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r f i d 开发平台的设计及其应用 中文摘要 r fid 开发平台的设计及其应用 中文摘要 射频识别技术( r f t d ) ，就是通过无线电波来进行通讯的一种自动识别技术，现在 已经广泛应用于各种领域，比如供应链管理、门禁安防系统等。校园一卡通就是利用 射频识别技术来进行校园的各种管理，它应用在图书馆、机房、食堂等，使得校园管 理更有效率。 本系统实现一个r f i d 开发平台，所谓开发平台是指：此平台提供了开发r f i d 相关应用的通用组件，包括硬件和软件，相关应用都可应用此平台来实现。 本平台提供了多种通信接口，有以太网、u s b 、串口、语音、l c d ，还提供了通 用的软件开发组件，有实现管理非接触式i c 卡的操作模块，交互式命令行s h e l l ，与 主机的通信接口，所有的这些开发组件都可通过网络或者u s b 的形式被外部访问和 控制，可利用此系统灵活的进行定制以适应各种应用。 本文首先介绍了射频识别技术、以太网、u s b 等相关理论，之后描述如何设计 r f i d 开发平台，并从硬件设计，软件设计两个方面分别进行阐述。硬件设计包括芯 片选型，各个硬件模块的设计；软件设计包括t c p i p 协议栈的移植，r f i d 读卡器和 u s b 通信以及其他硬件模块驱动的编写，操作系统f r e e r t o s 的移植和应用，简易 s h e l l 的实现，并在此基础之上实现r f i d 开发平台。 为体现本平台的通用性，本文实现两个应用实例，一是网络化机房上机管理系统， 另一个是公交刷卡系统。设计这两个系统只需要进行p c 端软件开发即可，低端软件 和硬件无需改动。 利用本系统设计的r f i d 开发平台可进行二次开发，实现其他的相关应用。 关键词：射频识别，网络，嵌入式实时操作系统，开发平台 作者：王慧明 指导老师：王宜怀 t h ed e s i g no fr f i dd e v e l o p m e n tp l a t f o r ma n di t sa p p l i c a t i o na b s t r a e t t h e d e s i g no f r f i d d e v e l o p m e n t p l a t f o r m a n di t sa p p l i c a t i o n a b s t r a c t 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 ) ，u s i n gr a d i ow a v e st oc o m m u n i c a t e ，i sa n a u t o m a t i ci d e n t i f i c a t i o nt e c h n o l o g yw h i c hi sw i d e l yu s e di nv a r i o u sf i e l d s ，s u c ha sc h a i n m a n a g e m e n t ，a c c e s sc o n t r o ls e c u r i t ys y s t e ma n ds oo n c a m p u sc a r d ，o n ek i n do ff i e l d s t h a tt h er f i dt e c h n o l o g ya p p l i e si su s e dt om a n a g ev a r i o u sr e s o u r c e si nc a m p u s e f f i c i e n t l y s u c ha sli b r a r y , c a n t e e n s i tm a k e st h es c h o o lm a n a g e m e n te f f e c t i v e l y t h ea u t h o rd e s i g n e dar f i dd e v e l o p m e n tp l a t f o r m t h em e a n i n go fp l a t f o r mi s ： d i f f e r e n ta p p l i c a t i o n sr e l a t i n gt or f i dc a nb ed e s i g n e db yt h ep l a t f o r m ，b e c a u s et h e p l a t f o r mp r o v i d e sc o m m o nh a r d w a r ea n ds o f t w a r em o d u l e s t h i sp l a t f o r mi n c l u d e ss e v e r a li n t e r f a c e ss u c ha se t h e m e t , u s b ，r s 2 3 2 ，v o i c e m o d u l ea n dl c d i ta l s oi n c l u d e ss