（计算机应用技术专业论文）基于windows+ce的rfid读卡器系统设计与实现.pdf

摘要 射频识别( r f i d ，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 ) 系统是高效的信息识别、 采集系统。它具有非接触识读，可同时识读多个目标，可识别高速运动物体， 抗恶劣环境、保密性强等独特的优点，近年来，r f i d 技术不断应用到新的实际 系统中，推动了新的理论和应用领域的发展。 近几年来随着半导体以及微电子技术的发展，以嵌入式计算机为技术核心 的嵌入式系统得到了快速地发展。基于嵌入式系统的r f i d 技术开发，已经成为 r f i d 技术发展的必然趋势。而目前国内市场上的r f i d 系统多基于8 位、1 6 位 单片机，很少采用嵌入式操作系统，功能单一。随着系统复杂性的增加和应用 范围的扩大，没有操作系统的r f i d 系统的缺点日益暴露。针对此种情形，本论 文基于3 2 位a r m 结构微处理器，引入功能强大的嵌入式实时操作系统，设计 了一款可视化好，多接口、多协议支持，模块化、易扩展的r f i d 读卡器系统。 为开发多功能、手持式r f i d 读卡设备提供了很好的借鉴，对r f i d 技术的推广应 用，具备一定的现实意义。另外，针对实际应用中r f i d 读卡器一次性读取多张 卡片时存在的冲突问题，本文利用多协议支持、高集成的1 3 5 6 m h zr f i d 模拟 前端芯片t r f 7 9 6 0 针对i s 0 1 5 6 9 3 、i s 0 1 4 4 4 3r f i d 协议分别采用1 6 时隙防冲 突算法以及动态二进制检索树算法，实现了一次性多卡识别，这也是本文的一 大创新点。 本文所设计的r f i d 读卡器系统，采用三星$ 3 c 2 4 1 0 a 微控制器和w i n c e5 0 操作系统。能够正确有效地识别符合i s 0 1 5 6 9 3 、i s 0 1 4 4 4 3t y p ea b 协议标准的 电子标签，并将读取结果通过设备串口发送到监控终端。能够实现一次性多卡识 别。能够对电子标签进行数据读写，读写距离达1 0 厘米以上。完全达到了高可 靠性、低功耗、小型化的开发目标。 本文首先对课题的选题背景作了简单叙述，阐述了本课题的研究目的、意义 和国内外研究的现状；然后对r f i d 技术以及嵌入式系统进行论述，从而为后续 的研究奠定理论基础；接着深入探讨了整个开发平台的构建，其中包括硬件的 搭建以及操作系统的移植、驱动程序的开发，对r f i d 读卡器系统的主要功能与 实现方法进行了重点分析，并简要介绍了r f i d 读卡器系统的软硬件测试方法和 过程，文章最后对课题所作工作进行了总结和展望。 关键词：r f i d 读卡器，嵌入式系统，w i n d o w sc e ，t r f 7 9 6 0 ，a r m a b s t r a c t r f i d ( 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 ) s y s t e mi sah i i g he f f i c i e n ti d e n t i f i c a t i o na n d i n f o r m a t i o nc o l l e c t i o ns y s t e m w i t hi t su n i q u ea d v a n t a g e so fc o n t a c t l e s so p e r a t i o n ， r a p i da n dm u l t i - t a r g e t sr e c o g n i t i o n s ，i ti sw i d e l yu s e di nm a n yf i e l d s i nr e c e n ty e a r s ， t h ed e v e l o p m e n to fr f i dt e c h n o l o g yh a sp u tt h ea c h i e v e m e n to fr f i dp r o c e s s i n gi n t h e o r yi n t on e wp r a c t i c a la p p l i c a t i o ns y s t e m sa n dt h e nn e wt h e o r ya n da p p l i c a t i o n h a v e b e e nm a d eg r e a tp r o g r e s s o nt h eo t h e rh a n d ，e m b e d d e dt e c h n o l o g ya tt h ec o r eo fe m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o r h a sm a d er a p i dp r o g r e s si n p r a c t i c ew i t h t h ed e v e