（电子科学与技术专业论文）基于arm和linux的超高频读写器设计与实现.pdf

a b s t r a c t u h f ( u l t r ah i g hf r e q u e n c y ) r f i d ( r a d i 。f r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ) l so n e 0 1 ：鼍e m o s tr e c e n tw o r l df i r s t c l a s st e c h n o l o g yw h i c h b o o m su pi ns e v e r a ly e a r s i t1 sr a p l d l y s p r e a d i n gi ni n d u s t r y ，c 。m m e r c e ，a n d t r a f f i ct r a n s p 。r tm a n a g e m e n f l e l d se c h 。l ：e 二e r t 二ed 。m e s t i cr e s e a r c h i n gb a s e do nu h f r e a d e ri ss t i l li n 1 sp 1 m a r ys a g e ，a ? d 。h e d e s i g n 。ft r a d i t i o n a lu h f r e a d e ri sb a s e d 。ns i n g l e c h i p ，i ti s h a r df o rt h e s er e a d e r st 。 a c h 主v em u l t i t a s k i n g f u n c l i 。n s a l o n gw i t ha v e r y f a s td e v e l o p m e n n h - ? n o m 二 t h eu h fr e a d e rs y s t e mw h i c hc 。m b i n e dw i t h 。p e r a t i n gs y s e m a n d h a v e h e ? e w o f k c a p a b i l i t i e sa r ef a v 。r e db yp e 。p l ei n c r e a s i n g l y b a s e d 。n 2 h e s ep r 。b l e m s ，h l sp a ? e r d 二e l 。p e dau h f r e a d e r b a s e do na r m s 3 c 2 4 1 0m i c r 。p r o c e s s o ta n d l 协u x o p e r a t l n g s v s t e m t h em a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： 。 f 11t h ea r t i c l ea n a l y s e s t h ep r o c e s sa n dp r o s p e c t o ft h e r f l d ，u n d e r h 气 b a c k 赫n d 。ft h es t u d y 。n e m b e d d e d s y s t e m ，c o m b m i n g w n h e e 竺：l d e 三 t e c h 二l o g y ，t h i sp a p e r p r o p o s e s t h ed e s i g n i n gi d e ao fu h f r e a 北巾弱甜佣a r 们 i ，i n u x ，t h e np o i n t s0 u tt h eg o a la n ds i g n i f i c a n c eo f t h i sr e s e a r c h ( 2 、lt h ep f i n c i p l e a n da p p l i c a t i o n o fr f i di s s t u d i e d ， t h ec o m m u n l c a t l o n m e c 孟s m b e t w e e nr e a d e ra n dt a g i sa n a l y z ed a c c o r d 洫g t h e 伧c h n ? 羔：m c a t o r a n dt h ef u n c t i 。nr e q u i r e m e n t ，t h ea r t i c l eg i v e st h e 。v e r a l l s c h e m e s 。fu h f 。e a d e r b a s e do na r m s 3 c 2 4 1 0a n d “n u x a tt h es a m et i m e ，t h e a r t i c l ed e s c r i b e sh o wt o s e l e c tt h ec h i pa b o u tt h em a i nc i r c u i t sb a s e d o nt h ea r m i np r a c t l c e 。