基于NiosⅡ的RFID物流管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

丁海鷹

（陜西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院陜西西安710014）

經(jīng)濟(jì)全球化趨勢(shì)下，物流產(chǎn)業(yè)在服務(wù)業(yè)中發(fā)揮著極為重要的作用。研究顯示，傳統(tǒng)的物流行業(yè)在發(fā)展過(guò)程中普遍存在信息不及時(shí)、信息不準(zhǔn)確等現(xiàn)象，這在一定程度上影響了物流產(chǎn)業(yè)運(yùn)作效率，嚴(yán)重時(shí)甚至造成巨大的財(cái)務(wù)損失[1]，基于現(xiàn)代無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展，物流產(chǎn)業(yè)迎來(lái)了一個(gè)新的發(fā)展機(jī)遇，尤其是RFID技術(shù)在物流管理系統(tǒng)中的應(yīng)用，其一方面能夠減少物流管理出錯(cuò)率，另一方面能夠提升物流管理工作效率及科學(xué)性[1]。與此同時(shí)，嵌入式技術(shù)也以其軟件代碼小、自動(dòng)化程度高等優(yōu)越性在各大行業(yè)得以應(yīng)用。當(dāng)前流行的RFID中普遍采用了嵌入式技術(shù)，該技術(shù)擁有廣闊的發(fā)展空間，并逐步成為主流[2]，使用的4、8和12個(gè)處理器核也具有足夠的計(jì)算能力和并行處理能力。TwinCAT 3自動(dòng)化軟件能夠?qū)⒏鱾€(gè)控制程序任務(wù)分配給各個(gè)處理器核，因此可以為多個(gè)處理器核詳細(xì)地計(jì)劃CPU負(fù)載。在擴(kuò)展無(wú)線通信模塊的作用下，構(gòu)建完整的物流管理系統(tǒng)。研究基于NiosII軟核構(gòu)建了物流管理系統(tǒng)，其與ARM系統(tǒng)相比靈活性更強(qiáng)，另外該研究還采用了防碰撞算法，提出了系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)策略。

該研究設(shè)計(jì)了RFID數(shù)字基帶系統(tǒng)，該系統(tǒng)具備基本通信功能，能夠?qū)崿F(xiàn)空中接口通信協(xié)議，經(jīng)過(guò)DE2開發(fā)板CycloneII EP2C的作用，NiosⅡ嵌入式處理器可以順利對(duì)接外圍電路功能，此時(shí)系統(tǒng)可以針對(duì)某一范圍物流貨物信息進(jìn)行實(shí)時(shí)讀寫，并在液晶屏上反映出來(lái)，當(dāng)查詢信息時(shí)只需在鍵盤上做出對(duì)應(yīng)選擇便能夠完成。

1 系統(tǒng)總體構(gòu)架

RFID系統(tǒng)由一個(gè)閱讀器以及八塊應(yīng)答器組成，其具體構(gòu)架如圖1所示，其中閱讀器由NidsII軟核及基帶信號(hào)處理模塊組成[2]。用戶之間的交互及數(shù)據(jù)信息等的管理主要通過(guò)MCU實(shí)現(xiàn)，基帶信號(hào)處理模塊能夠?qū)?shù)字基帶信號(hào)予以有效的處理，并將處理結(jié)果傳送到Nios。應(yīng)答器主要涉及到八個(gè)模塊，其能夠在同一時(shí)間內(nèi)模擬出多個(gè)電子標(biāo)簽沖突，確保防碰撞算法的順利實(shí)現(xiàn)。通常，打開閱讀器后，其會(huì)對(duì)相應(yīng)范圍內(nèi)的應(yīng)答器進(jìn)行自動(dòng)化檢測(cè)，并發(fā)出通信命令，與此同時(shí)應(yīng)答器端會(huì)對(duì)命令予以接收[]，并將自身信息發(fā)送到閱讀器。閱讀器與應(yīng)答器均應(yīng)遵循ISO18000-6B協(xié)議[4]。在具體的工作中會(huì)涉及到大量應(yīng)答器，其需要同一時(shí)間發(fā)出多個(gè)應(yīng)答。在閱讀器接收應(yīng)答信息后，其將會(huì)采用防碰撞算法對(duì)讀取的各種應(yīng)答器信息進(jìn)行分析，并將其發(fā)送到上位機(jī)予以處理，然后在液晶屏上對(duì)信息予以顯示，便于用戶的查看與分析[4]。此時(shí)，用戶可以采用鍵盤對(duì)任意一個(gè)應(yīng)答器所帶的信息進(jìn)行選擇與查詢，為物流管理提供參考。

圖1 RFID系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框架圖

2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)具體設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

2.1 應(yīng)答器設(shè)計(jì)

應(yīng)答器模塊主要包括FMO碼編碼模塊、前導(dǎo)碼生成模塊、輔助模塊分頻、輸出數(shù)據(jù)選擇等八個(gè)部分。其框架結(jié)構(gòu)如圖2所示[3]。通過(guò)di n將數(shù)據(jù)流輸入，然后需要由前導(dǎo)碼檢測(cè)模塊予以檢測(cè)，當(dāng)測(cè)出幀頭后，需要發(fā)送sof，然后通知后級(jí)，再由曼徹斯特碼解碼模塊對(duì)信息進(jìn)行解出，通過(guò)下行幀解析模塊對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，并對(duì)其有無(wú)應(yīng)答做出判斷，其對(duì)上行幀組幀模塊具有一定的依賴性，并在此基礎(chǔ)上完成對(duì)前導(dǎo)碼生成模塊的控制，其最終會(huì)以前導(dǎo)碼的形式顯示出來(lái)[3]。需要注意的是其接收的信息都需要實(shí)施FMO碼編碼模塊處理，進(jìn)行編碼并將其輸出。在上述多個(gè)模塊的綜合作用下，共同實(shí)現(xiàn)整個(gè)通信過(guò)程的完整應(yīng)答[3]。該系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)鐘一般為40 kHz，基于部分模塊對(duì)解數(shù)字基帶信號(hào)的需求，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)速率做出了相應(yīng)的調(diào)整，一般為雙倍速率即80 kHz進(jìn)行解碼處理。