l o p m e n to fs e m i c o n d u c t o r t e c h n o l o g ya n dm i c r o e l e c t r o n i ct e c h n o l o g y i th a sb e e ni n e v i t a b l et r e n dt od e v e l o p r f i ds y s t e mu s i n ga d v a n c e de m b e d d e dt e c h n o l o g y w h i l ei nh o m em a r k e t ，m o s to f r f i dr e a d e rp r o d u c t sa r eb a s e do n8o r1 6b i t ss i n g l ec h i pp r o c e s s o rw i t h o u t e m b e d d e do p e r a t i o ns y s t e r m ，f u n c t i o ns i m p l y s u c hp r o d u c t sc a nn o tm e e tt h e c h a l l e n g eo fi n c r e a s i n gr e q u i r e m e n t sw i t ht h eg r o w i n gs y s t e mc o m p l e x i t i o n sa n d e x t e n d e d a p p l i c a t i o nr a n g e i n t h i ss i t u a t i o n ，w ed e v e l o p e dam u l t i - p r o t o c o l ， m u l t i i n t e r f a c e ，m o d u l a r i z a t i o n ，g o o de x p a n s i b i l i t y ，u s e r f r i e n d l yi n t e r f a c eh f r f i d s y s t e m ，w h i c hp r o v i d ear e f e r e n c ef o rd e v e l o p i n gm u l t i f u n c t i o na n dp o r t a b l er f i d r e a d e r r e a l i z a t i o no fa n t i c o l l i s i o na l g o r i t h mi sa n o t h e ra c h i e v e m e n t t h et h e s i sa i m st od e s i g na n dd e v e l o par f i dr e a d e rs y s t e mb a s e do nw i n c ea n d $ 3 c 2 4 1 0 a , w h i c hs u p p o r tt h er fp r o t o c o l so fb o t hi s 0 1 5 6 9 3a n di s 0 1 4 4 4 3 ，t h e n t r a n s m i td a t at op c b yu a r tp o r ta f t e rd e t e c t i n gt a g i na d d i t i o n ，t h er e a d e rc a n d e t e c t m o r et h a no n et a g si ne f f e c t i v er a n g ea to n et i m ea n dc a nr e a d w r i t ed a t ai n f r o m t a g sb l o c k s b e i n go fh i g hr e l i a b i l i t y ，l o wc o n s u m e dp o w e r ，m i n i a t u r i z a t i o n ，t h i sr f i dr e a d e r h a sr e c o g n i z a b l ed i s t a n c eu pt o1 0 c ma n di th a sb e e nu s e di no n ek i n do fp d a p r o d u c t t h es t a b i l i t yo ft h er e a d e rw a sp r o v e db yt h ea c t u a la p p l i c a t i o n s t h ep r o j e c tb a c k g r o u n d ，t h er e s e a r c hm e a n i n ga n dp u r p o r t ，t h ed e v e l o p m e n to f a p p l i c a t i o no ft h er f i dr e a d e ra th o