， ( 3 ) t h ed e s i g n i n go fo v e r a l lh a r d w a r ec i f c u i t 洲d e d b y m o d u l el s a c h l e v e d h a r d 0 r ec i f c u i tm a n i l yi n c l u d e t h em a i nc o n t r o l l e rm 。d u l e ，m e m o 1 z e fm o d u l 7 p o w e ： m o d u l e ，i n t e r n e tm o d u l e ，l c d m 。d u l ea n dr a d i oc i r c u i m o d u l e o fr e c e l v e a n ? t r a n s p o r te t c i t i sa l s o g i v e s t h ed e t a i l e da n a l y s i s 0 ft h e p r i n c i p l e m 吼h o d sa b o le a 三h o f t h 二m 。d u l er e s p e c t i v e l y ，t h e ns c h e m a t i “i a g r a ma n d t h ep c 鼬硼盯0 m p l e ? ，4 、t om e e tt h en e e d so fs y s t e m ，a s u i t a b l es o f t w a r ee 1 1 v i r o n m e n t l sf o r m e d 士o r t h e 三l i ：b e d d e ds y s t e m w o r k sw e l l i nm i c r o s y s t e m t h e f o r m a 。1 0 n 0 1 h ec r o 簧 c o m p i l i n ge n v i r o n m e n ta n dn f s e x p l o i ta n dd e b u g g i n ge n v l r o n m e n se l a b ? a e d ；1 a l s o t r a n s p l a n t st h ei n i t i a l i z i n gp r o g r a m b 。t 1 。a d e ra n dc o m p l e e s h ec o n f j g u r a 1 。n a n dt r a n s p l a n t 。fe m b e d d e dl i n u x k e r n e la n df i l es y s t e m ；f i n a l l y ，h e 。a n s p l a 1 n gw a 誓s o fs e v e r a ld r i v e rm o d u l e ( t o u c h s c r e e n ，l c da n d i n t e r n e tm o d u l e ) o nl i n u xs y s e m1 s g i v e ni nd e t a i l ( 5 ) c o m b i n i n g w i t ht h et e s te n v i r 。n m e n t ，t h e 。u t p u tp 。w e r ，r e a d e rc 。m m a n da n d t a gr e s p o n s ea r et e s t e da n da n a l y z e d ；t h ep e f f 。r m a n c e t e s t 。fu h fr e a d e ri s c a r r i e d m 基十a r m 和“n u x 的超商频读与器设计j 实现 、y h e nt h er e a d e ri sc o n n e c t e dw i t ht h ep c ， a n dt h er u nr e s u l to ft h es y s t e mi sg i v e n b y p h o t o ，f i n a l l y ，t h et e s tr e s u l ti sa n a l y z e d t h ep e r f o r m a n c et e s ti np r a c t i c es h o w st h a t ，t h eu h fr e a d e rc a nc o n n e c tw i t h i n t e r n e tw e l l ，t h et e c h n i c a li n d i c a t o r ss u c ha sr e a d w r i t es p e e d ，r e c o g n i t i o nr a t ea n d l o n gr e c o g n i t i o nd i s t a n c ea b o u tt h i su h f r e a d e rb a s