通常可以根据观测点距离天线的距离将天线周围的场 划分为三个区域：无功近场区、辐射近场区、辐射远场区 2 3 1 。 1 无功近场区 无功近场区也被称为电抗近场区，它是天线辐射场中紧邻天线口径的一个近 场区域。在该区域中，电抗性储能场占着支配地位，通常，该区域的界限取为距 天线口径表面2 2 ：r 处。从物理概念上讲，无功近场区是一个储能场，其中的电 场与磁场的转换类似于变压器中的电场、磁场之间的转换。如果在附近还有其他 金属物体，这些物体会以类似电容、电感耦合的方式影响储能场，因而也可以将 这些金属物体看作组合天线的一部分。在该区域中束缚与天线的电磁场没有做功 ( 只是进行相互转换) ，因而将该区域称为无功近场区。 2 辐射近场区 超过电抗近场区就到了辐射场区，辐射场区的电磁能已经脱离了天线的束 缚，并作为电磁波进入了空间。按照离开天线距离的远近，又把辐射场区分为辐 射近场区和辐射远场区。 在辐射近场区中，场区中辐射场占优势，并且辐射场的角度分布于距离天线 的口径的距离有关。天线各单元对观察点辐射场的贡献，其相对相位和相对幅度 是天线距离的函数。对于通常的天线，此区域被称为菲涅尔区。由于大型天线的 嵌入式射频设别系统( r f i d ) 的研究与实现 远场测试距离很难满足，因此研究该区域中场的角度分布对于大型天线的测试非 常重要。 3 辐射远场区 辐射远场区就是人们常说的远场区，又称为夫朗荷费区。在该区域中，辐射 场的角分布与距离无关。严格地讲，只有距离天线无穷远处才到达天线的远场区。 但在某个距离上，辐射场的角度分布与无穷远时的角度分布误差在允许的范围以 内时，即把该点至无穷远的区域称为天线远场区。 天线的方向性图即指该辐射区域中辐射场的角度分布，因此远场区是天线辐 射场区中最重要的一个。公认的辐射近场区与远场区的分界距离r 为： 2 d 2 k = 五 ( 2 - 1 ) 其中，d 为天线直径，五为天线波长，d 名。 对于天线而言，满足天线的最大尺寸l 小于波长五时，天线周围只存在无功 近场区和辐射远场区，没有辐射近场区。无功近场区的边界约为2 , 2 ，r ，超过了 这个距离，辐射场就占主导地位。一般满足l 旯 1 的天线成为小天线。 对射频识别系统和电子标签而言，一般情况下，由于电子标签尺寸的限制， 以及读写器天线应用时的尺寸限制，绝大多数情况下，采用l 2 1 或l 彳 3 5 m ) 4 3 3 m h z0 6 9 3l1 c m( 1l a i n ) 9 1 5 m h z0 3 2 85 2 c m6 1 c m 2 4 5 g h zo 1 2 21 9 c m1 6 4 c m 5 8 g h z0 0 5 28 2 8 m m3 8 5 c m 表2 1 的计算数据是基本的数值参考。对于给定的工作频率，无功近场区的 嵌入式射频设别系统( r f i d ) 的研究与实现 外界基本上由波长决定，辐射远场区的内边界应该满足大于无功近场区外界的约 束。当天线尺寸( d 或l ) 与波长可比或大予波长时，其辐射近场区的区域大致 在r 1 与r 2 之间。 有关天线场区的划分，一方面表示了天线周围场的分布特点，即辐射场中的 能量以电磁波的形式向外传播，无功近场区的能量以电场、磁场的形式相互转换 不离外传播；另一方面表示了天线周围场强的分布情况，距离天线越近，场强越 强。 2 。1 2 数据传输原理 射频识别系统中，读写器和电子标签之间的通信通过电磁波来实现，按照通 信距离，可以划分为近场和远场。相应的，读写器和电子标签之闻的数据交换方 式也被划分为负载调制和反向散射调制 2 4 1 。 1 负载调制 近距离低频射频识别系统是通过准静态场的耦合来实现的。在这种情况下， 读写器和电子标签之间的天线能量交换方式类似于变压器模型，称之为负载调 制。负载调制实际是通过改变电子标签天线上的负载电阻的接通和断开，来使读 写器天线上的电压发生变化，实际用近距离电子标签对天线电压进行振幅调制。 如果通过数据来控制负载电压的接通和甑开，那么这些数据就能够从电子标签传 输到读写器了，这种调制方式在1 2 5 k h z 和1 3 5 6 m h z 射频识别系统中得到了广泛 的应用。 负载调制利用的是射频识别卡与阅读器天线近场区之间的电感耦合原理，属 于密耦合系统，实际应用中通常需要将射频识别卡插入到阅读器内部使之定位于 铁芯的缝隙中，如图2 1 所示，这类似于一个变压器，阅读器线圈相当于变压器 的初级线圈，射频识别卡线圈相当于变压器的次级线圈。通过初级线圈的高频电 流，在铁芯周围产生高频磁场，进而穿过射频识别卡线圈，在周围感应出频率相 同的交流电压。对此电压整流，可获得芯片使用的电源电压。 嵌入式射频设别系统( r f i d ) 的研究与实现 图2 1 密耦合系统 2 反向散射调制 在典型的远场，如9 1 5 m h z 和2 4 5 g h z 的射频识别系统中，读写器和电子标 签之间的距离有几米，而载波波长仅有几到几十厘米。读写器和电子标签之间的 能量传递方式为反向散射调制【2 ”。 反向散射调制技术是指无源r f i d 电子标签将数据发送回读写器所采用的通 信方式。根据要发送的数据的不同，通过控制电子标签的天线阻抗，使得反射的 载波幅度产生微小变化，这样反射的回波的幅度就携带了所需传送的数据。这和 a s k 调制有些类似。控制电子标签天线阻抗的方法有多种，都是基于一种称为“阻 抗开关 的方法。最近研究的几种阻抗开关有变容二极管、逻辑门、高速开关等 等。反向散射调制原理示于图2 2 所示。 s d a t a 图2 2 反向散射调制原理图 要发送的数据信号是具有两种电平的信号，通过一个简单的混频器( 逻辑门) 与中频信号完成调制，调制结果连接到一个“阻抗开关 ，由阻抗开关改变天线 的反射系数，从而再对载波信号完成调制。其中，匹配网络是为了产生一个较大 嵌入式射频设别系统( r f i d ) 的研究与实现 的调制系数r ，这样可以提高系统的工作距离。r 定义如下： r = 2 0 l o( 2 - 2 ) 式中，麓，为天线散射参数。其中中频调制是可选的。对数据采用中频调制 是为了增加灵敏度以及多信道编码能力。要发送的数据可以经过进一步数据编 码，也可进一步调制。 2 1 3 天线和电磁特性 r f i d 系统的标签一般为无源麓形式，所以读写器除了发送必要的数据信息之 外，还要起到给电子标签提供能量的作用，而且能够提供的能量大小是决定这个 系统工终距离的重要因素，所以我们必须尽可熊的提高供给能量的效率。对于工 作在1 3 5 6 m h z 的r f i d 系统，当标签进入读写器的电磁场范围后，标签的天线上产 生感应电压，并对存储电容充电，当电荷达到一定量磊标签芯片开始工作。根