基于嵌入式Linux系統(tǒng)的UHF RFID讀寫器設計

劉義才，章小城

LIU Yi-cai1,ZHANG Xiao-cheng2

（1. 武漢商業(yè)服務學院 機電工程系，武漢 430056；2. 中國船舶重工集團公司 第七○九研究所，武漢 430074）

0 引言

RFID（radio frequency identification）射頻識別是一種非接觸式的自動識別技術，它通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關數(shù)據(jù)，識別工作無須人工干預，可工作于各種惡劣環(huán)境中[1]。無源UHF RFID（Ultra High Frequency Radio Frequency Identification）是近幾年剛剛開始興起并得到迅速推廣應用的一門新技術，它具有識別距離遠、識別準確率高、識別速度快、抗干擾能力強、使用壽命長、可穿透非金屬材料、運用范圍廣等特點，是為實現(xiàn)數(shù)字化、信息化而對物體的屬性、狀態(tài)、編號等特征數(shù)據(jù)進行自動采集所推出的一種全新管理手段，可廣泛應用于人員、動物、物品等方面的身份自動識別。同時該技術可應用于不同的場合，如物流管理、工業(yè)生產控制、個人身份識別、活動目標監(jiān)測、交通運輸?shù)取Ｒ罁?jù)行業(yè)的不同，對讀寫器的功能全面性、天線數(shù)量、接口類型有著不同的要求。目前市場上大部分讀寫器功能單一，不帶操作系統(tǒng)，不便于用戶進行二次開發(fā)；同時天線數(shù)量很少，覆蓋范圍有限；而且接口單一，這使得讀寫器的應用場合受到了限制。因此設計了一種基于嵌入式Linux操作系統(tǒng)的超高頻讀寫器。該讀寫器可根據(jù)不同的行業(yè)需求進行二次開發(fā)，完成對符合ISO18000-6C和EPC Class1 Gen2電子標簽的讀寫及控制操作，以適應不同行業(yè)的實際應用需求。

1 系統(tǒng)硬件設計

1.1 硬件原理設計

基于嵌入式Linux系統(tǒng)的超高頻RFID讀寫器采用硬件分層結構的模型，主要由底層射頻模塊、中間層控制模塊和上層應用Linux系統(tǒng)模塊三部分組成。如圖1所示為系統(tǒng)硬件原理框圖。

1.1.1 射頻模塊

主要完成基帶信號的調制，以及對回波信號的解調處理。該模塊采用的是集成射頻收發(fā)芯片Inter R1000[2]，它是一個高度集成、高效率、低功耗，同時支持ISO18000-6C和EPC Class1 Gen2標準的射頻芯片。R1000將大部分的射頻電路集成到芯片中，可以接收到兼容的射頻標簽發(fā)出的數(shù)據(jù)。該芯片集成了積分下變頻混頻器、高集成的壓控振蕩器（VCO）、可變的接收增益控制、集成功率放大器（PA）、針對前向和反向的功率的集成RF傳感器、集成多種用途的數(shù)模轉換器（DAC）和模數(shù)轉換器（ADC）等。如圖1所示，Inter R1000 芯片接收來至ARM7 AT91SAM7S256的數(shù)據(jù)信息，通過內部鎖相環(huán)以24MHZ的參考頻率，生成UHF調制差分調頻信號，經巴倫平衡后通過外部功放進行放大，輸送給環(huán)形器，再通過定向耦合器與低通濾波器相連接，而后接天線進行信號的發(fā)射[3]。其中外部功放選用ASX520集成功率放大器，供電電壓為5V，電流為600mA。環(huán)形器選用逆時針環(huán)形器，著重考慮端口的匹配以及器件與地的良好連接。定向耦合器選用RCP890M30，耦合端和隔離端經過反向功率檢測和前向功率檢測與ARM7相連接。

圖1 系統(tǒng)硬件原理框圖

1.1.2 控制模塊

控制模塊的微控制器采用的是A R M 7 AT91SAM256，它是Atmel公司的基于32位ARM RISC結構處理器的小管腳輸出的Flash微處理器，具有256 K字節(jié)的高速內置Flash和64 K字節(jié)的SRAM，高度集成的外圍接口，包括一個USB2.0的外設，并且僅僅只需要較少的外圍擴展器件就能工作。該模塊的主要功能是完成命令的波形編碼、回波信號的解碼、差錯控制、讀寫器命令流程控制等。如圖1所示，微控制器AT91SAM256連接控制的4個天線采用分時工作方式，增加了讀寫器的有效空間覆蓋范圍。

1.1.3 Linux系統(tǒng)模塊

該系統(tǒng)模塊采用主頻為500MHz的Inter Xscal PXA270處理器，運行Linux2.6版本的嵌入式操作系統(tǒng)，通過USB和控制模塊進行通訊，完成接收控制模塊傳來的數(shù)據(jù)并進行分析和處理，實現(xiàn)數(shù)據(jù)過濾、安全驗證算法等。PXA270內部采用Inter SpeedStep動態(tài)電源管理技術[4]，外部擴展100M網(wǎng)口、USB Host/Device接口、串口、JTAG接口、GPIO以及高精度時鐘芯片等。基于外部擴展的接口和嵌入式操作系統(tǒng)，可方便的實現(xiàn)系統(tǒng)的升級和二次開發(fā)。