e do na r m s 3 c 2 4 10a n dl i n u xa r e a t t a i n e d0 rb e t t e rt h a nt h ed e s i g ns t a n d a r d sr e q u i r e m e n t ，i tc a nd e a lw i t ht h ed a t ai n s t a t ec o n n e c t e dw i t ht h ep c ，a n dt h ep r o t o t y p ec a nw o r k s t a b l ya n da c h i e v et h e e x p e c t e dg o a l s k e yw o r d s ：r f i d ；u h fr e a d e r ；l i n u xo p e r a t i n gs y s t e m ；a r m 9 ；e m b e d d e ds y s t e m 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成 果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表 或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名啤圉仅 日期加岔年厂月z 旧 学位论文版权使用授权书 本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，允许论文被查阅和借阅。本人授权湖 南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。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：a 缉c 氮钆 导师签名苏哨 日期： 瑚p 年厂月叫日 日期： 纡年r 月办日 硕 - 学位论文 第1 章绪论 r f i d 是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 的缩写，即射频识别。它是一种非接触 式的自动识别技术，通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，可工作于 各种恶劣环境【l j 。与传统的识别方式相比，r f i d 技术无需直接接触、无需光学可 视、无需人工干预即可完成信息输入和处理，且操作方便快捷【2 1 。r f i d 技术能够 广泛应用于生产、物流、交通、运输、医疗、防伪、跟踪、设备和资产管理等需 要收集和处理数据的应用领域，并被认为是条形码标签的未来替代品。 1 1 课题的研究背景及意义 在我们的现实生活中，信息交换是人类活动的最为普遍的现象之一，通过信 息交换推动了社会的发展，特别是当今社会高度快速发展，信息化己经成了经济 发展的驱动力，因此对信息进行采集处理便成为了人们热衷的研究课题，射频识 别技术就是在这样的条件下发展起来的。该技术与当今数字化移动商务相适应， 可以实现自动识别和远程实施监控及管理，其通信距离范围可从几厘米到几十米 远，而且依据读写方式的不同，可以输入数千字节的数字信息，具有极高的保密 性。以美国、日本和欧洲为首的发达国家对r f i d 技术的应用研究已达到相当高的 水平，而我国在这一领域的研究则处于起步阶段，其中大部分的技术都是采用国 外的技术成果。所以研究该技术已成为当今我国社会发展的必需。另外，r f i d 技 术是一个崭新的技术应用领域，它不仅涵盖了微波技术与电磁学理论，而且还包 括通信原理及半导体集成电路技术，是一个多学科综合的新兴学科。 随着r f i d 技术日新月异的发展，各种复杂的应用环境及性能需求对读写器提 出了更加严格的要求，传统的读写器大部分都是用单片机来实现其功能的，随着 产品的进一步发展，将读写器装上自己的操作系统已是迫不可待的事情，而单片 机是很难胜任这一要求的。其次，随着计算机网络的不断发展，人们对读写器也 提出了联网的要求，通过将读写器接入网络，将会使得读写器的工作变得更加人 性化和智能化，同时还可以对读写器的资源进行共享。例如：r 本的高级物流系 统中，利用建立在运输沿线的r f i d 系统及计算机网络，构成了同时实现高速公路 不停车收费、运输车辆调配、物品流通及运输过程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。另外，当前国内关于r f i d 读写器的研究大部分都集中在 1 2 5 k h z 、1 3 4 k h z 的低频以及1 3 5 6 m h z 的高频，对于超高频段的读写器研究则非 螭十a r m 和l i n u x 的超高频读。弓器设计与实现 常少见【3 ，4j 。随着读写器在物流网技术中应用的不断发展，中低频段读写器的读写 距离越来越不能满足应用的要求，这类系统所存在的弊端日益突出，如读写标签 的距离近，典型识别距离为1 0 厘米，由于读标签方式的限制，这类读写器读标签 的最远距离也只能限制在1 5 米以内。