o f t w a r ed e v e l o p m e n tm o d u l e s ，s u c ha sm o d u l et o o p e r a t ec o n t a c t l e s sc a r d ，a n dh a sar s 2 3 2c o m m a n dl i n es i m i l a ra sl i n u xs h e l l i ta l s o p r o v i d e sc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c ew i t ht h eh o s t a l lt h er e s o u r c e so ft h ep l a t f o r mc a nb e a c c e s s e da n dc o n t r o l l e du s i n gn e t w o r ko ru s b i tc a nb ec u s t o m e dt ov a r i o u sa p p l i c a t i o n s t h i sa r t i c l ef i r s ti n t r o d u c e st h et h e o r ya b o u tr f i d ，e t h e r n e ta n du s b ，a n dt h e n d e s c r i b e sh o wt od e s i g nt h i sp l a t f o r m t h i si sd i v i d e di n t ot w op a r t s ：s o f t w a r ea n d h a r d w a r e t h eh a r d w a r ed e s i g ni n c l u d e sc h i ps e l e c t i o n ，t h ed e s i g no fe a c hh a r d w a r e m o d u l e t h es o f t w a r ed e s i g ni n c l u d e st h ep o r t i n go ft c p i ps t a c k ，d r i v e r so fr f i d ，u s b a n do t h e rh a r d w a r em o d u l e ，p o r t i n go ft h ee m b e d d e dr e a l - t i m e o p e r a t i n gs y s t e m - f r e e r t o s ，a n di m p l e m e n to ft h es h e l l f i n a l l yb u i l dt h ep l a t f o r mo nt h eb a s eo fw o r k d o n e i no r d e rt o p r o v et h ec o m m o n a l i t yo ft h ep l a t f o r m ，h e r ei si m p l e m e n t e dt w o a p p l i c a t i o n su s i n gt h ep l a t f o r m ，o n ei san e t w o r kl i b r a r ym a n a g e rs y s t e m ，t h eo t h e ri sa s y s t e mw h i c hi su s e di np u b l i ct r a n s p o r ts y s t e m t h eo n l yn e e dt or e a l i z et h et w op r o j e c t s i sj u s tp cs o f t w a r ed e v e l o p m e n t ；t h ef i r w a r ea n dh a r d w a r en e e dn o tt ob em o d i f i e d t h i sp l a t f o r mc a nb eu s e dt oc u s t o m e dt or e a l i z eo t h e ra p p l i c a t i o n sr e l a t i n gt or f i d f i e l d s k e yw o r d s ：r f i d ，e t h e r n e t ，e m b e d d e dr e a l - t i m eo p e r a t i n gs y s t e m ，d e v e l o p m e n t p l a t f o r m w r i t t e nb y ：w a n gh u i m i n g s u p e r v i s e db y ：w a n gy i h u a i 苏州大学学位论文独创性声明及使用授权的声明 学位论文独创性声明 本人郑重声明：所提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。