（计算机应用技术专业论文）基于嵌入式linux的uhf智能rfid读写器的研究与实现.pdf

摘要 摘要 u i - i f ( 超高频) r f i d ( 射频身份识别) 技术是国际上最先进的第四代自动识 别技术，是近几年刚刚开始兴起并得到迅速推广应用的一门新技术，它有识别距 离远、识别准确率高、识别速度快、抗干扰能力强、使用寿命长、可穿透非金属 材料等特点。可以预计，在未来的几年中，射频识别技术将持续保持高速发展的 势头。而做为射频识别技术的公共性基础技术u h f 频段的r f i d 读写器研制 则在整个超高频段的r f i d 技术中起着中坚力量。而由于我国在u h f 射频识别技 术上尚处于起步阶段，特别是在u h f 频段的读写器技术上还没有形成真正有竞争 力的自主产权的核心技术， 本文正是针对上述问题，通过对所选课题的深入研究及工程实现，以期能为 有效填补国内在超高频( u h f ) r f i d 读写器产品的技术空白，同时也为我国形成 自主的电子标签和读写器相关国家标准提供浅薄的基础理论探索。本课题主要研 究内容为： 1 、详细研究并实现了小型化、多接口、低功耗的u h f 频段的读写器核心模块； 2 、研究并实现了以高性能a r m 处理器为核心的智能读卡器； 3 、详细研究了具有自主知识产权的u h f 多标签访问防冲突技术算法； 4 、研究u h f 多协议兼容技术，可以很好的支持目前国际上主要的标准及协议， 并可升级支持自主知识产权的u h fr f i d 通信协议 关键词：u h f - r f i d ，嵌入式，防冲突技术算法，射频参数调整，u h f 多协议兼容 a b s t r a c t u h fr 肿i so n eo ft h em o s tr e c e n tw o d df i r s t - c l a s st e c h n o l o g y i tb o o m su pi n r e c e n ts e v e r a ly e a r sa n di t s a p p l i c a t i o ni ss p r e a d i n go u tq u i c k l y u h fr f i dh a s a d v a n t a g e so fl o n gi d e n t i f i c a t i o nd i s t a n c e , p r e c i s i o nr e c o g n i t i o n , s p e e d yi d e n t i f i c a t i o n , h i g ha n t i - j a ma b i f i t y r e l a t i v e l yl o n gl i f ea n dt h ea b i l i t yt op e n e t r a t en o n m e t a l s t h o s e f e a m m sh a v em a d eu h fr f i dp r o m i s i n ga n dd e v e l o p i n gf a s ti nt h er e c e n tf u t u r e a s t h ef u n d a m e n t a lt e c h n i q u ef o ru h f r f i d ，t h ed e v e l o p m e n to fr e a d e rh a sb e e nt h ek e y o f t h ep e r f o r m a n c eo f w h o l e s y s t e m h o w e v e r , t h ed o m e s t i cr e s e a r c ho n u h fr f i dh a s j u s ts t a r t e d ，a n de s p e c i a l l y ，c o m p e t i t i v es e l f - o w n e dk e yt e c h n i q u eo nr e a d e rh a s n tb e e n s e t u p b a s e do nt h o s ep r o b l e m sm e n t i o n e da b o v e , w eh a v e d o n et h er e s e a r c ht h e o r e t i c a l l y a n de x p e r i m e n t a l l yi ne x p e c t a t i o no ft h es u p p l e m e n t a t i o no fd o m e s t i ct e c h n i q u eo n u h fr f i dr e a d e ra n dp r o v i d i n gs o m eb a s i ct h e o r e t i c a le x p l o r a t i o no nt h en a t i o n a