同时，受中低频读写器的天线作用范围以及 通讯速率的限制，中低频段的读写器不能对快速移动的标签作出识别，所以也就 很难将其应用于高速公路不停车收费、物流管理等场所。因此，为了拓宽标签的 应用范围，基于超高频段的读写器得到了越来越广泛的应用与需求。 在物联网管理等应用中，考虑到无源等优点，人们越来越多地选用u h f 频段 ( 中心频率范围为9 0 2m h z 9 2 8 m h z ) 的远距离非接触标签产品。u h f 频段的读写 器是当前供应链管理和物流管理极力推举的自动识别产品，由于它在识别速度和 阅读距离上大大超过了其它频段的读写器，人们对该频段读写器的开发抱有非常 大的信心。比如，国际零售巨头沃尔玛和美国国防部已经开始尝试应用这个频段 的产品。牵动十几亿华人的2 0 0 8 年第2 9 届夏季奥运会将为成为推动这一产品应 用的一股强劲推力。2 0 1 0 年的世博会等大型活动对r f i d 技术的需求也将体现在 电子门票、食品安全追溯管理、安全防伪等应用中，充分体现科技的价值和影响 力。据有关报道，中国政府已经决定启用奥运食品安全系统，被确定的奥运食品 将一律加贴r f i d 电子标签，确保从农田到餐桌全程跟踪食品的安全。 可以预计，射频识别( 尤其是处于超高频段的技术) 在全球范围内都将得到 很快的普及和应用，它将更快的促进经济的快速发展。因此，对超高频读写器的 开发不仅有着重大的商用价值意义，也是一件克不容缓的事情。 1 2r f i d 技术的发展现状及趋势 1 2 1r f i d 国外发展现状 r f i d 技术的发展最早可以追溯至第二次世界大战时期，那时它被用于在空中 作战行动中进行敌我识别。进入民用后，r f i d 技术更是表现出了无限广阔的应用 空间。从全球r f i d 技术发展趋势来看，各国及相关国际组织都在积极推进r f i d 技术标准的制定。但目前还未形成完善的关于r f i d 的国际标准。当前主要的r f i d 相关规范有欧美的e p c 规范，日本的u i d ( u b i q u i t o u si d ) 规范和i s 0 1 8 0 0 0 系列标 准。e p c 规范由a u t o i d 中心及后来成立的e p cg l o b a l 负责制定。a u t o i d 中心于 1 9 9 9 年由美国麻省理工大学f m i t ) 发起成立，其目标是创建全球“实物互联”网 f i n t e r n e to ft h i n g s ) ，该中心得到了美国政府和企业界的广泛支持，2 0 0 3 年1 0 月2 6 日，成立了新的e p cg l o b a l 组织接替以前a u t o i d 中心的工作，整理和发展了e p c 规范。u i d ( u b i q u i t o u si d ) 规范由日本泛在i d 中心负责制定。日本泛在i d 中心由 t - e n g i n e 论坛发起成立，其目标是建立和推广物品自动识别技术并最终构建一个 无处不在的计算环境。该规范对频率频段没有强制要求，标签和读写器都是多频 2 硕一l ：学位论文 段设备，能同时支持1 3 5 6 m h z 或2 4 5 g h z 频段。i s 0 标准主要定义标签和读写 器之问互相操作的空中接口，其中i s o i e c l 8 0 0 0 6 定义了8 6 0 m h z 9 3 0 m h z 超高 频频段的空中接口。 r f i d 产品种类也很多，像德州仪器、m o t o r o l a 、p h i l i p s 等世界著名厂家都生 产r f i d 产品，并且它们的产品各有特点，自成系列。射频识别技术被广泛应用于 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；停车场管理系统；物品管理；流水线生产自动化， 安全出入检查；仓储管理，动物管理，车辆防盗等等。如澳大利亚将它的r f i d 产品用于澳机场旅客行李管理；欧共体宣布1 9 9 7 年开始生产的新车型必须具有基 于r f i d 技术的防盗系统；瑞士国家铁路局在瑞士的全部旅客列车上安装了r f i d 自动识别系统，调度员可以实时地掌握火车运行情况；比利时在2 0 0 7 年底发行了 2 0 万张基于生物识别的护照，这些护照包含一个射频天线和一个6 4 k 的非接触芯 片；2 0 0 5 年沃尔玛的经销产品使用了r f i d 识别技术；韩国在汉城的公共汽车上 安装了r f i d 系统用于电子月票，还计划将这套系统推广到铁路和其它城市；德国 汉莎航空公司试用非接触的标签作为飞机票，改变了传统的机票购销方式，简化 了机场入关的手续；德国b m w 公司将射频识别系统应用在汽车生产流水线的生 产过程控制中；m o t o r o l a 公司在超净车间里利用r f l d 系统来控制流水线的零件流 向；美国在“伊拉克战争”中利用r f i d 技术对武器和物质进行了非常准确的调配， 保证了前线弹药和物质的准确供应等等【5 】。 1 2 2r f i d 国内发展现状 目前中国的r f i d 应用，以低频和高频段标签产品为主，超高频段产品还未开 始大规模生产。虽然掌握了一定的r f i d 技术，产业链也比较完整，但是与国外同 类的产品相比，国内的产品几乎没有什么特别的竞争优势。