m ea n da b r o a da r ei n t r o d u c e d t h er f i ds y s t e m a n de m b e d d e ds y s t e ma r ei n t r o d u c e d ，w h i c hl a yas t r o n gf o u n d m i o no ft h e o r e t i c a l i i p r i n c i p l e t h e nf o c u so nh o wt ob u i l du pt h ew h o l ep l a t f o r m ，i n l c u d i n gt h eh a r d w a r e d e s i g n ，t h eo p e r a t i n gs y s t e mt r a n s p l a n t ，a n dt h ed r i v e r sd e v e l o p m e n t t h et h e s i s e m p h a s i so nt h ew a yt ob u i l du pt h er f i ds y s t e m f u r t h e m o r et h em e t h o do fr f i d r e a d e rs y s t e r mt e s t i n gi sp r e s e n t e d k e y w o r d s ： r f i dr e a d e r ，e m b e d d e ds y s t e m ，w i n d o w sc e ，t r f 7 9 6 0 ，a r m m 缩略表 r f ： 射频 s o f ： 帧首 e o f ： 帧尾 a s k ：振幅键控 p i c c ：接近式卡 d l h 动态链接库 b s p ：板级支持包 a f h 应用族识别号 c r c ：循环冗余校验码 i s r ( i n t e r r u p ts e r v i c er o u t i n e ) ：中断服务程序 u i d ( u n i q u ei d e n t i f i e r ) ：唯一标识符 f s k ：( f r e q u e n c y - s h i f tk e y i n g ) ：频移键控频率 r f i d ( 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 ) ：射频识别 v c d ( v i c i n i t yc o u p l i n gd e v i c e ) ：读卡器或者读卡器 p c d ( p r o x i m i t yc o u p l i n gd e v i c e ：接近式耦合设备 r f u ( r e s e r v e df o rf u t u r eu s e 0 ) ：留作将来i s o i e c 使用 v i c c ( v i c i n i t yi n t e g r a t e dc i r c u i t - c a r d ) ：应答器或者电子标签 w i n c e ：w i n d o w sc e o a l ：o e m a d a p t a t i o nl a y e r a r m ：a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s m m u ：m e m o r ym a n a g e m e n tu n i t v i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：_ 丁南参 导师签名： 胃之a 一) 武汉理王大学硕士学位论文 1 1 研究背景及课题来源 第1 章绪论 r f i d 是自动识别领域应用中最新的识别技术。它通过射频信号自动识别目 标对象并获取相关数据。r f i d 技术与互联网、通讯等技术相结合，可实现全球 范围内物品跟踪与信息共享。研究r f i d 技术，发展r f i d 产业对提升社会信息 化水平、促进经济可持续发展、提高人民生活质量、增强公共安全与国防安全 等方面产生深远影响，具有战略性的重大意义1 1 1 。 以美国、日本和欧洲为首的发达国家对r f i d 技术的应用研究己达到相当高 的水平，而我国则处于起步阶段，大多采用了引进的技术成果。所以研究该技 术己成为我国当今社会发展的必然趋势1 2 l 。 本课题源于深圳某公司手持式高频读写器研发项目，目标是为客户公司定 制基于嵌入式操作系统w i n c e 的手持式、多协议、多功能、低功耗、功能易扩 展的读卡器，实现i s 0 1 5 6 9 3 及i s 0 1 4 4 4 3a b 协议支持。系统采用$ 3 c 2 4 1 0 a 嵌入式微处理器芯片与t r f 7 9 6 0 模拟前端芯片，在w i n c e5 0 下实现了射频识 别系统。对r f i d 技术的研究和产品开发有着一定的商用价值。 