l s t a n d a r do fs e l f - o w n e de l e c t r o n i ct a ga n dr e a d e r t h i sp a p e rc o n c e n t r a t eo nt h e f o l l o w i n gt o p i c s ： 1 、s p e c i f i cr e s e a r c ha n de x p e r i m e n t a l l yi m p l e m e n t a t i o no nt h er e a d e ro fu t t fr f i d ； 2 、r e s e a r c ha n di m p l e m e n t a t i o no nt h es m a r tr e a d e rb a s e do nh i g h - p e r f o r m a n c ea r m ； 3 、s p e c i f i cr e s e a r c ho i lt h es d f - o w n e du h fa n t i - c o l l i s i o na r i t h m e t i cs e v e r a lo re v e n m o r et a g sa c e st h er e a d e ra tt h eg a l l i ct i m e ； 4 、r e s e a r c ho nt h eu h fc o m p a t i b l ep r o t o c o l si no r d e rt os u p p o r tw e l lt h em a i n i n t e r n a t i o n a ls t a n d a r d sa n dp r o t o c o l s ，a n dt os u p p o r tt h es e l f - o w n e du h fr f i d c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l sa f t e r5 0 m eu p g r a d e s k e yw o r d s ：u i - i fr f i d ，e m b e d d e d , a n t i - c o l l i s i o na r i t h m e t i c , m o d i f i c a t i o no fr f p a r a m e t e r s ，u h fm u l t i p r o t o c o l sc o m p a u b i l i t y 独创性声明 本人声明所呈交的学位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。据我所知，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 为获得电子科技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 确的说明并表示谢意。 签名：亘牝日期加。7 年，月r f 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 日期：沙7 年，月，7 日 i 第一章绪论 第一章绪论 超高频( u h f ) 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 ，无线射频识别) 技术 是国际上最先进的第四代自动识别技术，是近几年刚刚开始兴起并得到迅速推广 应用的一门新技术，它有识别距离远、识别准确率高、识别速度快、抗干扰能力 强、使用寿命长、可穿透非金属材料等特点，运用范围广等特点。可以预计，在未 来的几年中，射频识别技术将持续保持高速发展的势头。射频识别技术的发展将 会在电子标签( 射频标签) 、阅读器、应用系统种类等方面取得新进展。电子标签是 射频系统真正的数据载体，应用系统则是针对不同行业和领域的特定的需求实例， 而做为射频识别技术的公共性基础技术u h f 频段的r f i d 读写器研制则在整 个超高频段的r f l d 技术中起着中坚力量。而由于我国在u h f 射频识别技术上尚 处于起步阶段，特别是在u h f 频段的读写器技术上还没有形成真正有竞争力的自 主产权的核心技术，通过对本课题的深入研究，能有效填补国内在超高频( u h f ) r f i d 读写器产品的技术空白，同时也为我国形成自主的电子标签和读写器相关国 家标准提供基础理伦支持。本课题的实现意义也恰恰在此。 1 1 立项背景 超高频智能读卡器能实现远距离( 3 1 5 m ) 无源射频m 卡的高速读写，其产 品可广泛应用于大型物流、仓储管理、远距离身份识别、高速公路收费等众多应 用领域。以高性能嵌入式平台为支撑的智能读写器的开发旨在组建以工业级嵌入 式计算机为核心的低成本、高性能r f i d 集群网络的目的，从而可使r f i d 技术的 应用领域得以更广泛扩展。 