人们在使用r f i d 技术 时还处在一种观望的状态，9 4 的企业曾指出他们没有兴趣采用r f i d 技术来跟踪 他们的产品。由于标准和成本的问题，中国的r f i d 应用前景还不是很明晰。另外， 我国的r f i d 应用基础比较薄弱，缺乏核心竞争力，r f i d 产品的研发缺乏高水平 的设计人才，包括芯片、天线的设计人才以及标签的集成创新人才等。 中国的信息化基础比较薄弱，能真正发挥r f i d 优势的应用还比较少。软件在 简单的r f i d 应用中，基本是提供给用户的附赠品，集成费用也比较低，平均费用 不超过整体r f i d 项目的1 5 。随着大规模物流应用及开环方式应用的发展，软 件将是r f i d 项目支出中相当重要的部分，在某些应用中，甚至会超过硬件的费用。 在芯片制造方面，现阶段我国企业对r f i d 技术的掌握能力很弱，尤其是在标 签芯片环节上，基本是对国外产品的封装加工，国内的芯片只有高频和很少量的 超高频产品，而且还不能进行商业化推广。未来中国政府及企业，为保证利益， 一定会加大研发方面的力度，芯片制造能力是其中非常重要的一个方向。 3 堆十a r m 和l i n u x 的超商频渎与器设汁j 实现 不过，任何一个新事物的发展都有一个循序渐进的过程，对r f i d 在中国的发 展也是如此。中国的经济规模在不断扩大，正成为全球制造业的中心，相关的政 府部门也充分认识到了r f i d 产业的重要性，2 0 0 4 年初，我国正式成立了电子标 签国家标准工作组，其目的就是制定中国自己的r f i d 标准，推动中国自己的r f i d 产业；2 0 0 4 年1 0 月1 1 同至1 2 日，举世瞩目的“首届全球r f i d 中国峰会”在北京 的中国大饭店举行；2 0 0 6 年6 月9 号，科技部等十五部委编制的中国射频识别 ( r f i d ) 技术政策白皮书正式发布，这标志着中国的r f i d 产业进入了加速发 展轨道。r f i d 有着广阔的市场前景，如果抓住这一时机将产学研相结合，集中开 展r f i d 核心技术的研究开发，制定符合我国国情的技术标准，推动自主公共服务 体系的建设，促进具有竞争力的产业链的形成，那么使中国在r f i d 领域中占有一 席之地也是指曰可待的事情。 总体而言，我国射频识别技术应用状况还处于初级阶段，但市场前景非常广 阔。不久的将来，我国射频识别技术的应用将在生产线自动化、仓储管理、电子 物品监视系统、货运集装箱的识别以及畜牧管理等方面有所突破，r f i d 技术将同 其它技术一样深入我们的生活，改善我们的生活。 1 2 3r f i d 的发展趋势 尽管r f i d 技术已趋于成熟，但由于技术上依然存在的一些问题，使其大规模 应用受到限制。首先，由于芯片、封装等技术上的问题，使得r f i d 标签成本较高； 其次，由于金属和液体等对电磁波的影响，使得r f i d 标签的识别率无法达到1 0 0 的效果；另外，由于成本的关系，标签芯片内部无法进行复杂的加密算法，使 得r f i d 标签的数据存在安全性的隐患。正是因为受这几个因素的影响，当今r f i d 技术出现了以下几点发展趋势： ( 1 ) 尽可能降低r f i d 系统成本 r f i d 系统主要包括标签( t a g ) 、射频天线( r f a n t e n n a ) 、读写器( r e a d e r ) 、网络 与工作站等。其中成本中占最主要因素的是大量使用的标签，目前无源器件成本 比较低廉，已降到5 美分以下，但在低价值商品的使用上仍然遇到了阻力。价格 在5 美元以上的，主要为应用于军事、生物科技和医疗方面的有源器件【6 】：1 0 美 分1 美元左右的芯片为用于运输、仓储、包装、文件等的无源器件；消费应用如 零售的标签在5 1 0 美分：医药、各种票证( 车票、入场券等) 、货币等应用的标签 则在5 美分以下。一般而言，1 美元的标签市场规模在几百万个左右，0 1 美元的 标签市场可有1 0 亿个，o 0 1 美元的则可达几百亿个。目前市场尚处于起步阶段， 大幅成长需到2 0 0 9 2 0 1 0 年间才有可能。 f 2 ) 提高r f i d 标签的识别率 由于金属和液体对空间电磁波的吸收，使得r f i d 产品在这类商品的识别上遇 到了困难。哪怕是9 9 9 9 的识别率，都不会有任何一家商场或超市贸然引入r f i d 4 顾。i ：学位论义 系统。提高r f i d 标签的识别率，成为技术上需要解决的紧迫问题。目前国外在提 高识别率方面做了许多努力，提出了无芯片标签技术，声表面波( s a w ) 技术， 纳米技术，基因技术和导电墨水技术。某些技术已经从实验上证实可以在特定应 用领域提高识别率，但仍未达到1 0 0 的识别率。也有其它厂商提出从工程上来提 高r f i d 系统的识别率，比如不同的应用采用不同频段的标签，比如多次读取r f i d 标签等。在技术上存在缺陷时，工程上的解决方案可以很大程度上提高系统识别 率。 ( 3 ) 增强数据安全性 r f i d 产业化受阻的另一个因素是欧美国家的人们对安全性及个人隐私的考 虑。