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得苏州大学 或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律 责任。 研究生签名：至慧弓黾 学位论文使用授权声明 苏州大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、清华大学论文 合作部、中国社科院文献信息情报中心有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本 人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文 外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分 内容。论文的公布( 包括刊登) 授权苏州大学学位办办理。 研究生签名：至慧墼 日 导师签名： 期：稍1 嘲 鲰日期：掣 i ， r f i d 开发平台的设计及其应用绪论 第一章绪论 射频识别技术( r f r 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 ) 是一种自动识别技术，利用射 频方式进行非接触式双向通信，并达到识别的目的。r f l d 系统在各个领域都有广泛 的应用，比如城市公共交通、路桥隧自动收费、汽车加油、电子身份证卡、电子护照、 电子钱包、票务应用、生物跟踪与识别、物流跟踪与定位、防伪防盗、城市一卡通等【1 1 。 比如上海的交通系统就是采用的r f i d 技术，用户可以持非接触式i c 卡乘坐公交、地 铁、出租车，方便快捷，提高了人们的生活工作效率。目前国内多个大学也采用了校 园一卡通系统，学生可以持卡用于图书借阅、机房管理、食堂售饭、超市消费、洗衣 洗澡、上课考勤等，既方便了学生也方便了学校【2 1 。校园一卡通系统利用校园中已有 的校园网作为信息通讯载体。 r f i d 系统通常要具备各种接口以适应不同的应用，常用的接口有网络、u s b 、 r s 2 3 2 、l c d 、语音、键盘。本文就是开发具备多种接口的r f i d 系统作为开发平台， 从设计到实现逐步论述如何完成此系统，并以此平台开发两个应用实例，一个是网络 化机房上机管理系统，另一个是公交乘车系统。若实现其他的应用，只需在此平台基 础上进行类似的二次开发即可。 1 1 课题背景 1 1 1 射频识别系统概述 一个完整的射频识别系统通常由图1 1 所示的三部分组成。 读写器 天线 图1 1 射频识别系统的基本结构 c i c c 称为电子标签，电子标签根据自身是否带电源分为有源标签和无源标签， 有源标签自带电池给自身供电，无源标签不带电池，依靠读卡器发射的电磁波通过电 绪论r f i d 开发平台的设计及其应用 感耦合获得电源。电子标签根据存储特性分为只读标签，读写标签。标签还可以携带 密码验证机制。 读写器用来读写非接触式i c 卡，现在的技术都把a s i c ( 专用集成电路) 和射频集 成到一个芯片里面。读卡器的使用数量和结构形式因系统特点和规模大小的不同而不 同。它们均通过电磁波，以无线方式与卡片通信。它与主控机之间的通信方式也各种 各样，有无线的，也有有线的，常用的有线方式有r s 2 3 2 、4 8 5 总线、u s b 、网络， 无线方式有z i g b e e 、w i f i 等。 主控机是卡系统控制管理的核心，一般由p c 机独立承担。 r f i d 系统根据工作距离分为密耦合型( - 1 - 作距离 l c m ) 、近耦合型( 工作距离 1 0 c m ) 、邻近型( 7 - 作距离 i c 卡。后者是双向的，由机至卡的写和由卡至机的读f 7 1 。 近耦合系统中的非接触i c 卡都是无源式电子数据载体，芯片所需全部能量都必须 经天线耦合，由读写器的交变磁场即射频能量场感应获得i8 1 ，如图2 1 所示。 1 能量传输 图2 - i 通过电感耦合方式给非接触l c 卡供电 读写器的天线线圈l t 与电容c r 组成l c 并联振荡回路，其振荡频率与工作频率相 符以增强读写器天线电流，提高磁场强度。非接触式卡上l 。和c l 组成具有相同频率的 振荡电路，此谐振有利于改善传输效率。通过两个电感线圈的耦合使得i c 卡获得能量。 6 r f i d 开发平台的设计及其应用第二章相关理论知识概要 卡机之间的能量传输效果不仅依赖于读卡器的场频、天线线圈圈数和环绕面积， 还与线圈电流有关1 9 1 。 2 信息传榆 卡机间的信息传输是一种建立在已有数字通信理论和技术基础之上的电感耦合 式半双工数字通信。通信模型如图2 2 所示。 信 信信 信 信 源 +道+调一4 信道_ 解 卜 道_源 卜信 源 编编 制调 解解 宿 码 码码 码 发送端接收端 图2 2 数字通信模型 r f i d 通信模型也可以用上图来表示，信源是要传输的原始信息，即基带信号； 信宿为信息传输的终点，与信源对应【1 0 1 。 。 信源编码是用相应形式的编码表示二进制“l 和“0 。原则是保证质量的前提 下，用最少的数字脉冲表示信源的基带信号。 信道编码是在信源编码的基础上添加校验除错机制。 