引言
隨著現(xiàn)代信息技術(shù)和超大規(guī)模集成電路的發(fā)展，RFID技術(shù)在服務(wù)領(lǐng)域、貨物銷售與后勤分配,、商業(yè)部門,、生產(chǎn)企業(yè)和材料流通領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用。射頻識別技術(shù)的基本原理是利用射頻信號和空間耦合(電感耦合或電磁耦合)或雷達反射的傳輸特性,，實現(xiàn)對被識別物體的自動識別,。
RFID系統(tǒng)不局限于視線，識別距離遠,。射頻識別卡具有可讀寫能力,，可攜帶大量數(shù)據(jù)，可工作在潮濕,、干燥等惡劣環(huán)境下,，同時具有難以偽造和智能性較高等優(yōu)點。與此同時,，不同的射頻標簽編碼規(guī)則,、不同的空中接口協(xié)議、大量而復(fù)雜的RFID數(shù)據(jù)如何處理等問題嚴重阻礙了RFID技術(shù)發(fā)揮其巨大作用,?；谶@種現(xiàn)狀，本文結(jié)合防碰撞算法提出了嵌入式平臺下的RFID讀寫器設(shè)計方案,。

1 RFID系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理
無線射頻識別技術(shù)是一種非接觸的自動識別技術(shù),，常稱為感應(yīng)式電子晶片或近接卡、感應(yīng)卡,、非接觸卡,、電子標簽、電子條碼等,。完整的RFID閱讀系統(tǒng)是由讀寫器(Reacler),、應(yīng)答器(Transponder)、天線(Antenna)三部分組成,。其動作原理為Reader通過Antenna發(fā)射特定頻率的無線電波能量給Transponder,，用以驅(qū)動Transponder電路將內(nèi)部ID Code送出，此時ReaGler便接收此IDCode,。由于此ID Code的唯一性,，所以RFID讀寫器可以實現(xiàn)對物體或商品的自動識別。RFID系統(tǒng)框圖如圖1所示,。系統(tǒng)由中間件,、讀寫器、應(yīng)答器等部分組成,。

射頻識別系統(tǒng)的基本工作方式分為全雙工(Full Duplex)和半雙工(Half Duplex),。無論是哪種工作方式,，其信息的發(fā)送都包括編碼、調(diào)制,、信道傳輸三個步驟,。對于數(shù)字通信來說，編碼和調(diào)制方式的選擇顯得尤為重要,。
讀寫器與電子標簽之間的數(shù)據(jù)傳輸需要3個主要的功能塊,，RFID系統(tǒng)基本通信結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
系統(tǒng)的核心是Samsung公司的ARM9芯片S3C2440A,。RFID讀寫器系統(tǒng)硬件電路采用模塊化設(shè)計方案,，將主控模塊(核心板)與擴展模塊電路(底板)分開設(shè)計。主控制模塊包含了最小系統(tǒng)的設(shè)計,，包括處理器S3c2440A,、內(nèi)存SDRAM、非易失存儲器Nand Flash,、電源轉(zhuǎn)換電路,、LED指示電路以及一些旁通電容電路。整體的RFID讀寫器系統(tǒng)的硬件設(shè)計主要包括主控制模塊,、射頻模塊,、擴展底板Power、JTAG,、UART,、USB A／B、LCD／TouchScreen,、LAN,、SD、Audio,、LED,、Reset等電路。

2．1 主控制模塊設(shè)計
系統(tǒng)采用了兩片16位的SDRAM H57V256GTR芯片組成了32位的64 MB系統(tǒng)內(nèi)存,。SDRAM與S3C2440A連接的32條數(shù)據(jù)線中,，高16位DATA[31．．16]和低16位DATA[15．．0]分別與兩片SDRAM相連；H57V256GTR有13根行地址線,、9根列地址線,、2根BANK選擇線BA0～BA1。S3C2440與SDRAM連接時要注意：
◆SDRAM的A[0．．2]連到CPU的ADDR[2．．14],；
◆BA0,、BA1的地址連接，BA0,、BA1代表了SDRAM的最高地址位,。
主控制模塊的電路連接框圖如圖3所示,。

2．2 接口電路設(shè)計
S3C2440A具有豐富的外設(shè)接口控制器，每個接口都有相應(yīng)的內(nèi)部控制邏輯單元(電路驅(qū)動)和可編程的控制寄存器,，因此對這些標準接口進行電路設(shè)計就變得很簡單。本系統(tǒng)中外部模塊主要通過USB接口與處理器通信,，USB接口電路如圖4所示,。