目前的r f i d 技术要想在对信息有保密要求的领域展开应用还存在一定障碍， 因为当前广泛使用的无源r f i d 系统并没有可靠安全机制，无法对数据进行很好的 保密。如果电子标签中的信息被窃取、复制并被非法使用的话，将会带来无法估 量的损失。解决安全性的途径是设计更复杂的微处理器以及容量更大的内存，这 样就可以进行更复杂的加密算法以防止数据的非法窃取。如何在不增加太多成本 的同时提高电子标签的安全性是一个有待进一步研究的问题。同时，r f i d 技术的 使用受到了许多人权组织和个人的反对，他们示威甚至试图通过制定法律来阻止 r f i d 产品的使用。目前各大r f i d 厂商正努力寻找解决之道，他们希望通过使电 子标签在商品销售到消费者手中后自动失效或者通过增加加密手段来保护个人隐 私。 1 3 项目的来源及作者的主要工作 1 3 1 项目的来源 本项目来源于湖南大学与深圳先施科技有限公司的校企合作项目“超高频读 写器的开发和设计”。公司所研发的读写器工作频率在8 6 0 m h z 9 6 0 m h z 之间， 国内对这一类读写器的开发和应用仍处于探索阶段，相对来说，这类读写器技术 开发比较复杂，产品也易受到外界的干扰。基于这一情况，本项目以 i s o i e c l 8 0 0 0 6 b 类型的标签读写为具体应用背景，设计与实现了基于a r m 和 l i n u x 的超高频读写器。希望将目前嵌入式技术的发展成果应用于超高频读写器应 用系统中，在获得商用价值的基础上，提升应用开发的技术水平，为今后同类超 高频读写器的应用设计打下基础。 1 3 2 作者的主要研究工作 该项目是作者在深圳先施科技有限公司实习期间，在导师以及一些专家的指 导下，同公司的研发人员一起完成的。作者承担的研究工作主要有： ( 1 ) 阐述了项目实施的可行性，对硬件电路的主要部分进行了芯片选型，对样 5 綦于a r m 和l i n u x 的超高频渎弓器没汁j 实现 品芯片进行了测试与试验。确定了超高频读写器系统的总体设计方案。分析了 1 8 0 0 0 6 b 标签协议标准以及f c c 和欧洲电磁兼容标准。 ( 2 1 开发了超高频读写器微控制电路单元、以太网控制模块单元、射频收发模 块电路、触摸屏及液晶显示模块单元；给出了硬件电路的原理图，在此基础上进 行了p c b 设计，对成品的电路板进行了测试与分析。 f 3 ) 研究了超高频读写器的嵌入式控制技术、在l i n u x 操作系统下对主要设备 模块的驱动程序进行了移植。 ( 4 ) 对读写器整机进行了测试，对读写器的读写标签效果进行了系统的分析。 1 4 本文的结构和主要内容 本文针对超高频射频识别技术的国内外发展现状及发展趋势，在阅读了大量 文献资料的基础上，选择a r m 9 微处理器s 3 c 2 4 1 0 和嵌入式操作系统l i n u x ，设 计了一款超高频读写器。主要开展的工作如下： 第1 章为绪论，阐述了进行超高频射频识别研究的背景和意义，介绍了本项 目的来源，同时论述了国内外超高频射频识别技术的应用发展现状和研究方法。 第2 章为超高频读写器系统总体设计。阐述了超高频读写器中所用到的相关 技术，对超高频读写器系统的整体结构进行了简单介绍，分析了文中方案的可行 性及其优势，对硬件电路的主要电路部分进行了选型。 第3 章为超高频读写器系统的硬件设计。设计了以a r m s 3 c 2 4 1 0 为核心的超 高频读写器硬件电路，包括射频收发电路，n a n d f l a s h ，s d r a m ，j t a g 电路、 网络接口电路、人机界面接口，同时分模块讲解了各硬件的实现及其原理。 第4 章为嵌入式软件平台的构建。详细介绍了以“智能”为核心目标，包括操 作系统、嵌入式q t 以及r f i d 应用相关的嵌入式软件平台的建立过程，阐述了系 统相关设备驱动的移植，文件系统的使用，充分体现了本系统的互联性以及良好 的人机界面优势。 第5 章为超高频读写器系统功能测试。测试了读写器与p c 机互联情况下读写 器的信号输出及其读写标签的情况，并对测试结果进行了总结。最后是作者对整 个项目的研制体会。 6 硕1 ：学位论文 第2 章超高频读写器相关技术及总体设计 2 1 超高频读写器工作原理 超高频读写器工作的基本原理与一般的射频识别系统相同，同时具有其特有 的特点。超高频读写器系统的组成框图如图2 1 所示，该系统主要由读写器( 主要 包括微控制单元电路、射频收发单元电路以及附加的串行通信电路) 、天线以及标 签组成。 1 读写器( r e a d e r ) 图2 1 超高频读写器工作原理图 一台典型的读写器主要包含图2 1 中的射频收发单元电路以及微控制单元电 路。此外，许多读写器一般有一些附加的接口( r s 2 3 2 、r s 4 8 5 、u s b 等) ，以便 将所获得的数据传输给另外的系统作进一步的处理或存储。 射频单元的发送部分和接收部分合起来称为读写器的超高频接口。它负担以 下任务：产生超高频的发射功率，以启动标签并为它提供能量；对发射信号进行 调制，用于将数据传送给标签；接收并解调来自标签的信号【。7 1 。在超高频接口中 有两个分隔开的信号通道，分别用于传输往来于标签两个方向的数据流。