1 2 国内外研究历史与现状 r f i d 技术涉及信息、制造、材料等诸多高技术领域，涵盖无线通信、芯片 设计与制造、天线设计与制造、标签封装、系统集成、信息安全等技术。一些 国家和国际跨国公司都在加速推动r f i d 技术的研发和应用进程。在过去十年 间，共产生数千项关于r f i d 技术的专利，主要集中在美国、欧洲、日本等国家 和地区1 3 1 。 国外著名厂商及研究机构，如德州仪器、飞利浦等，纷纷加大对射频识别 技术的研发和应用，且研发重点已经从原来的低频、高频技术产品转向超高频 和微波产品及相关技术的研究。发达国家在多种频段都实现了标签芯片的批量 生产，模拟前端多采用了低功耗技术，无源超高频标签的工作距离可以达到一 米以上，功耗可以做到几个微瓦，批量成本接近十美分l 引。 武汉理工大学硕士学位论文 我国在r f i d 技术的研究方面起步晚但发展很快，比较典型的是在中国铁路 车号自动识别系统建设中，推出了完全拥有自主知识产权的远距离自动识别系 统。我国在l f ( 低频) 和h f ( 高频) 频段r f i d 标签芯片设计方面的技术比较 成熟，h f 频段方面的设计技术接近国际先进水平，已经自主开发出符合 i s 0 1 4 4 4 3t y p ea b 和i s 0 1 5 6 9 3 标准的r f i d 芯片，并成功地应用于交通一卡通 和第二代身份证等项目中。与国际的主要差距体现在片上天线与芯片的集成方 面。特别是超高频应用方面基础薄弱、应用分散和缺乏规模优势，没有掌握芯 片设计制造、天线设计、封装技术及装备等关键核心技术【5 】【6 1 。 r f i d 产业发展迅速，根据中国目前r f i d 产业规模预测，r f i d 产业到2 0 1 0 年将达到4 0 多亿元人民币。中国r f i d 市场经过推广与培育，成功的行业应用 案例已经有很多，但相对于欧美等发达国家，我国的r f i d 应用环境基础设施薄 弱，企业信息化程度低。随着市场对r f i d 技术的认知程度的提高，未来3 年 r f i d 技术将给中国的产业界带来巨大的收益。据资料表明，我国2 0 0 5 年交付 超过1 亿个标签，预测2 0 0 9 年将交付2 9 亿多个【训。 1 3 课题研究的目的及意义 r f i d 技术对数据量、传输吞吐速率和防冲突算法的要求越来越高，并且与 其它一些如蓝牙、z i g b e e 与w i f i 等先进技术的结合也是必然趋势，因此r f i d 系统在多协议、多功能、多接口的支持方面提出了更高的要求，并逐步向小型 化、便携式、嵌入式方向发展。针对这一现实要求，在分析r f i d 技术的基础上， 本文详细介绍了如何搭建高性能的嵌入式开发平台，并深入探讨了在此开发平 台上多协议、多功能和小型化的高频r f i d 读卡器系统的研制，为在p d a 等智 能化手持设备上进行r f i d 系统开发提供了良好的借鉴。 1 4 本文主要研究内容 本论文的主要工作包括：硬件方面，进行了电源及复位电路设计、串行通 信电路设计、存储器电路设计、微控制单元电路设计、r f i d 读写模块电路设计、 实时时钟电路设计、l c d 显示电路设计、触摸屏电路设计、j t a g 接口和天线设 计等；软件方面，进行了w i n c e5 0 操作系统移植，串口驱动、l c d 及触摸屏 驱动开发，r f i d 读卡器的驱动程序设计与开发，r f i d 读卡器应用程序以及功 2 武汉理工大学硕士学位论文 能测试程序的编写等。并在开发过程中综合运用多种测试方法，对整个软硬件 平台进行了有效的检测。 3 武汉理工大学硕十学位论文 第2 章r f i d 读卡器的相关技术分析 2 1r f i d 技术 r f i d 是射频识别技术( 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 ) 的英文缩写，射频识别 技术是2 0 世纪9 0 年代开始兴起并逐渐走向成熟的一种自动识别技术，它利用 射频信号通过空间耦合( 交变磁场或电磁场) 实现无接触信息传递并通过所传递 的信息达到识别目的。 与目前广泛使用的自动识别技术例如条码技术、磁条磁卡技术、i c 卡技术、 光学字符识别、声音识别及视觉识别码技术等相比，射频识别技术具有很多突 出的优点n 1 非接触操作，长距离识别( 几厘米至几十米) ，因此完成识别工作时无须人 工干预，应用便利： 2 无机械磨损，寿命长，并可工作于各种油渍、灰尘污染等恶劣的环境； 3 可识别高速运动物体并可同时识别多个电子标签； 4 读写器具有不直接对最终用户开放的物理接口，保证其自身的安全性： 5 数据安全方面除电子标签的密码保护外，数据部分可用一些算法实现安 全管理，读写器与标签之间存在相互认证的过程，实现安全通信和存储。 2 1 1r f i d 系统的组成 r f i d 系统由如下三部分组成【8 j ： 1 应答器( 或称电子标签、射频卡) ：具有智能读写和加密通信的功能，它 通过无线电波与读写设备进行数据交换，工作的能量由读卡器发出的射频脉冲 提供。电子标签由耦合元件及芯片组成，其中包含带加密逻辑、串行e e p r o m ( 电可擦除及可编程式只读存储器) 、微处理器以及射频收发及相关电路，且 每个应答器具有全球唯一的识别号( u i d ) ，无法修改、无法仿造，保证了安全性。 