本项目来源于某军用超高频r f i d 应用项目，为其定制开发超高频( u h f ) 智 能读卡器，现阶段已完成样机研制。 1 2 国内外技术现状与发展趋势 国外u h f 读写器技术发展与标准制定现状及趋势 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 的国际和国内标准。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 o 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 c g l o b a l 负责制定。a u t o - i d 中 电子科技大学硕士学位论文 心于1 9 9 9 年由美国麻省理工大学( m 1 1 r ) 发起成立，其目标是创建全球“实物互 联”网( i n t e m e to f t 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 c g l o b a l 组织接替以前a u t o i d 中心的工作，管理和 发展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m 中心负责制定。日本泛在m 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。该规范对频段没有强制要求，标签和读写器都是多频段 设备，能同时支持1 3 5 6 m h z 或2 4 5 g i - l z 频段 i s o 标准主要定义标签和阅读器之间互操作的空中接口，其中i s o1 8 0 0 0 - - 6 定义了8 6 0 m h z 9 3 0 m k u h f 频段的空中接口。 以下是r f i d 领域u h f 频段读卡器技术市场具有相当占有率的国外公司列表： ( 1 ) 、德州仪器( t i ) ( 2 ) 、e mm i c r o e l e e t r o n i e ( 3 ) 、a v e r yd e n n i s o n ( 4 ) 、德逻辑( p s i o nt e k l o g i x ) ( 5 ) 、美国双成技术公司 ( 6 ) 、科耐特斯 f 7 ) 、德国盖博瑞尔 课题主要研究技术国内外专利申请和授权情况 全球有关r f 的专利数目超过了3 0 0 0 种，但基本上是以欧美日等国家为 主。目前国外多家r f i d 厂商准备建立两个机构：r f i d 智慧产财权授权计划和r f i d 专利许可合伙机构，目的分别是明确厂商具有合法时候i n t e r m e c 公司1 4 5 项专 利r f i d 技术的权利和让厂商简化时候全部厂商的共3 0 0 0 多项专利。国内r f i d 的相关专利主要集中在标签的设计和制造封装方面，对读写器的设计和应用只是 一些应用r f 的闭环系统或一些简单应用，而对r f i d 应用链上的软件部分，例 如结合网络的信息处理，大规模的开环应用及防碰撞算法问题方面则鲜有专利。 i - i f ( r f i d ) 技术发展带来的挑战和机遇 r f i d 的产业链主要由芯片设计、标签封装、读写设备的设计和制造、系统集 成、中间件、应用软件等环节组成。目前我国还未形成成熟的超高频r f i d 产业链， 产品的核心技术基本还掌握在国外公司的手里，尤其是芯片、中间件等方面。当 前低、高频标签封装技术在国内已经基本成熟，但是超高频及微波标签的封装与 国外相比还存在差距，还无法实现规模生产，这部分产品主要依赖于进口。低频、 2 第一章绪论 高频读写器制造技术比较成熟，但是在超高频段的应用，阅读器主要依靠进口， 而且国内只有少数几家企业例如深圳先施、三宝集团、深圳远望谷等具备了超高 频读写器设计制造能力。此外，国内企业在超高频r f i d 天线的设计和研发能力还 非常欠缺，设计主要参考国外产品的形式。而在中间件领域主要采用国外厂商 b e a 、s a p 等的产品。在系统集成领域，r f i d 系统对于系统部署、阅读器读取效 率等要求较高，由于超高频领域的项目实施较少，相关厂商在该领域还需要不断 摸索，积累经验。整体而言国内超高频r f i d 产业各环节厂商开发经验不足。标准、 市场、产业等问题的解决，需要从政府到企业、从研发到应用等产业各环节的大 力推动和支持，只有产业和市场并举，中国才能引来r f i d 应用的春天。 国内外u h f ( r f i d ) 应用发展现状与趋势 射频识别技术在国外的应用发展很快，r f i d 的应用仍在层出不穷。