调制的作用是因为将基带信号直接送到信道上传输只能使用有限信道，传输距离 有限。调制是将基带信号调制到高频载波信号上传输，以实现远距离传输【1 1 】。有些信 道不需要调制，比如以太网，因为通过有线的双绞电缆可以传输足够的距离，传输距 离限制不在于基带信号强弱，而是与以太网所使用的介质访问协议有关。 信道就是信号传输的途径，有无线和有线之分。r f i d 系统是以电磁波为媒介的 无线信道。接收端的解码分别对应发送端的相应部分实现信息解析，以还原原始基带 信号12 1 。 2 1 2r f i d 系统中信号的编码与调制 由上所述，对于r f i d 信息的发送要经过编码、调制、信道传输三个步骤，对于 数字通信，编码和调制的选择比较重要，有时要根据具体的应用选择不同的编码和调 制方式。 第二章相关理论知识概要 r f i d 开发平台的设计及其应用 1 编码 数字通信系统的所有传输信息都是以二进制“0 ”和“l 表示的脉冲序列，在入 信道发送前，要对其进行编码以形成相应的传输码。 与r f i d 系统相关的编码方法主要有： ( 1 ) n r z ( n o nr e t u r nt oz e r o ，非归零) 编码 n r z 编码是基带信号的最简单表示形式，每个码元周期中，信号电平保持不变。 一般用正电平表示逻辑“1 ”，零电平表示逻辑“0 。 ( 2 ) 曼彻斯特( m a n c h e s t e r ) 编码 曼彻斯特编码亦称裂相编码或双相编码。每一码元均被分成互补的两半部分：当 前一半为高电平，后一半必为低电平时，表示逻辑“1 ”：当前一半为低电平，后一半 必为高电平时，表示逻辑“0 。这种编码的特点是每个码元的中心均存在跳变，若无 跳变则视为异常。i s o i e c l 4 4 4 3 中的t y p e a 类型非接触式卡的反碰撞检测中，正 是利用了这个特性。 ( 3 ) 米勒( m i l l e r ) 编码 米勒编码又称为延迟调制码。在码元中点的电平存在跳变表示逻辑“l ”，没有跳 变表示逻辑“0 ”。而且前后码元交界处的电平跳变均表示连续的“0 ”。 ( 4 ) 变形米勒( m o d i f i e dm i l l e r ) 编码 变形米勒编码系米勒编码的改进。将前者的每一个正或者负边沿用负脉冲代替。 该编码形式已被i s o i e c l 4 4 4 3 中的t y p eb 类型非接触i c 卡用于卡至机的通信。 2 调制 数字调制的过程相似与对高频载波信号的开关控制，因此又称之为数字键控。目 标是用数字基带信号控制载波的振幅、频率和相位三个参量，即幅移键控、频移键控、 相移键控。其中用于控制的数字基带信号称为调制信号，未被调制的载波信号为被调 制对象，调制后的输出为已调信号。这几种调制方式均以高频载波信号在幅度或频率 或相位上的两种状态表示二进制数字信号。 r f i d 系统常用的调制方法有： ( 1 ) a s k ( a m p l i t u d es h i t tk e y i n g ，振幅键控) 以载波的幅度大小表示拟发送数字信号的逻辑“0 和“l ，通过对收到的信号 8 r f i d 开发平台的设计及其应用 第二章相关理论知识概要 幅度的检测实现解调。这里有一个调制度m 的概念，调制度也称为调制系数或键控度， 用于表征键控时的载波振幅u l 与非键控时的载波振幅u o 间的相对变化度。 m = ( u o u 1 ) ( u o + u 1 ) 。i s o i e c l 4 4 4 3t y p ea 读写器至非接触式卡的传输采用1 0 0 的幅移键控，t y p eb 采用1 0 的幅移键控。 ( 2 ) f s k ( f r e q u e n c ys h i f tk e y i n g ，频移键控) 频移键控是利用两个不同频率的载波输出分别表示拟发送数字基带信号的逻辑 “0 ”和“l ，通过对接收信号频率的检测，实现解调。 ( 3 ) p s k ( p h a s es h i f tk e y i n g ，相移键控) 的数字调制法 用相位偏差为18 0 度的两个同频率分别代表数字基带信号的逻辑“0 ”和“l ， 通过对接收信号相位与一固定基准相位的比较，实现解调【1 3 1 。 2 1 3r f i d 中读写器与卡片之间的信息传输 卡机之间的信息传输分为读卡器到卡的下行传输和卡到读卡器的上行传输，并具 备多种传输协议和标准，都体现在之前表述的调制方式和信源编码上。 1 下行传输 i s o i e c l 4 4 4 3t y p e a 的下行传输采用的是键控度为1 0 0 的振幅键控，编码方式 采用变形米勒编码，t y p eb 采用的是1 0 的振幅键控，编码方式采用n r z 编码。 2 上行传输 i s o i e c l 4 4 4 3t y p ea 的上行传输采用曼彻斯特编码，t y p eb 采用n r z 编码。调制 方式采用副载波形式【1 3 j 。 2 1 4 近耦合r f i d 的国际标准i s o i e c1 4 4 4 3 本系统开发的r f i d 系统参照的协议是i s o i e c1 4 4 4 3 ，i s o 和i e c 是当今世界上两 个最大的国际标准化机构。