1.2 性能測試[5]

測試條件：1）測試儀器：安捷倫N9020A頻譜儀；2）前端載波發(fā)射頻率：26dbm；3）讀寫器工作方式：跳頻；4）調制方式：DSB-ASK。

測試結果如圖2和圖3所示：讀寫器工作占用帶寬為73kHz；鄰道功率比〉90db；讀寫器雜散發(fā)射功率較小。經過實際工作環(huán)境測試讀取標簽距離可達到6.2m。

通過對UHF RFID讀寫器硬件參數(shù)的測試可以看出，該讀寫器的性能指標達到了國家對射頻識別設備的相關技術規(guī)定以及產品性能的要求。

2 系統(tǒng)軟件設計

圖2 占用帶寬

圖3 鄰道功率比

軟件的開發(fā)主要分為兩個部分：1）基于AT91SAM7S256的嵌入式底層軟件設計，主要負責對InterR1000的射頻模塊讀寫控制；2）基于Linux系統(tǒng)的應用層設計，它通過USB接口負責與底層控制模塊的通信，完成應用層的需求。

2.1 底層軟件設計

如圖4所示為讀寫器底層程序流程圖，它是基于ADS1.2平臺，采用C語言和匯編語言混合編程，同時結合Inter R1000提供的開發(fā)庫來完成程序的編寫。底層程序通過USB接口負責與上層應用軟件進行數(shù)據(jù)通信，完成對射頻模塊的讀標簽、寫標簽、查詢標簽等操作。為了便于開發(fā)，采用模塊化的設計思想，將這些操作封裝成單獨的庫函數(shù)，只需調用各個函數(shù)的接口就可以完成對射頻模塊的控制。

圖4 讀寫器底層程序流程圖

2.2 基于B/S結構的應用層軟件設計

B/S(Browser/Server)結構即瀏覽器和服務器結構，它是隨著Internet技術的興起，對C/S（Client/Server）結構的一種變化或改進的結構。在這種結構下，用戶工作界面是通過WWW瀏覽器來實現(xiàn)，極少部分事物邏輯在前端（Browser）實現(xiàn)，但是主要邏輯事務在服務器端（Server）實現(xiàn)。在基于嵌入式Linux操作系統(tǒng)的超高頻讀寫器的設計中，我們采用的是boa Web服務器。它是一個單任務的http服務器，源代碼開放，性能高。因此用戶無需安裝任何軟件，通過HTTP方式訪問讀寫器。同時通過編寫CGI(Common Gateway Interface)外部擴展程序，實現(xiàn)動態(tài)Web技術[6]。我們把對底層控制的模塊接口程序放到Linux系統(tǒng)的/cgi-bin/目錄下，供Web服務器調用。底層控制模塊采用的是模塊的設計思想，把程序化繁為簡，便于程序的設計、調試及維護，主要功能包括：登陸讀寫器，配置讀寫器，清點標簽，讀標簽數(shù)據(jù)，寫標簽內容，退出登錄等。同時這些常用功能模塊可以根據(jù)用戶的實際應用需求進行修改，實現(xiàn)系統(tǒng)應用層的二次開發(fā)。如圖5所示為讀寫器客戶端動態(tài)Web界面。

圖5 讀寫器客戶端動態(tài)Web界面

3 結束語

基于嵌入式Linux系統(tǒng)的UHF RFID讀寫器產品樣機已經設計完成，并通過了現(xiàn)場環(huán)境使用測試，可以實現(xiàn)對符合ISO18000-6C和EPC Class1 Gen2電子標簽的讀寫操作，同時各項性能指標均能滿足產品設計要求。UHF RFID作為對現(xiàn)實世界物體標識與信息傳播相結合的一種手段將對社會各個方面產生重要作用，如物流管理、工業(yè)生產控制、個人身份識別、活動目標監(jiān)測、交通運輸?shù)龋恍杞Y合行業(yè)特點進行調整，就可形成適應行業(yè)應用的RFID解決方案。

[1] 游戰(zhàn)清,蘇劍,張益強,等.無線射頻識別技術(RFID)理論與應用[M]：北京：電子工業(yè)出版社,2004

[2] Intel Corporation. Intel UHF RFID Transceiver R1000[Z].2007.

[3] Intel Corporation. Intel R1000 Development Platform Application Note modified[M].2007.

[4] Intel Corporation.PXA270 Processor Developer's Manual[Z].2004.

[5] 章小城,向偉,徐丹.基于Intel R1000芯片的超高頻RFID手持式讀寫器設計[J].計算機與數(shù)字工程,2008,(9)：198-200.

[6] 劉崢嶸,張智超,許振山,等.嵌入式Linux應用開發(fā)祥解[M].北京：機械工業(yè)出版社,2004.