r f i d 产 品种类很多，象德州仪表、m o t o r o l a 、p l f l l i p s 等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 r 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r f i d 自动识别系 统，调度员可以实时的掌握火车运行情况，；比利时到今年年底将发行2 0 万张基 于生物识别的护照，这些护照将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将使用r f i d 识别技术；韩国在汉城的6 0 0 辆公共汽车上安装 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射频卡作为飞机票，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 i d 系统来控制流水线的零件流向 等等。 据有关权威数据显示，射频识别产品在全世界的销量1 9 9 4 年为2 0 3 0 万套， 1 9 9 7 年有关产品的销量将增到为9 8 1 0 万套；2 0 0 3 年则为9 亿美元，其中在 2 0 0 3 2 0 1 0 年间射频识别产品在全世界销售额的年平均增长率将达2 5 5 。由此可 见，射频识别技术具有广阔的市场前景。u h f ( r f ) 技术在北美、欧洲、大洋洲、 3 电子科技大学硕士学位论文 亚太地区及非洲南部都得到了相当广泛的应用。典型的应用领域包括： ( 1 ) 供应链上的管理和应用 ( 2 ) 生产线自动化的管理和应用 ( 3 ) 航空包裹的管理和应用 ( 4 ) 集装箱的管理和应用 ( 5 ) 铁路包裹的管理和应用 ( 6 ) 后勤管理系统的应用 ( 7 ) 煤矿信息化和自动化管理 ( 8 ) 人员进出管理 ( 9 ) 车辆管理 综上可以看出，r f i d 读写器设计与制造的发展趋势是读写器将向多功能、多 接口、多制式，并向模块化、小型化、便携式、嵌入式方向发展。同时，多读写 器协调与组网技术将成为未来发展方向之一。 目前国内u h f ( r f i d ) 技术的发展，一方面受到应用需求的驱动，另一方面 u h f ( r f i d ) 的成功应用反过来又极大地促进了应用需求的扩展。从技术角度说， u h f ( r f i d ) 技术的发展体现在若干关键技术的突破。从应用角度来说，u h f ( r f i d ) 技术的发展目的在于不断满足日益增涨的应用需求。目前国内外在u h f ( r f i d ) 方 面的发展趋势如下： ( 1 ) 多功能( 与条码识读集成、无线数据传输、脱机工作等) 。 ( 2 ) 智能多天线端1 3 。 ( 3 ) 多种数据接d ( r s 2 3 2 ，r s 4 2 2 4 8 5 ，u s b ，红外，以太网1 3 ( 4 ) 多制式兼容( 兼容读写多种标签类型) 。 ( 5 ) 小型化、便携式、嵌入式、模块化。 ( 6 ) 成本更低。 ( 7 ) 标准化为更多企业所接受。 ( 8 ) 系统、模块可替换性更好、更为普及。 1 3 技术难点及主要研究内容 课题主要研究内容： 1 、研发小型化、低功耗、低成本读写器集成技术、具有自主知识产权的读写器核 4 第一章绪论 心模块； 2 、研究可适用于不同应用领域的，具有良好可裁剪性的嵌入式读写器显控平台； 3 、与项目组同事协作研究了具有u i - i f 多标签访问防冲突技术算法； 4 、研究u h f 多协议兼容技术，并可升级支持自主知识产权的u i - i fr f i d 通信协 议。 5 、研发多读写器防冲突技术、抗干扰技术。 1 4 技术路线及研究方法 本课题通过“课题分析一课题研究一课题分解一分模块研究一分模块试验一 集总研究一集总试验- - 4 批量试制一反馈一完善”的过程，使项目研究成果更具 实际效果。本项目将有效地集成各种技术，研究具有自主知识产权的u h f ( r 肿) 读写器及相关读写模块，并形成u h f ( r f t d ) 多标签防碰撞等关键专利技术， 并使其逐步商品化和产业化。 1 5 论文结构 本文第一章是绪论，介绍了立项背景，国内外技术及应用发展现状和研究方 法与内容；第二章对项目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；第三章基于a r m 7 t d m i 为核心r f i d 读写模块的硬件系统原理及设计， 并分部分讲解了关键技术的实现及机理，对r f i d 读写模块系统的防冲突读写控制 算法进行了介绍，并同国内外相关算法进行了比对，体现了该算法的优势，；第四 章则集中对承载本课题的嵌入式控制平台的硬件设计进行了详细的原理分析及设 计说明；第五章则详细介绍了以“智能”为核心目标的，包括操作系统、嵌入式 g u i 以及r f i d 应用相关的嵌入式计算机的软件平台的建立过程，充分体现了本系 统在独立组网及互联、良好的人机界面以及低廉的成本优势。第六章是课题的研 制总结，包括对研制过程中的技术创新点和研发过程中遇到的问题以及尚未解决 的问题。最后是对整个项目的研制体会。 5 电子科技大学硕士论文 第二章u h f 智能r f i d 读写器系统原理 2 1r f i d 技术简介 r f i d 射频识别技术是从2 0 世纪8 0 年代走向成熟的一项自动识别技术。