i s o i e c1 4 4 4 3 是作为工作在1 3 5 6 m h z 的非接触式卡标 准，通信距离小于1 0 c m 。它规定了读写器( 称为p c d ) 和非接触式卡( 称为p i c c ) 之间通信的各种规则。i s o 1 e c1 4 4 4 3 目前只包含两种通信协议：t y p ea 和t y p eb 【1 4 】。 i s o i e c1 4 4 4 3 标准由如下的四分部组成。 1 物理特性 i s o i e c1 4 4 4 3 规定了卡的尺寸和物理特性，也列举了几个环境条件下卡不能有 9 第二章相关理论知识概要r f i d 开发平台的设计及其应用 功能性的破坏，比如紫外线、x 射线、静电和电磁干扰要求1 1 5 】。 2 射频电源和信号接口 这一部分规定了射频电源和信号接口，t y p ea 和t y p eb 都是半双工模式，默认 传输速率为1 0 6 k b p s ，卡到机的信息是通过频率为8 4 7 5 k h z 的副载波传输的。 3 初始化与防冲突碰撞 这一部分描述了当p i c c 进入p c d 场时如何扫描、信息传输的字节格式、命令 帧和时序，当多个卡进入场的时候如何挑选出一张并与其通信。t y p ea 和t y p eb 所 用的非冲突碰撞方法是不同的，前者用得是动态二进制搜索办法，后者用的是时隙 a l o h a 法。 4 传输协议 此部分定义了聊e a 及t y p eb 中的高层数据传输协议【1 6 1 。 2 2 以太网及计算机网络介绍 计算机网络是通过通信设施，将地理上分散的具有自治功能的多个计算机系统互 连起来，进行信息交换，实现资源共享、互操作和协同工作的系统。o s i 参考模型把 计算机网络分为多个层次，每个层次完成一部分的功能，每个层次是为上层服务的。 计算机网络分为多种，当今最流行的网络是互联网，它运行t c p i p 协议【1 7 1 。 t c p i p 协议也被分为四层，自底向上分别是链路层、网络层、传输层、应用层。 t c p i p 协议软件主要针对链路层往上的部分，而链路层一般由硬件实现。比如以太 网跟无线局域网中只有链路层部分是不同的，网络层、传输层、应用层都是运行的相 同的软件协议。 这里要区分o s i 参考模型和t c p 1 p 模型，o s i 参考模型只是提供一个参考，并 没有提供实现。t c p i p 先于o s i 参考模型产生，并被广泛应用，成为事实应用标准。 2 2 1 以太网 目前绝大多数的计算机是通过局域网的形式接入网络的。i e e e 8 0 2 3 标准给出了 以太网的技术标准，包括链接介质、电信号、介质访问协议。 以太网的数据传输是以以太网帧为单位的。以太网帧的结构如图2 3 所示。 1 0 r f i d 开发平台的设计及其应用 第二章相关理论知识概要 7l66 24 6 1 5 0 04 图2 - 3 以太帧结构 前导位( 7 字节) 用来使局域网中的所有节点同步，帧起始位( 1 字节) 是帧的起始标 志，这两部分一般都由硬件自动添加删除。 接下来是目的m a c 地址、源m a c 地址。m a c ( m e d i a a c c e s sc o n t r o l ，介质访问 控s u ) 地址是识别l a n ( 局域网) 节点的标识。全为1 的m a c 地址是广播地址，会被局 域网中的所有节点接收。 长度类型位表示此帧数据属于上层网络层的哪个协议，若是0 x 0 8 0 0 就是i p 协 议，若是0 x 0 8 0 6 就属于a r p 协议。 数据域( 4 6 - - - 15 0 0 字节) 这里是指i p 数据报。以太网的最大传输单元( m t u ) 是15 0 0 字节，如果某个i p 数据报超出这个界限，则需要将数据报进行分段。在嵌入式解决 方案中，为了简化协议一般不使用超过1 5 0 0 字节的数据报，以避免分组。数据域的 最小长度是4 6 字节，当口数据报小于这个值，则需要填充到4 6 字节。通信时p 数 据报可以根据其首部的长度字段来判断哪些是需要的数据，哪些是填充的数据。 c r c ( 4 字节1 字段用于帧内后续字节差错的循环冗余码校验。 2 2 2t c p i p 协议栈 t c p i p 协议是运行 于网络节点上的用于互 联网络节点的软件系 统。它分四个层次，上 层的数据封装在下层网 络包的数据部分中。如 节点1 发送数据给节点 2 ，节点1 的数据自顶向 下封装数据，然后通过 通信线路发送到节点2 ， 节点2 将接收到的数据 0 匣苴司 一t c p 段叫 一i pj 爱一 卜一以太帧叫 图2 4 协议逐层封装过程 第二章相关理论知识概要r f i d 开发平台的设计及其应用 自底向上一层层剥离，实现数据的分发。t c p i p 协议栈示意图如2 4 所示。 2 3u s b 接口介绍 以i n t e l 为首的7 家公司在1 9 9 4 年1 1 月推出的u s b 接口规范是为了克服传统的 p c 外设连接接口多，不通用，速度慢等问题。u s b 具有即插即用，广泛的软硬件支 持，完备的总线拓扑结构，低廉的价格等特点。