圖2 應(yīng)答器總體設(shè)計(jì)框架圖

2.2 閱讀器設(shè)計(jì)

閱讀器模塊包括基帶信號(hào)處理模塊與NiosII軟核兩個(gè)組成部分，前者主要包括前導(dǎo)碼檢測(cè)模塊、上行幀解析模塊、FMO碼解碼模塊、等模塊。在din的作用下數(shù)據(jù)流經(jīng)過(guò)前導(dǎo)碼檢測(cè)模塊，所獲得的解析結(jié)果會(huì)發(fā)送到閱讀器模塊，實(shí)施防碰撞算法解析，當(dāng)該算法得以運(yùn)行且正確獲得單一UID及上位機(jī)通信[3]，可以對(duì)進(jìn)一步行為作出決策。接收命令幀指令后，需要將命令下發(fā)到下行幀組幀模塊，實(shí)施組幀處理，并準(zhǔn)確發(fā)送。該系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)鐘設(shè)置為40 kHz，采用的是雙倍速率80 kHz解碼，其能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)前導(dǎo)碼生成模塊、曼徹斯特碼編碼模塊等多個(gè)模塊的數(shù)字基帶信號(hào)解析。

2.3 防碰撞算法設(shè)計(jì)

該研究設(shè)計(jì)的RFID物流采用的是ISO18000-6通信標(biāo)準(zhǔn)，其能夠?qū)崿F(xiàn)應(yīng)答器與閱讀器之間的通信，作為UHF頻段RFID的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，ISO18000-6得到了社會(huì)各界的廣泛認(rèn)可。通常，依據(jù)RFID參數(shù)的不同，可以將UHF分為A、B、C 3種類型。當(dāng)前，RFID標(biāo)簽在多個(gè)行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用，與此同時(shí)也伴隨著一系列標(biāo)簽碰撞問(wèn)題，其對(duì)RFID系統(tǒng)的性能產(chǎn)生了極大的影響，針對(duì)這一問(wèn)題，提出了防碰撞算法，其中A類采用的是ALOHA算法，C類采用的是時(shí)隙隨機(jī)反碰撞算法，這兩種算法應(yīng)用不多。而B類算法—二叉樹算法算法幀格式相對(duì)簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，應(yīng)用廣泛[3]。本研究選擇的是B類算法，其流程如圖3所示[3]。而若同一時(shí)間接收多個(gè)應(yīng)答，且存在碰撞現(xiàn)象，閱讀器會(huì)發(fā)送失敗命令到應(yīng)答器并等待其結(jié)果，若出現(xiàn)超時(shí)響應(yīng)的現(xiàn)象，需要發(fā)送組選命令。

圖3 防碰撞算法流程圖

2.4 NiosII設(shè)計(jì)

Altera公司設(shè)計(jì)出了NiosII嵌入式處理器，其采用的是哈弗結(jié)構(gòu)，具有軟核處理器，能夠?qū)?2位指令集第二代片上可編程的處理，與此同時(shí)，該處理器還具有模塊化的硬件結(jié)構(gòu)，這也是該處理器最具優(yōu)勢(shì)及吸引人的地方[3]，基于其上述特點(diǎn)，其靈活性及可裁剪性均較強(qiáng)。在數(shù)字信號(hào)處理器中引入NiosII嵌入式處理器軟核，能夠增強(qiáng)整個(gè)系統(tǒng)的靈活性，確保其正常運(yùn)行。系統(tǒng)軟件部分均是在NiosII嵌入式處理器作用下完成。物流系統(tǒng)的調(diào)度任務(wù)及函數(shù)調(diào)用等需要采用系統(tǒng)調(diào)度模塊實(shí)現(xiàn)，與系統(tǒng)調(diào)度函數(shù)接口的12864液晶驅(qū)動(dòng)模塊則是采用了成熟驅(qū)動(dòng)技術(shù)，能夠完成液晶顯示屏的輸出以及矩陣鍵盤輸入活動(dòng)。

3 系統(tǒng)工作流程

當(dāng)系統(tǒng)投入到具體的工作狀態(tài)后，首先會(huì)出現(xiàn)歡迎界面，然后供用戶根據(jù)需求進(jìn)行相應(yīng)的操作，如當(dāng)存在貨物入庫(kù)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)對(duì)存入貨物信息進(jìn)行讀取[15]。當(dāng)存在多件貨物入庫(kù)的情況，可以予以防碰撞算法計(jì)算，對(duì)相關(guān)信息進(jìn)行計(jì)算。用戶可以對(duì)存儲(chǔ)的貨物相關(guān)信息通過(guò)矩陣鍵盤選擇進(jìn)行查看與管理，流程見圖4。

圖4 系統(tǒng)工作運(yùn)行流程圖

4 結(jié)束語(yǔ)

該研究將NiosII軟核引入到物流管理系統(tǒng)中，其與傳統(tǒng)ARM相比更為方便、靈活。研究通過(guò)防碰撞算法對(duì)系統(tǒng)的具體實(shí)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，結(jié)果顯示其能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)某一范圍貨物存儲(chǔ)信息的實(shí)時(shí)讀寫，反映到液晶屏上，然后在鍵盤上對(duì)相應(yīng)信息進(jìn)行選擇、查看，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)物流倉(cāng)庫(kù)貨物的動(dòng)態(tài)管理。