射 频识别技术与i c 卡有着密切的关系。数据存储在电子数据载体依应答器) 之中。 然而，应答器的能量供应以及应答器与阅读器之间数据交换不是通过电流的触点 接通而是通过磁场或电磁场，这方面采用了无线电和雷达技术。射频识别是无线 电频率识别的简称，即通过无线电波进行识别。目前广泛应用的自动识别技术主 要是条码、i c 卡和射频卡技术。条码成本最低，适用于需求量大且数据不必更改 的场合( 如商品包装) ，但它较易磨损，数据不能更改，且数据存储量很小，采集速 度和有效率都很有限；i c 卡数据安全性好，数据存储量很大，但是由于它的触点 暴露在外面，触点对腐朽和污染缺乏抵抗能力，容易损坏；射频卡( r f i d 卡1 最大 的优点就在于非接触，抗干扰能力很强，不受环境影响，因此完成识别工作时无 须人工干预，可识别高速运动物体并可同时识别多个目标，操作快捷方便。它们 的比较如表1 。 识别数据 成本保密性读写性 智能化 抗干扰 寿命 技术密度能力 条码小最低差只读无差较短 i c 卡 很高较高最好读写有好 长 r f 日d 卡 很高较高最好读写有很好最长 2 1 1r f l d 技术原理 表1 自动识别技术比较 阅读器天线与标签天线之间等效于一个空气松耦合变压器，利用感应磁场与电 抗影响实现通信。一方面，当阅读器的调制信号加载到天线线圈上，电流使天线产生 时谐交变磁场，磁通在标签线圈中感生电压，为标签芯片提供工作能量和指令数据。 另一方面，标签端的输入阻抗可以反映到阅读器端，并影响阅读器天线的等效阻抗。 标签芯片中的场效应管截止或导通，使标签端的天线谐振或短路，反映两种不同的 负载阻抗，导致阅读器端a 点电压起伏变化。阅读器接收电路实时检测电压峰值的 变化，把标签反射的负载调制信号提出来。经信号处理后，将模拟信号转换成数字信 号，并送入m c u 。 6 第二章u h f 智能r f i d 读写器系统原理 2 1 2 超高频( u h f ) r f i d 技术简介 按照工作频率的不同，r f i d 标签可以分为低频( l 】f ) 、高频( h f ) 、超高频( 岫 和微波等不同种类。不同频段的r 珊d 工作原理不同，l f 和h f 频段r f i d 电子标 签一般采用电磁耦合原理，而哪及微波频段的r f i d 一般采用电磁发射原理。 目前国际上广泛采用的频率分布于4 种波段，低频( 1 2 s k h z ) 、高频( 1 3 5 4 m h z ) 、 超高频( 8 5 0 m h z 9 1 0 m f z ) 和微波( 2 4 5 g h z ) 。每一种频率都有它的特点，被 用在不同的领域，因此要正确使用就要先选择合适的频率。 超高频与微波频段的射频标签简称为微波射频标签，其典型工作频率有 4 3 3 9 2 m h z 、8 6 2 ( 9 0 2 ) m h z 9 2 8 m h z 、2 4 5 g h z 、5 8 g h z 。微波射频标签可分为有 源标签与无源标签两类。工作时，射频标签位于阅读器天线辐射场的远区场内， 标签与阅读器之间的耦合方式为电磁耦合方式。阅读器天线辐射场为无源标签提 供射频能量，将有源标签唤醒。相应的射频识别系统阅读距离一般大于l m ，典型 情况为4 m 6 m ，最大可达1 0 m 以上。阅读器天线一般均为定向天线，只有在阅 读器天线定向波束范围内的射频标签可被读，写。由于阅读距离的增加，应用中有 可能在阅读区域中同时出现多个射频标签的情况，从而提出了多标签同时读取的 需求。目前，先进的射频识别系统均将多标签识读问题作为系统的一个重要特征。 超高频标签主要用于铁路车辆自动识别、集装箱识别，还可用于公路车辆识别与 自动收费系统中。以目前技术水平来说，无源微波射频标签比较成功的产品相对 集中在9 0 2 m h z 9 2 8 m k 工作频段上。 2 1 3 超高频读写器技术简介 目前高频市场已经有p h i l i p s 、s t m 、t i 等推出专用读写芯片，设备厂商在这 些专用芯片的基础上开发高频阅读器的难度不大，但在超高频阅读器方面一直没 有专用芯片，厂商们都是在d s p 平台上搭建电路，因此超高频r f i d 阅读器的功 能不得不分散在一块电路板的许多芯片上。自己搭建电路对于厂商来讲有很高的 开发门槛：这种工作需要开发人员具有高频或者微波开发经验，同时对系统软件、 算法开发能力要求较高，而在我国这样的人才非常匮乏。超高频阅读器的开发难 度大成为影响整个市场发展的障碍之一，如果拥有了超高频阅读器的专用读写芯 片，厂商开发超高频读写器无疑将事半功倍，同时这种专用芯片还可以镶嵌在手 机和电脑，实现更多的功能整合。据说，目前几家主要的芯片厂商正在商讨专用 读写芯片中的功能定义，相信在不久的将来市场的需求会推动超高频阅读器专用 7 电子科技大学硕士论文 芯片的尽快诞生，进而使超高频阅读器的开发易于开发 2 2 读写器设计指导思想 本课题结合我国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 ，无线射频识别) 技术 及产业化发展现状，以具体的工程项目为实践基础，坚持自主创新与集成创新相 结合，对超高频( u h f ) r f i d 读写器研制技术的几个关键技术点进行深入研究， 并充分考虑读写器的高扩展性、可重构性，以及核心模块的小型化、低功耗，力 争使课题成果能在后续的开发中能快速转化为可产品化的技术成果。 