2 天线( a n t e n n a ) ：在标签和读卡器间传递射频信号，即标签的数据信息。 天线是一种以电磁波形式把无线电收发机的射频信号功率接收或辐射出去的装 置。按工作频段可分为长波、短波、超短波以及微波天线等；按方向性可分为 4 武汉理，t 大学硕士学位论文 全向天线、定向天线等；按外形可分为线状天线、面状天线等。 3 读卡器# ( r e a d e r ) ：有时也被称为查询器、读写器或读出装置，主要由无线 收发模块、天线、控制模块及接口电路等组成。读卡器可将主机的读写命令传 送到电子标签，再把从主机发往电子标签的数据加密，将电子标签返回的数据 解密后送到主机。数据交换与管理系统主要完成数据信息的存储及管理、对卡 进行读写控制等。 各部分之间的关系如图2 1 示： 2 1 2r f i d 技术的原理 耦合元件( 线 圈、微波天线) 图2 1r f i d 系统组成 r f i d 系统的工作原理如下：读卡器将要发送的信息编码后加载到某一频率 的载波信号上经天线向外发送，进入读卡器工作区域的电子标签接收此脉冲信 号后，卡内芯片中的有关电路对此信号进行调制、解码、解密，然后对命令请 求、密码、权限等进行判断。若为读命令，控制逻辑电路则从存储器中读取有 关信息，经加密、编码、调制后通过卡内天线再发送给读卡器，读卡器对接收 到的信号进行解调、解码、解密后送至中央信息系统进行有关数据处理；若为 修改信息的写命令，有关控制逻辑引起的内部电荷泵提升工作电压，提供擦写 e e p r o m 中的内容进行改写，若判断其对应的密码和权限不符，则返回出错信 息。 在r f i d 系统中，读卡器必须在可阅读的距离范围内产生一个合适的能量场 以激励电子标签。在当前有关的射频约束下，欧洲的大部分地区各向同性有效 辐射功率限制在5 0 0 r o w ，这样的辐射功率在8 7 0 m h z ，可近似达到0 7 米。美 5 武汉理t 人学硕士学位论文 国、加拿大以及其他一些国家，无需授权的辐射约束为各向同性辐射功率为4 w ， 这样的功率将达到2 米的阅读距离，在获得授权的情况下，在美国发射3 0 w 的 功率将使阅读区增大到5 5 米左右1 4 1 。 2 1 3r f i d 系统的分类 根据不同的标准，r f i d 系统的分类有多种。而在实际应用领域，通常依据 电子标签工作频率的不同将整个射频识别系统分为低频、中频及高频系统【9 】【1 0 l 。 1 低频系统的工作频率在1 0 0 5 0 0 k h z ，其特点是标签成本低、读写距离近 ( 0 1 0 厘米) 、数据传输速度慢。目前市场上应用较多的人员门禁控制、“一卡 通”消费等系统大多属于这一类。 2 中频系统的工作频率在1 0 1 5 m h z ，其典型工作频率为1 3 5 6 m h z 。其特 点是标签成本适中、读写距离较远( 0 1 0 0 厘米) 、数据传输速度快，因此比较 适合需传送大量数据的应用。该类型产品将是近期r f i d 市场上的主流。本课题 采用该类系统。 3 高频系统的工作频率分为两种：超高频( u h f ) 8 5 0 9 5 0 m h z 和微波频 段2 4 5 g h z 及5 8 g h z 。其特点是读写距离远、读写速度极快、抗干扰能力强， 因此特别适合高速运动物体的识别，如高速公路不停车收费、火车运行监控等。 但此系统目前价格较贵，一张标签的市场价在2 0 0 元以上。其中u h f 频段射频 识别产品由于方便采用无源设计、体积小、价格低、适应大规模生产，正在得 到全球范围内的众多厂商的一致认可，将逐步成为r f i d 领域内的主流产品。 另外，根据不同的标准，电子标签也有几种分类【1 l j ： 1 按供电方式分为有源卡和无源卡。有源是指卡内有电池提供电源，其作 用距离较远，但寿命有限、体积较大、成本高，且不适合在恶劣环境下工作； 无源卡内无电池，它利用波束供电技术将接收到的射频能量转化为直流电源为 卡内电路供电，其作用距离相对有源卡短，但寿命长且对工作环境要求不高。 2 按调制方式的不同可分为主动式和被动式。主动式射频卡用自身的射频 能量主动地发送数据给读写器：被动式射频卡使用调制散射方式发射数据，它 必须利用读写器的载波来调制自己的信号，该类技术适合用在门禁或交通应用 中，因为读写器可以确保只激活一定范围之内的射频卡。主动方式工作的射频 卡主要用于有障碍物的应用中，距离更远( 可达3 0 米) 。 3 按作用距离可分为密耦合卡( 作用距离小于1 厘米) 、近耦合卡( 作用距离 小于1 5 厘米) 、疏耦合卡( 作用距离约1 米) 和远距离卡( 作用距离从1 米到1 0 米， 6 武汉理工大学硕士学位论文 甚至更远) 。 4 按芯片分为只读卡、读写卡和c p u 卡。 5 按载波频率分为低频射频卡、中频射频卡和高频射频卡。 