当今的u s b 应用已经非常普遍，很 多笔记本电脑只有u s b 接口，其他的比如r s 2 3 2 、p s 2 接口已经剔除。 在作者的r f l d 开发平台中保留了u s b 接口，作为u s b 外设以便和u s b 主机通 信。 主机u s b 设备 _ ，i + 番户软件! _ ，j ，l j ， 功能单元。| 。，：j 功能层 ：， u s b 系统软修，j 卜u s b 逻辑设g r l ，j 设备层 ，u s 8 总线接舀，? ，i ，lu s b 总线接口i ? j 总线层 图2 - 5u s b 系统组成 对于用户来说，u s b 系统就是u s b 设备到主机的连接，对于开发人员来说，这 种连接被分为三个逻辑层：功能层、设备层、总线层。如图2 5 所示，这种分层类似 于网络协议栈，简化了u s b 系统的开发，也利于理解。 2 4 嵌入式实时操作系统及f r e e r t o s 简介 2 4 1 嵌入式实时操作系统的应用背景 当嵌入式系统比较复杂的时候，就需要软件中间件来进行管理，这个中间件就是 嵌入式操作系统。嵌入式操作系统的功能包括隔离硬件，内存管理，进程管理，文件 系统管理，网络管理等。当今有很多流行的嵌入式操作系统，比如嵌入式l i n u x ，e c o s ， v x w o r k s ，p a l m ，w i n d o w sc e ，p c o s 掣1 引。但是一些嵌入式系统的存储空间很有限， 控制设备也不是很复杂，因此不适合用上述这些操作系统。很多以常用的8 位、1 6 位单片机为控制的典型嵌入式系统，传统的开发方法是不用任何操作系统，采用主循 1 2 r f i d 开发平台的设计及其应用 第二章相关理论知识概要 环、中断模式开发，这类系统一般控制对象比较单一，控制过程也比较简单，若采用 操作系统反而会影响效率。若控制对象和控制过程变得复杂，采用这种方法就不是很 适合，比如嵌入式w e bj 艮务器，服务于客户端的h t t p j 艮务器任务是根据运行时客户端 的链接动态生成的，这时候就需要采用一种易于使用，效率高且简单的嵌入式操作系 统作为支撑，上述介绍的嵌入式操作系统存在价格昂贵，控制复杂，学习周期长，体 积过大等诸多问题，往往让开发者望而却步。因此需要寻找一种易于上手的，只提供 进程控制且效率高的嵌入式操作系统。 2 4 2f r e e r t o s 介绍 f r e e r t o s 是由i n t e r n i c h e 公司于2 0 0 5 年开发的一个开源的免费多任务操作系统， 目前版本是v 4 1 ，它只提供了进程控制逻辑，并没有提供进程通信和同步功能，比 如信号量，邮箱等，它很适合一些资源有限的小型嵌入式系统。它类似于上述所说的 循环中断模式，不过循环隐藏在了a p i 中，用户只需要定义一系列进程并创建，每个 进程就会在各自的环境中运行，进程可以睡眠，也可以被唤醒。f r e e r t o s 易于学习， 移植也相对简单，目前已经移植至u x 8 6 、a r m 等处理器中【19 1 。用户不用花很大功夫就 可以灵活运用它，且占用内存小，它约占r a m 空间0 5 k ，占f l a s h 空间也只有1 k 左右，运行效率高，作者的r f i d 开发平台控制对象也较多，因此系统采用了此嵌入 式实时操作系统。 2 5 本章小结 ( 1 ) 本文较为详细地阐述了r f i d 系统的组成、分类、通信原理、编码和调制方 法，并介绍了相关的国际标准，为阅读相关的射频芯片手册打下理论基础。 ( 2 ) 简要阐述了计算机网络和t c p i p 协议栈，并给出协议栈中链路层的以太网 帧结构。 ( 3 ) 给出u s b 接1 ：3 的系统组成，形成对u s b 通信的概要认识，为之后u s b 模块 的设计做好铺垫。 ( 4 ) 对小型的嵌入式实时操作系统f r e e r t o s 进行简单的介绍，并给出与其他嵌 入式实时操作系统的比较说明。 第三章r f i d 开发平台硬件设计r f i d 开发平台的设计及其应用 第三章r f i d 开发平台硬件设计 本系统是软硬结合的嵌入式系统，硬件是基础，软件是上层建筑2 0 1 。硬件设计在 设计过程中要遵循一定的规范。硬件设计通常要进行模块划分并详细设计模块之间的 通信接口。本系统硬件设计分为两部分：主控制器电路的设计和外围接口电路的设计。 外围接口又按照模块划分为网络模块、射频识别模块、u s b 模块、语音模块、l c d 模 块。 3 1 主控制器电路设计 3 1 1 主控制器的选型 主控制器的选择十分重要，主控制器就相当于人的大脑，起着中央控制的作用， 主控制器的选型一般遵循以下原则： ( 1 ) 系统性能要求。系统完成某项功能可能有最短时间要求，这就要需要控制器 有快的处理速度。 ( 2 ) 控制对象要求。根据控制对象来选择主控制器，比如控制电机尽量选择带 p w m 模块的主控制器，采集传感器数据尽量选择带a d 模块的主控制器，应用工业 通讯尽量选择带c a n 总线模块的主控制器。 ( 3 ) 成本要求。 作者认真分析了多种解决方案，最终决定采用f r e e s c a l e 的单芯片解决方案 m c f 5 2 2 3 3 。 