在课题方案设计阶段，考虑到现行国内的超高频r f i d 应用领域的应用需求尚 具有不稳定性，但对公共基础性技术u h f r f i d 读写模块的需求明确性，故选取 了双a r m 核的设计思路，即采用读卡模块设计与读写器控制系统分离设计的方 法，一方面可减少因应用需求不明晰带来的研发风险，另一方面可使课题的研究 带来两方面的技术成果。 2 3 读写器系统结构及特点 本读卡器是以高性能嵌入式处理器为核心，配合开源的嵌入式操作平台l i n u x 和图形用户接口o t e 构建的多功能智能型读卡器控制平台，同时以小型化高集成 射频芯片a d 7 0 2 0 并辅以a r m 7 t d m i 内核的工业级嵌入式处理器构建r f i d 读写 模块。其主要实现目标为多频点、多协议、高集成和多种通信接口支持，并可以 之为r f i d 共用应用平台，快速进行二次开发，以满足日益增长的各类应用，同时 模块化设计的平台有利于项目的可持续开发，也为后期专用r f i d 模块及专用芯片 的研制提供有效的技术积累。在本项目的读卡频点选择上，我们首选了超高频( - r 作频率为8 6 0 m h z 到9 6 0 m h z 之间1 ，其特性如下： 在该频段，全球的定义不是很相同。欧洲和部分亚洲定义的频率为8 6 8 m k ， 北美定义的频段为9 0 2 到9 0 5 m t t z 之间，在日本建议的频段为9 5 0 到9 5 6 之间。 该频段的波长大概为3 0 c m 左右。 目前，该频段功率输出目前统一的定义( 美国定义为4 w ，欧洲定义为5 0 0 m w ) 。 可能欧洲限制会上升到2 we i r p 。 甚高频频段的电波不能通过许多材料，特别是水，灰尘，雾等悬浮颗粒物资。 相对于高频的电子标签来说，该频段的电子标签不需要和金属分开来。 电子标签的天线一般是长条和标签状。天线有线性和圆极化两种设计，满足不 同应用的需求。 8 第二章u h f 智能r f i d 读写器系统原理 该频段有好的读取距离，但是对读取区域很难进行定义。 有很高的数据传输速率，在很短的时间可以读取大量的电子标签。 2 4 读写器系统原理 本系统硬件设计分两部分：一部分是u h f - r f i d 读写模块，另一部分是基于 a r m 9 2 0 t 内核的嵌入式微处理器为控制核心的嵌入式系统。其硬件模块框图如下 图1 - 1 ： 园园 圆圈 、 1 7 。j 二 t 鏊 止 蠹 ；盆 ；暴： 獾 ，攒。 tr 1 ? 座* l 。一。 豳 蠢+ ，。 萝i ”； 邕幽匕 图1 - 1 读卡器硬件模块框图 系统运行原理是利用嵌入式系统丰富的外设资源，实现了卡信息的本地存储、 显示以及通过r s 2 3 2 串口与读卡模块进行通讯，实现对无源9 1 5 m 射频卡进行信 息的写入与读出。同时通过嵌入式控制系统所提供的丰富外设接口资源完成与上 位p c 机交互的功能或通过以太网口来实现读卡器的级联，以组成单主多从的读卡 器集群，以实现不同场合的具体应用需求。 2 4 1 基于a r m 9 2 0 t 内核的嵌入式显示控制模块原理 如上图所示，本系统的显示控制系统采用由a r m 9 2 0 t 内核的高端a r m 器件 组成，以该硬件平台所承载的嵌入式l i n u x 及q t e g u i 系统可以为各类基于r f i d 的终端应用提供有力的底层支持该硬件平台主要以s a m s u n g 公司的a r m 芯片 s 3 c 2 4 4 0 a 为核心该芯片有着丰富的片上资源，同时有着3 2 位的数据总线， 能和外设进行高速数据交换。以该芯片自带的u s b l 1 控制器、三路异步通讯串口 9 电子科技大学硕士论文 控制器、s p i 接1 3 、1 2 c 接口，形成本系统的外部通讯模块。然后通过外扩多种存 储设备，来形成存储系统，以满足不同的应用需求的目的。另外设计有专用的电 源管理模块，对整机及读卡模块的电源进行管理，以实现低功耗的设计目的。 2 4 2 基于a r m 7 t d mi 内核的嵌入式读卡模块原理 在本课题的研制中，我们对读卡器显控平台和r f l d 核心射频读写模块采用了 双a r m 核设计的思路，其主要实现思路是针对国内u h f 频段读写器研制现状而 定的技术路线。一方面国内在智能型读卡器上尚无相关的成熟产品，存在应用需 求不明晰的特点，而同时做为开发u h f 频段r f i d 读写器的基础性技术射频读 写模块的开发则成为行业中的公共性基础技术，为此我们采用了控制平台与射频 读写模块独立开发的方式。 这款我们开发成功的型号r i e s t - u f i f r f 0 1 的射频模块主要包含了基于 a r m 7 ) m i 以及a d f 7 0 2 0 高集成射频收发芯片。