2 1 4i s 0 1 5 6 9 3 和i s 0 1 4 4 4 3 协议 i s 0 1 4 4 4 3 和i s 0 1 5 6 9 3 协议标准在1 9 9 5 年开始操作，其完成则是在2 0 0 0 年之后，二者皆以1 3 5 6 m h z 交变信号为载波频率：i s 0 1 5 6 9 3 读写距离较远， 当然这也与应用系统的天线形状和发射功率有关；而i s 0 1 4 4 4 3 读写距离稍近， 但应用较广泛，目前我国的第二代电子身份证采用的标准是i s 0 1 4 4 4 3t y p eb 协 议。这两个标准都由物理特性、射频功率和信号接口、初始化和反碰撞以及传 输协议四部分组成【1 2 】。本读卡器系统实现了对i s 0 1 5 6 9 3 、i s 0 1 4 4 4 3t y p ea b 协议电子标签的识别，下面的内容主要针对协议中与软件开发紧密联系部分的 介绍。 2 1 4 1i s 0 1 5 6 9 3 i s 0 1 5 6 9 3 标准下，v c d ( v i c i n i t yc o u p l i n gd e v i c e ) 读卡器和v i c c ( v i c i n i t y i n t e g r a t e dc i r c u i t c a r d ) 电子标签全部采用a s k 调制，调制深度可选择为1 0 和 1 0 0 ，v i c c 必须对两种调制深度正确解码【1 3 】1 1 4 】。 1 v c d 向v i c c 传送信号时，有两种编码方式：“2 5 6 取1 ”和“4 取1 ”。二 者皆在固定时间段内根据脉冲的位置进行编码。在长距离模式下，“2 5 6 取1 ”编 码与1 0 的a s k 调制方法优先组合使用。在这种组合方式中，与载波信号的场 强相比，调制波边带较低的场强允许充分利用许可的磁场强度为l c 卡提供能量。 与此相反，读卡器的“4 取1 ”编码与1 0 0 的a s k 调制的组合在作用距离变短或 在读卡器的附近被屏蔽时优先使用。 2 v i c c 向v c d 传送信号时，用负载调制副载波。副载波本身在m a n c h e s t e r 编码数据流的时钟中进行调制，调制方法由读卡器发送的f l a g 字节的标志位 决定。v i c c 支持两种调制方法：a s k ( 副载波频率为4 2 4 k h z ) 和f s k ( 副载波频 率为4 2 4 4 8 4 l z ) 。数据传输速率同样由f l a g 中的标志位决定，支持高速和 低速两种传输速率。这两种速率根据采用的副载波的不同而略有不同，采用单 副载波时低速为6 6 2 k b i t s s ，高速为2 8 k b i t s s ；采用双副载波时则分别为 6 。6 7 k b i t s s 和2 6 6 9 k b i t s s 。 7 武汉理j 【大学硕士学位论文 i s 0 1 5 6 9 3 协议支持的命令集及其格式，是软件实现过程中必须要熟悉的， 下面作一下简要介绍： 1 通用的命令格式： 协议命令通常包含以下几个部分：标志、命令编码、参数、数据域、c r c 。 表2 - 1 命令格式 数据发送时，t r f 7 9 6 0 自动生成s o f 、c r c 、e o f 添加到数据包。 2 表2 - 1 中标志域部分，每个比特位的具体含义见表2 2 ： 表2 2 标志域描述 位( b i t ) 标志名称值描述 o v i c c 使用单个副载波频率 b l 副载波标志 1v i c c 使用两个副载波频率 o 使用低数据速率 b 2 数据速率标志 1 使用高数据速率 0标志5 到标志8 的含义依照表2 3 b 3 目录标志 1标志5 到标志8 的含义依照表2 4 o 无协议格式扩展 b 4 协议扩展标志 1 协议格式已扩展，保留供以后使用 3 目录标志设置为o 时标志域5 b i t 到8 b i t 的含义： 表2 - 3b 3 位设置为0 时标志域5 b i t 到8 b i t 位t 位( b i t ) 标志名称 值描述 0 根据寻址标志设置，请求将由任何v i c c 执行。 b 5 选择标志 1 请求只由处于选择状态的v i c c 执行。寻址标志应 设置为0 ，u i d 域不应包含在请求中。 0 请求没有寻址。不包括u i d 域。请求可由任何v i c c b 6 寻址标志 执行。 l 请求有寻址。包括u i d 域。仅由那些自身u i d 与请 求中规定的u i d 匹配的v i c c 才能执行。 0 含义由命令描述定义。如果没有被命令定义，应设 b 7 选择权标志 置为0 。 1 含义由命令描述定义。 b 8r f u 0 保留 4 当目录标志设置为1 时标志域5 b i t 到8 b i t 的含义： 8 武汉理t 大学硕十学位论文 表2 4 b 3 位设置为1 时请求标志域5 b i t 到8 b i t 位( b i t 、 标志名称值描述 o a f i 域没有出现 b 5 a n 标志 1 胴域有出现 o1 6 s l o t s b 6 n b _ s l o t 标志 11 s l o t o 含义由命令描述定义。如果没有被命令定 b 7 选择权标志义，它应设置为0 。 1 含义由命令描述定义。 