传送到 标签中去的数据通过发送器分支发出，而来自于标签的数据通过接收器分支来接 收。 读写器的控制单元则担负着以下任务：与应用系统软件进行通信，并执行应 用系统软件发来的命令：控制读写器与标签的通信过程( 主一从原则) ；负责信号的 编码与解码【引。 2 标签( t a g ) 射频识别标签是一种以无线方式传送数据的信息载体，它具有数据处理及安全 认证等特有的优点。射频识别标签是射频识别系统真正的数据载体。主要由天线、 谐振电容以及i c 芯片组成，其种类可以分为无源标签和有源标签两种。射频标签 7 皋十a r m 和“n u x 的超l 向频读。与器设计+ j 实现 与读写器之间可以采用双向验证机制， 频标签也验证读写器的合法性。此外， 问条件。 即读写器验证射频标签的合法性，同时射 标签中各个扇区都有自己的操作密码和访 3 天线( a n t e n n a ) 射频识别系统中的天线用于产生磁通量，而磁通量用于向无源标签提供能量， 并在读写器和标签之间传送信息【9 1 。 超高频读写器系统的基本工作流程是：串行通讯接口获得从服务器( 或者p c 机1 发送来的数字信号指令并把它在微控制单元中进行存储，而后再转发给射频读 写模块，然后通过发射天线发送超高频射频信号( 9 0 2 m h z 9 2 8 m h z ) 。当标签进 入发射天线工作区域时产生感应电流，标签获得能量被激活；标签将自身的编码 等信息通过标签内置天线发送出去；系统接收天线接收从标签发送来的载波信号， 经天线调节器传送到读写系统，读写系统对接收的信号进行解调和解码然后送到 后台主控制器进行相关处理【1 0 】。 2 2 超高频读写器相关技术分析 读写器和标签之间进行数据通信时，它们之间必须遵循相应的空中接口协议。 该空中接口协议定义了读写器与标签之间进行命令和数据双向交换的机制，即读 写器发给标签的命令和标签发给读写器的应答。本文讨论的读写器主要是基于 i s o i e c l 8 0 0 0 6 b 协议下的，基于该协议的通讯遵循一种“读写器先发言”的机制， 即读写器的命令与标签的应答是交替发送的。以下是该协议的主要内容。 1 读写器与标签的命令格式 i s o i e c l 8 0 0 0 一6 b 标准规定系统的命令和响应都采用帧格式。由于采用读写器 先发言模式，当标签进入读写器的工作范围内的时候，首先由读写器向标签发送 帧头探测段帧头分割符命令参数数据 c r c 1 6 帧头探测段是一个至少持续4 0 0 u s 的稳定无调制载波( 相当于1 6 位数据的传 输、 ，用来给标签充电； 帧头是9 位的曼彻斯特“0 ”，标志着通信的起始，n r z 格式就是 0 1 0 1 0 1 0 l o l 0 1 0 1 0 1 0 1 ： 分割符是用来区分帧头和有效数据的，共定义了五种，经常采用一种5 位的 分割符( 1 10 01 11 01 0 ) ； 命令和参数段未作明确定义： c r c 采用1 6 位的c r c 编码。 标签接收到读写器的命令帧后，使用一种反向散射( b a c k s c a t t e r ) 的技术应答读 8 硕十j 学位论文 写器的命令。读写器在接收标签数据的同时，仍需要持续地向标签发送稳定载波。 应答帧的格式如下所示： 静默( q u i e t )i 返回帧头 i 数据 c r c 1 6 静默( q u i e t ) 是标签持续2 字节的无反向散射( 4 0 k b p s 的速率下相当于4 0 0 微秒 的持续时间) ；标签在没有接收到命令之前或者接收到错误的命令之后，始终保持 一种静止状态。只有接收到有效的读写器命令，才返回起始标志和数据； 返回帧头是一个1 6 位数据“0 00 00 10 10 10 l0 10 10 10 10 00 11 01 1o o0 1 ”； c r c 采用1 6 位的数据编码。 2 通讯中的一些时序规定 在标签向存储器写操作的等待阶段，读写器需要向标签提供至少1 5 m s 的稳定 无调制载波，让标签完成写操作。在标签的写操作结束后，读写器需要发送1 0 个 “0 1 ”信号，使得读写器和标签的通信同步。如果在读写器的命令之间发生了频率 跳变，则在跳变结束后也需要读写器发送1 0 个“0 1 ”信号，以使工作能正常进行。 标签将使用反向散射技术回发数据给读写器，这就需要在整个回发过程中读写器 必须向标签提供稳定的能量，同时检测标签的应答。在标签发送完应答后，至少 需要等待4 0 0 u s 才能再次接收读写器的命令。 3 差错控制编码 由于数字信号在传输过程中会受到干扰，使信号的波形变坏，故信号传输到 接收端后可能发生错误。对射频识别系统而言，使用非接触技术传输数据，很容 易遇上干扰，使传输数据发生不受欢迎的改变而产生传输错误。对于这种情况， 可以使用校验和法来识别传输错误，或者启动校正操作，如重新传输发生错误的 数据块。本系统中采用了i s o i e c l 8 0 0 0 6 b 标准中的循环冗余检验码c r c 1 6 ，其 生成多项式为：x 1 6 + x 1 5 + x 2 + 1 。 