其中a d f 7 0 2 0 完成了射频的收 发功能；l p c 2 1 4 6 完成协议封装、通信控制以及各芯片之间的流程控制等。整个 系统采用6 层高密度p c b 板，整体体积仅约6 6 m m x 3 3 m m 其外型图如图2 2 ： 图2 2 读卡模块实物图 经过测试后，此款射频模块支持多种通信协议标准，包括e p cc i j l s s 0 ， c l a s s l ，i s 0 1 8 0 0 0 6 a b c 。工作在8 6 2 m h z 到9 5 6 m h z 范围内，接收灵敏度约 为1 0 5 d b m 。输出功率为1 5 d b m 到+ 1 0 d b m 内可调，调节精度为0 3 d b 。信号处理 速度可高达6 4 k b p s 。同时支持u a r t 、u s b 以及s p i 等多种接口。 l o 第三章读卡模块设计与实现 第三章读卡模块设计与实现 3 1 嵌入式u h f - r fid 读卡模块硬件设计 如图3 - 1 所示，当接收信号时，信号从天线输入后，通过恰当的输入匹配之 后进入a d f 7 0 2 0 。通过l n a 进行放大后下变频，然后对a s k 信号进行解调，最 后通过数字锁相环产生的采样信号进行过采样输出；当发射信号时，信号从信号 处理部分传送过来，经过模拟调制以及上变频后，经功率放大器放大至天线端。 0 ：1 ir x ：匝匠 二旺三 征 翘 i 卜匝二f 涯至) 正因 i j j 图3 1 读卡模块硬件框图 3 1 1 读卡模块射频部分结构框图 p , f r ) 读写器的主要作用是从非接触的数据载体( 如电子标签) 读出数据或者 写入数据到一个非接触的数据载体中。对于我们采用的u h f 频段，其工作方式与 低频率的电场耦合式读写器不同，采用了一个较为完整的无线收发系统。 我们这里采用的是半双工的时序工作方式，在这种工作方式下，读写器依照 固定的时序发射高频场，如遇到电子标签，则标签上的感应线圈会产生交变的电 压，此电压经过二极管整流后为电子标签上的芯片供电，通过一定的调制方式( 通 常为a s k ) 产生应答信号，通过线圈再发射出去。发射出去的能量一部分被读写 器的天线所接收，经过l n a 之后，进行系列的变频，解调，a d 变换，送至数 字处理芯片进行处理。 1 1 电子科技大学硕士论文 如图3 2 所示，我们采用了高集成的a d f t 0 2 0 收发芯片，完成大部分的发射 以及接收功能。发射部分采用了m i n i c i r c u i t 的m n a - 6 以及r f m d 的r f 2 1 6 2 放大器，确保其发射功率可达+ 3 1 d b m 。r f 2 1 6 2 之后的低通滤波器防止大的谐波 输出。而定向祸合器确保发射和接收之间的影响减少到最小。 图3 2 a d 7 0 2 0 内部功能框图 3 1 2 基于高集成射频芯片a d 7 0 2 0 的射频部分设计 a d f t 0 2 0 是a n a l o g 公司2 0 0 6 年推出的新一款适用于i s m 频段 ( 4 3 3 m h z ，8 6 8 m h z ，9 1 5 m h z ) 的收发芯片。它支持f s k a s k g f s k o o k g o o k 多种解调方式。其工作电压为2 3 v o + 3 6 v ，工作电流在发射模式下仍仅为约2 5 m a 。 输出功率可变范围为- 1 6 d b m 一+ 1 3 d b m v c o 输出频率稳定度可小于l p p m 。这些所 有的基本特性使得a d f 7 0 2 0 成为r f i d 读写器收发芯片的首选。在具体的设计中， 第三章读卡模块设计与实现 我们需要关注以下几个方面： 第一，频综的设计 a d f 7 0 2 0 的频综部分仅需要在外围电路增加晶体( 晶振) 以及环路滤波电路。 出于小型化的目的，我们选择体积较小的晶体。其频率大小可由分频比和需要的 输出频率计算得出。同时，我们选择较高的鉴相频率来获取较好的相噪特性。最 后选定晶体频率为1 5 m h 2 。 此外，环路滤波很大程度决定了输出频率的相噪特性，但这里我们系统对相 位噪声并不敏感，为此我们采用二阶无源滤波器就能完全满足我们的需求。其截 止频率可由v c o 的相噪和晶体的相噪特性曲线来选取。这里我们选取的截止频率 约为2 0 k i i z 。 第二：发射电路的设计 a d f 7 0 2 0 的发射级能输出最大1 3 d b m 的功率，此功率对于系统几米的作用 距离来说是远远不够的。为此，我们在其发射输出之后增加了两级放大器，第一 级选择了高方向性的m n a 6 ，其增益较大，线性性较好。而第二级采用了r f 2 1 6 2 。 在c d m a 的调制方式下，即b p s k ，其线性输出功率可达2 9 d b m 。而其输出的l d b 压缩点为3 1 d b m 完全满足了我们系统的功率要求。 第三l _ , n a 以及p a 之间的匹配设计 由于整个系统的收发都采用一个天线，输出的p a 以及输入端的l n a 是连接 在一起的。