基于FRAM射頻標簽識別的實驗室儀器管理系統設計

龔玉梅，胡金艷

（上海第二工業大學工學部計算機與信息工程學院，上海201209）

隨著我國高等教育事業的持續發展，高等院校實驗室建設已經成為實踐教學與創新教育的重要支撐，實驗室儀器設備的管理工作也日趨復雜繁冗。目前高校實驗室儀器設備管理，主要為使用信息系統記錄儀器設備的登記入庫以及報廢信息，同時手工記錄設備的借用、歸還和維修等信息，容易造成儀器設備信息的差錯與滯后，特別在設備流動以及設備清查的過程中，很難準確并且實時地反映設備的狀態。提高高校實驗室儀器設備管理的效率，增強可追溯性與信息完備性已成為一個高校實驗室管理中的一個普遍問題[1-8]。

射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）又稱電子標簽（E-tag），是一種通過射頻信號進行快速非接觸式信息讀取與識別的技術，并具有耐磨、防水、防磁等特點。鐵電存儲器（Ferroelectric Random-Access Memory，FRAM）是一種非易失性存儲器，其使用鐵電材料作為數據載體，存儲容量大、讀寫速度快、耗電量低、抗輻射性強。本文提出一種基于FRAM和RFID融合型電子標簽高校實驗設備管理硬件方案，實現儀器設備的信息記錄與掃描跟蹤，提高了高校實驗設備管理的效率與準確性[6-10]。

1 鐵電存儲器 RFID技術

RFID即無線射頻識別，俗稱電子標簽，是一種非接觸式自動識別技術。它通過射頻信號自動識別目標對象，可快速地進行信息交換與跟蹤。RFID系統由RFID電子標簽、讀寫器、射頻天線、系統高層應用軟件等部分組成，如圖1所示。

圖1 RFID系統基本組成結構圖

安裝電子標簽的物體與讀寫器之間，通過空間電磁耦合，實現非接觸式通信，完成信息交換與物體識別，整個通信過程無需人工干預，并可工作于各種惡劣環境[11-12]。工作頻率是RFID系統最基本的技術參數之一，工作頻率的選擇在很大程度上決定了射頻標簽的應用范圍、作用距離、技術可行性以及系統成本的高低，通常頻率越高作用距離越長。目前國際公認的RFID頻段劃分如表1所示。

表1 RFID頻段表

FRAM是利用鐵電薄膜材料的極化隨電場反轉并在斷電狀態下仍可保持的特性，制成的非揮發性存儲器。在鐵電晶體上施加電場時，由于晶體的中間層為一個高能階，晶體中心原子在電場的作用下達到一種穩定狀態，中心原子當電場消失后保持在原來的位置。不管外界條件如何，FRAM存儲器的內容不會受到影響，從而使得FRAM具有非易失性的存儲特性。與其它存儲器相比較，FRAM具有讀寫時間快、可擦寫次數多、操作電壓低、存儲密度高、功耗低、抗輻射性能強等優點。將FRAM與RFID兩種技術進行融合，結合了隨機存儲器和只讀存儲器的優勢，實現了優質存儲載體電子標簽的應用，使得RFID可以利用FRAM的存儲空間進行數據記錄、追溯與維護，豐富拓展了RFID的應用場景[13-15]。

在我國高等院校實驗室儀器設備管理應用中，具有設備使用周期長、實驗室開放性高、使用與維修記錄復雜等特點，融合大數據空間的鐵電存儲器RFID恰恰能夠很好地解決目前的主要問題，實現效率的提高。

2 系統設計

針對高等院校實驗室儀器管理的應用場景，本方案選用日本富士通公司集成FARM的RFID芯片MB97R804B作為依附于儀器設備上的電子標簽，實現其與讀寫器之間的信息交互，同時設計基于微處理器芯片的串行口通訊系統，實現與RFID芯片以及計算機系統的雙向鏈接，通過通訊鏈路冗余設計，實現應用的靈活性與可靠性。系統結構框圖如圖2所示，包含天線、電子標簽、讀寫器、微處理器與支撐電路、液晶顯示、計算機系統及相關串行接口等相關模塊。

圖2 系統結構框圖

2.1 FRAM RFID芯片MB97R804B

MB97R804B是一款內含4K FRAM高密度存儲空間的RFID芯片，其指令兼容國際標準ISO15693和ISO18000-3，工作在甚高頻波段（860MHz到960MHz），讀寫速度快，通過嵌入式FRAM的高性能增強寫入操作的吞吐量，工作距離為3-9米，支持多種調制與跳頻方式，并含有串行外設接口（Serial Peripheral Interface，SPI），耐久力長，抗輻射能力強，其基本規格如表2所示。

表2 芯片基本規格

在印刷電路板設計中，設計了SPI接口，方便與微處理器主控板進行串口數據通信與存儲信息交換。同時進行了外置板上無源帶狀天線的設計，用于增強通信頻段上無線電波的耦合與方向性，同時增加射頻讀寫器與RFID之間的通信距離，并提高識別效率。

2.2 射頻讀寫器AT870

當把電子標簽置于射頻讀寫器的通信范圍內，射頻讀寫器就可以讀取和寫入電子標簽內存信息。在讀取電子標簽信息過程中，其從電子標簽中讀取有關信息，經加密、編碼和調制后通過卡內天線與板上外置天線再發送給射頻讀寫器，射頻讀寫器對接收到的無線電磁波信號進行解調、解碼和解密后進行有關數據處理，獲取相關信息。