b 8 r f u0 保留 5 命令编码( 上半部分) ： 表2 5 命令编码 命令编码类型功能 ”0 1 ” 强制的 目录( i n v e n t o r y ) ”0 2 ” 强制的 保持静默 ”0 3 t l o t ! i f ” 强制的 r f u ”2 0 ” 可选的读单个块 ”2 1 ” 可选的写单个块 ”2 2 ” 可选的锁定块 ”2 3 ” 可选的读多个块 ”2 4 ” 可选的 写多个块 ”2 5 ” 可选的选择 ”2 6 可选的复位准备 ”2 7 ” 可选的写a f i ”2 8 ” 可选的锁定a f l ”2 9 ” 可选的写d s f i d ”2 a ” 可选的锁定d s f i d 根据以上各表，假设发送数据为： l 兰旦!i坚三皇l竺兰竺!l坠竺i竺呈竺l呈旦!i 其中o x 0 1 代表目录( i n v e n t o r y ) 命令；0 x 2 6 代表无协议扩展情况下，v i c c 使用单个副载波频率，采用低数据传输速率，不需要a f i 域，并设置为一个s l o t 时隙；0 x 0 0 代表m a s k 长度为0 ，m a s k 域一项是不需要的，所以后面直接跟着 c r c 项。 参照目录( i n v e n t o r y ) 命令格式： 9 武汉理f t 大学硕士学位论文 表2 - 6i n v e n t o r y 命令 s o f 标志目录 可选择的a f im a s k 长度 m a s k 值c r c l 6e o f 8 b i t8 b i t8 b i t 8 b i t0 - 1 6 b i t s1 6 b i t s 其余如接收数据格式，错误代码信息等，不再详述，见参考文献 1 3 1 1 1 4 1 。 2 1 4 2i s 0 1 4 4 4 3t y p ea b i s 0 1 4 4 4 3 定义了t y p ea 、t y p eb 两种类型的协议。通信速率为1 0 6 k b i t s s ， 它们的不同主要在于载波的调制方式及位的编码方式【1 5 】【1 副。 t y p ea 采用改进的m i l l e r 编码方式，调制深度为1 0 0 的a s k 信号；采用 间断的调制方式，即当表示信息“1 ”时，有信号传到电子标签，当表示信息“0 ” 时没有信号传到电子标签。这种方式的优点是信息区别明显，受干扰的机会少， 不容易误操作。缺点是在需要持续不断的提供能量到电子标签时，能量有可能 会出现波动。 t y p eb 则采用n r z 编码方式，调制深度为1 0 的a s k 信号；电子标签与 读卡器通讯采用的是一种调幅的方式。即信息“1 ”和信息“0 ”的区别在于信息“1 ” 的信号幅度大，即信号强，信息“0 ”的信号幅度小，即信号弱。通过信号强弱的 变化来识别不同的信息。这种方式的优点是有持续不断的信号传递，不会出现 能量波动的情况；缺点是信息区别不明显，相对来说易受外界干扰，会有误信 号出现，它也可以采用冗余效验的方式来弥补。 i s 0 1 4 4 4 3 的命令和数据格式，参考文献1 1 5 1 1 1 6 ，不再详述。 2 2 微处理器及嵌入式操作系统 2 。2 1 微处理器 2 2 1 1a r m 微处理器 a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) 微处理器，由1 9 9 1 年成立于英国剑桥的 a r m 公司设计。然后由世界各大半导体生产商购买a r m 微处理器核，根据各 自不同的应用需求，加入适当的外围电路，从而形成自己的a r m 微处理器芯片。 a r m 处理器已经遍布工业控制，消费类电子产品、通信系统和网络系统等 各类产品市场，约占据了3 2 位r i s c 微处理器7 5 以上的市场份额，a r m 技术 1 0 武汉理工火学硕士学位论文 正在渗入生活的各个方面【1 7 1 。a r m 微处理器目前包括几个系列，除了具有a r m 体系结构的共同特点以外，每个系列的a r m 微处理器都有各自的特点和应用 领域。其中a r m 9 系列微处理器在高性能和低功耗特性方面提供最佳的性能。 具有以下特剧1 8 】【1 9 l ： 1 体积小、低功耗、低成本、高性能； 2 大量使用寄存器，指令执行速度更快； 3 数据操作多数在寄存器中完成，方式灵活简单，执行效率高； 4 指令长度固定； 5 5 级整数流水线，指令执行效率更高； 6 提供1 1m i p s m h z 的哈佛结构； 7 支持3 2 位a r m 指令集和1 6 位t h u m b 指令集； 8 支持3 2 位的高速a m b a 总线接口； 9 全性能的m m u ，支持w i n c e ，l i n u x ，p a l mo s 等多种嵌入式操作系统； 1 0 m p u 支持实时操作系统： 1 1 支持数据c a c h e 和指令c a c h e ，具有更高的指令和数据处理能力。 2 2 1 2 微处理器的选择 a r m 微处理器有十几种内核结构以及为数众多的内部功能配置组合，给选 型方案带来一定的复杂性。