即便我们采用了定向耦合器来减少互相的干扰，仔细设计他们与天线 之间的匹配仍然非常重要。对于输出端匹配目的是达到较好的功率输出；对于输 入端希望匹配尽量不影响其噪声性能。我们采用了r f m d 提供的典型电路，同时 由于频率的不同，需要对其参数进行修正。因此，在电路上进行预留空间的设计 是必要的。 3 1 3 基于低功耗、高集成的l p 0 2 1 4 6 最小系统设计 l p c 2 1 4 6 是由p h i ii p s 公司出品的基于a r m 7 t d m i 内核的高集成小 型化嵌入式处理器，其内部工作框图见下图3 - 3 。其主要特性有片内集 成了3 2 ks r a m 和5 1 2 kf l a s h ，支持二路通用异步串口，一路u s b 2 0 从设备控制器，一路s p l 接口，四路外部中断。选取该器件主要基于 利用该器件丰富的外部接口以实现读卡模块的对外多接口。同时该器 件外围电路简单，不用外接存储设备，有利于实现模块小型化和低功 电子科技大学硕士论文 耗。 e r r s l ：2 】n 删黜j h h t i t o l i 靠 4 1 c p i 4 x c i p i m u i m 钟 n 【，1 2 】- “ 。湍淄 mi o n f f l ，t s z ( o n 2 丽 呷l 鼍d 仑l t i l ! 。研 0 iu s t d e 硒c ； r w fn t + i 脚 江 ；l l1j一盯stej p i l l i s i 姗i m s ：置 厂t 4 - - - - ：n【 衄眦嘲 l 7 e l o m 一 棚t l o c l l h r t e r 朋p t c o 耵舶l l 0g m m ，、 ，“r m m l - - t f o f - c - 寸 u t e r 耻n 髓珏 l s 哪f l 垭 伽n 嘲城 c o 瑚l l l 噬 g0 。0 t i 锄盟1 e k e 1 3 裂餐秽默l 叫岸r a z e s 留i d 器o d e e l i 蔷黼1 ll 塑a 2 1 邺n l l - l17 l t 姗巧1 il 1 l 4 - -一i 【、 ii 。 ， r i 。 f 。4 ：。m 1 i c z i 。i ls p ims 研l ! 7i i k i 嬲1 ；) 0 1 i 。； lm l 黑恐 ； l n ， i。 ，| i t 一- i 一 1 l 咖一 7 。l1 4 - - ，i p o y 。7 i z o c ir 1 i l fq | a t c d 惦l l i 。 l 哑l 剧 n p i s h z r e dv i t hc p d - c 2 ) l p c 2 1 4 4 d 6 4 so n l y , 乳：器= ： i ：o n w t r i i o l u a b e l r 。证i i t h l p c 8 k b 2 l i o f 叭 t j 8 l l l a l l a c ，c e ”i b l 。”呻“1 1 扣叫”山 “) l f c 2 1 4 2 4 6 ，蚰o n l y 1 4 p - - c 口m t m m l e l i m l s i t l m m i n o s i o i s i l s o l x i 钟i l 旭l $ s i i l m l m l 虹b t m l ，缸lc 2 ) 口s l ( 幻 i ? s 1 对i t s l ( 2 ) ， m l 【砒h i 2 ， n i c l t 耻r 第三章读卡模块设计与实现 图3 - 3 l p c 2 1 4 6 内部功能框图 3 2 读卡模块固件设计 读卡模块固件一方面对外提供接口协议，另一方面在内部完整封装 i s 0 1 8 0 0 0 6 协议，同时还完成对a d 7 0 2 0 的初始化及读写控制，其示意框图如下 图3 4 所示： 图3 - 4 读卡模块固件层次模型 3 。2 1 固件功能需求定义 为符合小型化、低功耗的整体模块化设计需求，我们对模块的软件部分( 固 件) 做出了如下的需求功能定义： 1 、实现对外部访问协议的封装，并能支持多种设备接口，如u s b 、串口、s p i 、 i 2 c 等，并支持主机端的动态查讯、枚举、访问、停止等操作。 2 、实现对i s 0 1 8 0 0 0 - 6 协议的封装，能完全完成对基于此协议的非接触i c 卡的数 据读写及编解码的控制。 3 、提供动态电源管理，能根据主机端的不同设置来实现不同的电源管理模式。 4 、能提供接口实现射频模块的动态功率调整。 5 、能提供有效的数据加解密算法，以保障空中接口的安全性。 6 、能支持在线升级固件的功能。 7 、能提供对在多标签读写的防冲撞读写支持。 电子科技大学硕士论文 基于以上实现目标，我们采用了基于b o o t l o a d e r 的设计思路，虽然没有 操作系统的支持，我们仍充分利用了系统的硬件资源，同时结合面向对向的设计 思路，分层实现了读卡模块的固件设计。 3 2 2