射頻讀寫器主要由射頻模塊、控制處理模塊和天線這三部分組成。讀寫器與電子標簽之間通過天線收發信號進行通信，天線可以嵌入到讀寫器里面，也可以單獨一個部分。射頻信號轉換為基帶信號通過射頻模塊來實現。控制模塊是讀寫器的核心，對發射信號的編碼和調制，對接收的信號的解調和解碼，以及相關防碰撞算法實現，與后端應用程序的接口通信等。

在本系統中選用的射頻讀寫器為AT870手持移動終端，其基本規格指標如圖3所示。

表3 射頻讀寫器基本規格

AT870是一款甚高頻射頻識別讀寫器掃描終端，使用Windows Mobile操作系統，Intel Bulverde處理器，支持ISO18000國際標準，全向讀寫角度。其具有操作系統易用、人際交互界面良好、設備小巧靈活、通信方向性好、使用效率高等優勢，在實驗室設備儀器管理掃描中靈活易用。

2.3 微處理器MB9BF506R

MB9BF506R是Spansion公司設計生產的一款采用ARM Cortex-M3內核的32位微處理器芯片。該系列微處理器芯片主要針對性能要求高同時對成本價格敏感的嵌入式系統應用中。Spansion公司將其專有的閃存技術與ARM技術相結合，并包含64kbyte片上SRAM存儲器（由兩獨立的SRAM組成，分別支撐CPU和DMA單元），同時包含多種通信接口、模數轉換、液晶屏顯示、電機控制等豐富外設資源。在本系統中進行了USB接口、SPI接口、液晶屏顯示、ISP程序下載接口、相關電源分配電路以及簡單人機交互按鈕的相關電路設計，其模塊框圖如圖3所示。

圖3 微處理器板模塊圖

在MB9BF506R為主芯片的微處理器板上，需要進行相關嵌入式底層軟件開發，其功能包含：USB接口初始化與通信模塊、串行外設接口通信模塊、數據編解碼模塊、液晶屏顯示模塊、人機交互模塊等[16-20]。

本系統中采用模塊化軟件編程方式，通過嵌入式系統開發庫函數的引入，主程序與中斷子程序設計相結合，主要接口外設通過中斷子程序進行處理，具有資源占用小、響應時間短實時性高等特點。在主程序設計中完成硬件系統的相關資源初始化，主要針對一些外設使用到的相關寄存器與定時器進行初始化工作，同時系統中使用到的通信與顯示接口，進行模式設定、工作方式選擇等初始化操作，還包含人機交互、液晶顯示界面的相關操作。除此以外，用于與射頻電子標簽線路板通訊的串行外設接口以及與主控計算機進行通訊的USB口，通過中斷子程序的方式進行相關數據傳輸與編解碼操作，并觸發相關信息存儲顯示等工作。系統固件流程框圖如圖4所示。

圖4 固件流程框圖

3 實驗測試

根據系統硬件與功能設計，主要針對兩個通信鏈路進行相關實驗測試：1）射頻讀寫器與射頻電子標簽之間的無線通信鏈路；2）微處理器主控制板與射頻電子標簽之間的串行外設鏈路。

射頻讀寫器與射頻識別標簽之間的通信鏈路為日常實驗室儀器設備管理的主要操作鏈路，支持實驗管理人員通過該鏈路進行儀器設備識別、信息獲取、信息存儲記錄與修改等操作。在測試系統中，針對實驗室使用場景，將射頻電子標簽電路板粘附固定在一臺泰克5000系列示波器上，在線路板中設計了串行外設接口，用于與微處理器主控制板進行連接，同時主控板可以與計算機進行USB口通訊，達到雙通道備份冗余設計，在入庫、報廢等批量操作時方便進行數據傳輸與批量處理。

同時針對射頻讀寫器與射頻識別標簽之間的核心通信鏈路，進行了無線通信距離測試、實驗室倉儲實際場景測試等相關與實驗設備管理系統使用人員密切相關的應用場合進行了反復驗證。

圖5 測試系統連接圖

通過兩個通信鏈路分別實現了對依附于示波器設備上的射頻識別標簽進行基本數據的寫入、讀取與修改操作，實驗操作結果示例如圖6所示。

圖6 實驗結果示例

4 結束語

由于鐵電存儲器（FRAM）與射頻識別技術（RFID）的融合，使得具備大容量非易失性數據存儲空間的RFID芯片得以實現，進而利用該技術設計完成的高等院校實驗室儀器設備管理硬件系統具備了良好的實用性與靈活性。該系統通過射頻讀寫器與FRAM RFID標簽之間的無線通道，實現了實驗室設備管理應用場景中設備信息的獲取、記錄、存儲、修改、跟蹤與追溯等功能。同時系統具有串行外設接口鏈路設計，實現了靈活的數據傳遞方式，具備一定的冗余性，增加了系統的可靠性。針對高校實驗室儀器設備管理中的應用場景，試驗結果表明該方案可以滿足系統的應用需求。隨著射頻識別與鐵電存儲技術的進一步發展，更大存儲容量更高性能FRAM RFID芯片的推出，以及芯片應用經驗的增長，該技術在高校實驗室儀器設備管理中的應用將會更加廣泛。