从应用的角度出发，本项目在选择a r m 微处理器时 除价格这一重要因素外，主要依据以下原则【2 0 】【2 1 1 ： 1 a r m 微处理器的内核选择 a r m 微处理器包含一系列的内核结构，以适应不同的应用领域，用户如果 希望使用w i n c e 或标准l i n u x 等操作系统以减少软件开发时间，就需要选择a r m 7 2 0 t 以上带有m m u ( m e m o r ym a n a g e m e n tu n i t ) 功能的a r m 芯片。本课 题中选择的一款a r m 9 2 0 t 内核的微处理器，带有m m u 功能，从而实现对w i n c e 操作系统的支持。 2 工作频率 系统的工作频率在很大程度上决定了a r m 微处理器的处理能力。常见的a r m 7 芯片系统主时钟为2 0 m h z 1 3 3 m h z ，常见的a r m 9 的系统主时钟频率为l 0 0 m h z 2 3 3 m h z ，a r m l 0 最高可以达到7 0 0 m h z 。另外，不同芯片对时钟的处 理不同，有的芯片只需要一个主时钟频率，有的芯片内部时钟控制器可以分别 武汉理_ t 大学硕士学位论文 为a r m 核和u s b 、u a r t 、d s p 、音频等功能部件提供不同频率的时钟。 3 片内外围电路的选择 除a r m 微处理器核以外，几乎所有的a r m 芯片都针对不同的应用领域， 扩展了相关功能模块，并集成在芯片之中，称之为片内外围电路，如u s b 接口、 i i c 接口、l c d 控制器、键盘接口、r t c 、a d c 和d a c 、d s p 协处理器等，设 计者应分析系统的需求，尽可能采用片内外围电路完成所需的功能，这样既可 简化系统的设计，又能够提高系统的可靠性。 另外芯片内存储器的容量、可加密性、芯片的g p i o 数量等也是要统筹考虑 的。 2 2 2 嵌入式操作系统 2 2 2 1 嵌入式操作系统简介 嵌入式操作系统是一种支持嵌入式系统应用的操作系统软件，它是嵌入式 系统极为重要的组成部分，通常包括与硬件相关的底层驱动软件、系统内核、 设备驱动接口、通信协议等。在嵌入式系统中采用嵌入式实时操作系统，主要 基于以下几方面考虑【2 1 】【冽： 1 嵌入式实时操作系统提高了系统的可靠性。在嵌入式系统中，传统的前 后台系统软件设计在遇到强干扰时，容易使得运行的程序产生异常，从而造成 系统的崩溃。而实时操作系统管理的系统，这种干扰可能只是引起若干进程中 的一个被破坏，可以通过系统运行的系统监控进程对其进行修复。通常情况下， 这个系统监视进程用来监视各进程的运行状况，遇到异常情况时采取一些利于 系统稳定可靠的措施，比如把有问题的任务清除掉等等。 2 嵌入式实时操作系统充分发挥了3 2 位微处理器的多任务潜力，使得3 2 位微处理器比8 位、1 6 位微处理器更快。 3 提高了开发效率，缩短了开发周期。嵌入式操作系统都具有一定的实时 性，易于裁剪和伸缩，易于在不同的a r m 核的嵌入式处理器上移植。另外，嵌入 式操作系统可以使用大量高效的a r m 开发工具，极大的方便了系统开发。 2 2 2 2 嵌入式操作系统的选择 嵌入式操作系统在目前的嵌入式系统中得到了越来越广泛的应用，尤其在 1 2 武汉理工入学硕士学位论文 功能复杂、系统庞大的系统中。当我们在设计嵌入式产品时，嵌入式操作系统 的选择至关重要。一般而言，在选择嵌入式操作系统时，可以遵循以下原则【2 3 】： 1 可移植性 嵌入式开发的专用型，对操作系统的可移植性提出了较高的要求。在进行 嵌入式系统开发时，可移植性是要重点考虑的问题。 2 实时性 不同的操作系统，实时性差别比较大。使用加入实时补丁等技术的嵌入式 l i n u x ，最坏的情况下，中断延时只有4 3 6 微秒，而9 9 9 的情况是1 9 5 微秒。考 虑到最新的l i n u x 在实时性方面的改进。它可以适合于9 0 - - 一9 5 的嵌入式系统应 用。如果希望更快的实时响应，如高速的a d 转换，要求几个微秒以内的中断延 时，采用t c o s 是合适的，另外v x w o r k s 这样传统的嵌入式操作系统也可以满足 这样的强实时性要求。 3 可利用资源 操作系统的可利用资源对于快速、低成本、高质量的推出适合用户需求的 产品是一个非常重要的方面。l i n u x 和w i n c e 都有大量的资源可以利用，这是 他们被看好的重要原因。 4 系统定制能力 信息产品不同于传统p c 的w i n t e l 结构的单纯性，用户的需求千差万别，硬 件平台也不一样，对系统的定制能力提出了较高的要求。 1 3 武汉理：c 大学硕士学位论文 第3 章基于$ 3 c 2 4 1 0 a 的r f i d 读卡器系统构建 3 1r f i d 读卡器系统的设计目标 本课题研究的r f i d 读卡器系统，要求通过触摸屏输入读卡、写卡等命令，能 够正确有效地识别i s 0 1 5 6 9 3 、i s 0 1 4 4 4 3t y p ea b 电子标签，并将命令执行结果 由串口输出到监视终端。 3 2r f i d 读卡器系统硬件选择 根据项目需求，配置硬件如下： 1 微处理器芯片采用s 3 c 2 4 1 0 a ：