m c f 5 2 2 3 3 是f r e e s c a l e 的单芯片解决方案，在3 2 位控制器上集成了以太网接口。 该产品在c o l d f i r ev 2 内核上集成了1 0 1 0 0 m 快速以太网控制器( f e c ) 、以太网物理 收发器( e p h y ) 等模块，以合理的价格提供卓越的性能( 频率为6 0 m h z 时最高 5 6 m i p s ) 。m c f 5 2 2 3 3 嵌入式控制器在一个支持以太网的小巧平台上为设计人员提供 了丰富的外围模块和存储空间( 高达3 2 k b 的s r a m 和高达1 2 8 k b 2 5 6 k b 的闪存，1 0 万次擦写周期，1 0 年数据保持) ，支持背景调试模式( b d m ) 和基于j t a g 的板级调 试。该微控制器可广泛应用于安全，图像，网络，游戏和医疗等多种主要市场中。典 型应用如医疗仪表和监视器、远程数据采集、以太网供电、z i g b e e 控制节点、安全 1 4 r f i d 开发平台的设计及其应用第三章r f i d 开发平台硬件设计 访问控制面板、健康保健泵和监视器、照明控制节点、家庭工业自动化等【2 1 】。 m c f 5 2 2 3 3 不仅集成高性能网络，同时也集成多种接口，比如s p i 、1 2 c 、实时时 钟、a d 等，运行频率可达到6 0 m h z 。m c f 5 2 2 3 3 的引脚封装有8 0 引脚和1 1 2 引脚两 种。由此看出，m c f 5 2 2 3 3 完全满足功能需求，在此采用m c f 5 2 2 3 3 作为主控制器。 r f i d 开发平台结构图如图3 1 所示。 图3 - 1 系统框图 整个系统完成的功能是：射频模块采集的非接触式i c 卡信息通过网络或者u s b 传送到主机，主机可以通过网络发送命令给主控制器，主控制器的r s 2 3 2 接口实现 串口命令行s h e l l ，利用此s h e l l 主机可查看系统的状态并可控制系统的行为。相关的 提示信息可以通过l c d 或者语音显示。 3 1 2 主控制器电路 主控制器电路如图3 - 2 所示。设计主控制器电路的时候一定要仔细阅读芯片手册 和应用笔记，这些资料上描述了如何设计一个稳定工作的主控制器，并有推荐电路接 法，包括元件清单和元件参数。 第三章r f i d 开发平台硬件设计r f i d 开发平台的设计及其应用 图3 2 主控制器m c f 5 2 2 3 3 电路 主控制器电路( 也称之为最小系统) 从以下几个方面进行设计： ( 1 ) 晶振电路。晶振提供给处理器时钟参考。此处采用无源晶振，晶振频率为 2 5 m h z ，经过处理器的p l l ( 锁相环) 倍频到6 0 m h z 。 ( 2 ) 复位电路。当控制器检测到内部或者外部故障的时候可进行系统复位。有4 种复位方法：外部复位、加电复位、看门狗复位、低电压复位。在图3 2 中给出了外 部复位的电路。通过一个复位按钮拉低r s t i 引脚到地可实现复位。r s t o 引脚反映 复位状态，通过三极管m q l 作为开关控制m l e dr s t 灯的亮灭。 1 6 r f i d 开发平台的设计及其应用 第三章r f i d 开发平台硬件设计 ( 3 ) 电源电路。电源的设计很重要，数字电路需要平稳的电源，若设计的电源不 当，电源容易造成波动甚至短路，影响和破坏整个系统。主控制器是3 3 v 供电，此 处提供5 v 的电源接口，通过电压转换芯片a m s l 0 8 5 把5 v 转化为3 3 v 。从图3 2 中 看出有很多滤波电容，设计这些电容为了获得稳定的电压，滤波电容应靠近电源引 脚【2 2 】。 ( 4 ) 写入电路。p c 机上的固件代码要通过写入模块下载到芯片中才能运行，因 此写入模块是必须的。目前c o l d f i r e 系列支持b d m 和j t a g 两种写入方式。此处采 用b d m 方式。b d m 不仅提供了写入功能，而且提供调试功能，具体电路参见附录。 3 2 外围模块设计 外围模块是与主控制器通信的，因此设计的时候要考虑它与主控制器的通信接 口。以下分模块逐个描述其电路设计。 3 2 1 射频模块 射频芯片内部结成了信号编解码、调制解调、信号放大滤波、天线驱动等。这种 集成电路使得只需要简单的外围驱动电路就能使芯片工作，可以读写非接触式i c 卡。 r f i d 开发平台系统主要是针对近耦合非接触卡，所采用的标准是i s o i e c 1 4 4 4 3 。目前市场针对此类型用得较多的是n x p 半导体的r c 5 x x 系列芯片。其他的 复旦微电子的f m l 7 1 x 系列和f m l 7 2 x 系列和e mm i c r o e l e c t r o n i c 的e m 4 0 9 4 和 e m 4 2 9 4 也属于此类产品。鉴于飞利浦的r c 5 x x 系列比较流行，开发资料也比较多， 为了减少开发周期，提高开发效率，在此采用了r c 5 3 l 作为射频芯片。 r c 5 3 1 集成了模拟电路用于解调和解码非接触卡，操作距离可达到1 0 c m 。r c 5 3 l 可以操作t y p ea 和聊eb 卡【2 3 1 。