1 6 位的c r c 码产生的规则是先将要发送的二进制序列数左移1 6 位( 即乘以 2 1 6 ) 后，再除以一个多项式( 多项式为1 6 位) ，最后所得到的余数即是c r c 码，如 式( 2 1 ) 所示，其中b ( x ) 表示n 位的二进制序列数，g ( x ) 为多项式，q ( x ) 为整数， r ( x ) 是余数( 既c r c 码) 【1 。 = + 怒 ( 2 1 ) 求c r c 码采用模2 加减运算法则，即不带进位和借位的按位加减，这种加减 运算实际就是逻辑上的异或运算，加法和减等价，乘法和除法运算与普通代数式 的乘除法运算一样，符合同样的规律。生成1 6 位c r c 码的多项式主要有c r c 1 6 和c r c c c i t t 。其多项式表达如下： c r c 一1 6 ：g ( x ) = x 1 6 + x 1 5 + x 2 + 1r 2 2 、) 9 基fa r m 和l i n u x 的超商频读写器设计j 实现 c r c - c c i t t ：g ( x ) = x 1 6 + x 1 2 + x 5 + 1( 2 3 ) 接收方将接收到的二进制序列数( 包括信息码和c r c 码) 除以多项式，如果余 数为0 ，则说明传输中无错误发生，否则说明传输有误。接收方也可以在接收完信 息码后求c r c 码，比较结果和接收到的c r c 码是否相同，若相同则无误，反之 则有误【1 2 14 1 。c r c 的优点是识别错误的可靠性较好，即使在很多错误时，也只需 要少量的操作就可以识别。1 6 位的c r c 就适用于校验4 千字节长的数据帧的数据 完整性【1 5 】。 4 射频识别防冲突算法 在射频识别系统工作时，可能会有一个以上的标签同时处于读写器的射频范 围之内，这样如果有两个或两个以上的标签同时向读写器发送数据时就会出现标 签之间相互干扰( 碰撞) 的现象。为了防止这种现象的产生，射频识别系统中需要设 置一些相关的命令来解决这种数据干扰，这些命令被称为防冲突命令或算法 ( a n t i c o l l i s i o n a lg o r i t h m s ) 【1 6 1 。本系统中所采用的i s 0 i e c l 8 0 0 0 6 b 协议下的防冲 突机制是基于二进制树形搜索的算法，该协议下标签的状态转换原理如图2 2 所 示。标签的状态可分为关闭、就绪、标识、数据交换四种状态。 图2 2i s o 1 8 0 0 0 一6 b 标签状态转换原理 当标签进入读写器的工作范围后，标签从关闭状态进入就绪状态。读写器可 以通过g r o u p s e l e c t 和g r o u p u n s e l e c t 命令让读写器工作范围内处于就 绪状态的所有或部分标签参与冲突判决过程。针对冲突判决算法，标签自身应具 有两种硬件电路：一个8 位的计数器；一一个0 或l 的随机数发生器。 标签在进入识别状态的同时把它们内部的计数器清“0 ”。它们中的一部分可以 通过接收g r o u p u n s e l e c t 命令重新回到准备状态，其他处在识别状态的标签 就进入了冲突判断流程中。被选中的标签开始进行下面的循环【17 】( 见图2 3 ) ： ( 1 ) 所有处于识别状态并且内部计数器为0 的标签发送它们自身的识别码。 ( 2 ) 如果有一个以上的标签发送时，读写器将接收到错误的应答而发送f a i l 命 令。 1 0 硕i ：学位论文 ( 3 ) 所有接收到f a 订命令并且自身内部计数器不等于0 的标签将把自己的计数 图2 3 防冲突算法程序流程图 器加l ，也就是说，它们会更没有机会发送自身的识别码。所有接收到失败命令并 且内部计数器等于0 的标签( 那些刚刚发送过应答的标签) 将产生一个“1 ”或“0 ”的随 机数，如果是“1 ”，它将把自己的计数器加1 ，它们不会发送自身的识别码；如果 是“0 ”，则保持计数器为0 并且再次发送它们的识别码。下面将出现以下四种可能： ( 4 ) 如果有一个以上的标签发送应答，将重复第2 步操作( 可能性1 ) ； ( 5 ) 如果所有标签都随机选择了“1 ”，读写器就接收不到任何应答，它将发送成 功命令，所有标签的计数器减1 ，然后计数器等于o 的标签开始发送，接着重复第 2 步操作( 可能性2 ) ； ( 6 ) 如果只有一个标签发送并且它的识别码被正确接收，读写器将发送包含识 别码的数据读命令，标签正确接收该条命令后将进入数据交换状态，接着将发送 它的数据。读写器将发送成功命令，使处于识别状态的标签的计数器减1 ； ( 7 ) 如果只有一个标签的计数器等于1 并且返回应答，重复第5 或者第6 步操 作；如果有一个以上的标签返回应答，重复第2 步操作( 可能性3 ) ； ( 8 ) 如果只有一个标签返回应答，并且它的识别码没有被正确接收，读写器将 发送一个重发命令。如果识别码被正确接收，重复第5 步操作。如果识别码被重 复几次的接收( 这个次数可以基于系统所希望的错误处理标准来设定) ，就假定有一 个以上的标签在应答，重复第2 步操作( 可能性4 ) 。 皋于a r m 和l i n u x 的超扁频读。与器设计j 实现 二进制树形搜索算法的防冲突机制是基于概率的，每次识别一定数量的标签 的时间是不能保证一致的，防冲突的效率会随标签的数量增多而下降。本系统中 的读写器采用该防冲突