我国公民的第二代身份证属于t y p eb 卡的一种，t y p e a 卡是读写卡，可以在卡中存储数据，身份证卡是只读卡，只能读取身份证中的序列 号。r c 5 3 1 可以通过并口或者s p i 接口与主控制器通讯1 2 4 】。 射频模块的电路如图3 3 所示。 1 7 第三章r f i d 开发平台硬件设计r f l d 开发平台的设计及其应用 图3 3 射频模块电路 射频模块电路从以下几个部分进行设计。 ( 1 ) 电源电路。r c 5 3 1 的电源分为三组，分别是模拟电源、数字电源、驱动天线 电源。驱动天线电源和模拟电源要接5 v ，数字电源可以接5 v 或者3 3 v ，酌与r c 5 3 1 通信的主控制器的逻辑电平为3 3 v ，所以此处数字电源采用3 3 v 供电。 ( 2 ) 晶振电路。晶振采用1 3 5 6 m h z 的无源晶振，这也是r c 5 3 1 的工作频率。 ( 3 ) 控制电路。r c 5 3 1 的3 1 脚是复位输入引脚，通过主控制器的a n 3 来控制； 2 引脚是中断输出引脚，接主控制器的i r q 4 引脚来引起m c f 5 2 2 3 3 中断。 ( 4 ) 通信电路。r c 5 3 1 提供并行通信和串行通信。并行通信需要1 1 根引脚线， 串行通信只需要4 根线，为了节省引脚此处采用串行通信，类似于s p i 接口，4 根引 脚分别是片选使能、串行输出、串行输入、时钟，并分别用控制器的a n 4 a n 7 引 进来与其通信。 图3 3 最右边是天线接口，接电感线圈，一般用电路板的印制铜线来做。 1 射频模块天线设计 虽然按照i s o i e c l 4 4 4 3 标准，卡机通信距离可以达到1 0 c m ，但实际的通信距离 还与天线的线圈大小，天线匹配电路的质量，环境因素相关【2 5 】1 2 6 】，所以天线的设计 对通信的距离也同样重要。 针对r c 5 3 1 的天线设计分为两种，一种称为直接匹配天线，另一种称为5 0 欧匹 配天线。在前者方案下，天线和读卡器可以短距离相连，后者用于天线和读卡器分离 的情况，可用同轴电缆把天线和读卡器相连，最长可达1 0 m 1 2 7 1 。因为后者应用设计 相对灵活，所以系统采用5 0 欧匹配天线设计。 1 8 r f i d 开发平台的设计及其应用 第三章r f l d 开发平台硬件设计 射频工作频率为1 3 5 6 m h z ，此频率是由无源晶振产生的，但同时也会产生噪声， 为了消除噪声，同时也为了遵循e m i 电磁干扰国际标准，在此要采用滤波器滤波。 图3 3 中的l 0 1 和c o l a 、l 0 2 和c o l b 组成两对低通滤波电路。 r fr i 、r fr 2 、r fc 3 、r fc 4 组成接收电路。v m i d 是r c 5 3 1 内部电源输出 引脚，它作为接收引脚r x 的输入。v m i d 和地之间接一个滤波电容，v m i d 和r x 引脚之间通过r fr 1 和r fr 2 分压。这里要注意，电容采用t d k 的，这种材料的 电容精度比较高，随温度变化不大，适合于高频电路。 3 2 2 网络模块 因为主控制器m c f 5 2 2 3 3 集成以太网接口，因此只需要添加较少的元件即可使其 工作。电路设计如同3 4 所示。 p r x p l 图3 - 4 网络模块电路 网络模块中的p r x p 与p 阳烈引脚负责接收数据，p t x p 与p t x n 负责发送数据。 这两对收发引脚要接5 0 欧的上拉电阻。l n k l e d 与s p d l e d 引脚分别用于指示当前 的连接状态和连接速度。r j 4 5 是内含网络隔离器的水晶头，这里所用的型号是 p i l l 0 0 5 t 2 8 1 。 3 2 3u s b 模块 开发平台中的u s b 模块提供了一种方便的通信手段。目前绝大多数的笔记本都 没有串口、p s 2 、并口等传统的接口，而用u s b 接口来代替。因此给开发平台提供 u s b 接口可以提供通信便利。 u s b 模块采用f r e e s c a l e 的h c s l 2 u f 3 2 芯片，它提供了u s b 2 0 功能，内含6 个 物理端口，支持控制、同步、块、中断四种传输方式。之所以采用这款芯片是因为之 第三章r f i d 开发平台硬件设计r f i d 开发平台的设计及其应用 前对它做过研究，所有的软件都已经开发好了，直接拿来使用即可，这样也能缩短开 发周期。u s b 模块由u f 3 2 的最小系统和u s b 接口组成。分别如图3 5 和3 - 6 所示。 u s b r 涵1 ：3 u s b 方l = l u s b _ j 2 鼍ru s b j i 鼍r 图3 5u s b 模块u f 3 2 接口电路 u f 3 2 支持高速和全速两种速度。数据传输通过两根交叉线进行传输。引脚d m f 和d p f 用于全速传输，d m h 和d p h 用于高速传输。具体采用什么传输速度是在u s b s e t u p 事务阶段和主机协商决定的。 图3 - 6u s b 模块u f 3 2 最小系统电路 2 0 r f i d 开发平台的设计及其应用 第三章r