S3C2440A具有兩個USB主機控制器，兼容USB1．0和USB1．1協(xié)議,，支持低速和全速模式,。這兩個USB主機控制器既可以作為主機口，又可以作為從設(shè)備口用,，主要是看D+或D-數(shù)據(jù)線所接的上拉電阻的阻值,。本課題由于要在終端平臺上外接模塊，所以終端平臺的USB端口作為主機口,。又由于終端平臺需要與PC機通信,，而PC機的USB端口都是作主機的，所以終端平臺又要提供USB端口作為從機口,。這樣,，在設(shè)計中就將S3C2440A的USB0作為主機口用，而將USB1通過跳線選擇來兼容主機口和設(shè)備口,。
2．3 RFID讀寫器設(shè)計
TRF7960芯片內(nèi)部包含了一個51核,，但是這個51核主要是用來負責(zé)接收處理器數(shù)據(jù)(命令)并處理數(shù)據(jù)(編碼)后通過射頻電路發(fā)送出去，或是從射頻電路接收信號并進行處理(解碼)后再送回給處理器,。通過TI公司的微處理器MSP430F2370與射頻前端芯片配合,，可有效地提
高讀寫器的性能。
在讀寫器模塊設(shè)計時加入了USB轉(zhuǎn)UART的橋接器芯片CP2102,。加入該芯片一方面可以通過USB的連接器與終端平臺互連,，實現(xiàn)即插即用的功能；另一方面可以通過終端平臺上的USB主控制器提供5 V的電源,，系統(tǒng)設(shè)計的讀寫器模塊正是采用這種方式供電的,。RFID讀寫器模塊的原理圖如圖5所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
系統(tǒng)軟件設(shè)計主要實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)移植及防碰撞算法,。當(dāng)在讀寫器的天線區(qū)域中有多個射頻標簽時,，同時到達的信號會產(chǎn)生信道爭用的問題。信號互相干擾,，發(fā)生碰撞,。防碰撞技術(shù)利用排隊論及抗噪聲技術(shù)來解決這個問題，通過RFID系統(tǒng)一次可以完成對多個射頻標簽的識別,。防碰撞技術(shù)的優(yōu)劣決定了RFID系統(tǒng)的性能,。系統(tǒng)軟件總體架構(gòu)包括：擴展層,，提供RFID讀寫器的固件程序，支持多種數(shù)據(jù)采集模塊,；設(shè)備層,，提供RFID系統(tǒng)運行的硬件環(huán)境和提供多種物理接口；系統(tǒng)層,，提供RFID系統(tǒng)運行的軟件環(huán)境,；中間層，提供開發(fā)系統(tǒng)的基礎(chǔ)軟件框架和應(yīng)用型RFID中間件,；應(yīng)用層,，與業(yè)務(wù)相關(guān)的應(yīng)用軟件。
3．1 防碰撞算法分析
在RFID系統(tǒng)中,，評價防碰撞算法優(yōu)劣的指標有防碰撞速度,、準確率、信道利用率,、穩(wěn)定性,、安全性和成本等。目前業(yè)界推崇的防碰撞方法主要有ALOHA算法(又稱應(yīng)答器控制算法)和二進制樹形搜索算法(又稱讀寫器控制算法),。ALOHA防沖突算法由于延遲時間和檢測時間是隨機分布的,，是一種不確定性算法，可分為非時隙,、時隙以及自適應(yīng)ALOHA防沖突算法,。其中自適應(yīng)ALOHA方法的信道利用率最高，它的優(yōu)點是能顯著提高識別速率,，缺點是復(fù)雜度明顯提高,。它僅適用于只讀型電子標簽。二進制樹形搜索算法的優(yōu)點是防沖突能力較強,、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和指令簡單,，缺點是支持的存儲容量較小，不適合UID過長的電子標簽,。這里利用二進制樹形搜索算法實現(xiàn)功能,。
二進制搜索算法是利用逐步減少發(fā)生沖突的位的方法來完成對標簽的識別的。該算法的前提條件是讀寫器必須能夠準確地發(fā)現(xiàn)發(fā)生沖突的位,。因此,，在該算法中，標簽返回信號的編碼方式使用了Manchester編碼,。在Manchester編碼方式中,，每個信號位中間引入跳變來同時代表不同的數(shù)值和同步信息。一個負電平到正電平的跳變代表邏輯“0”，而一個正電平到負電平的跳變則代表邏輯“1”,。在數(shù)據(jù)傳輸過程中,，“沒有變化”的狀態(tài)是不允許的。因此,，當(dāng)一個讀寫器收到標簽的返回信號后,，如果發(fā)現(xiàn)某些位信號的狀態(tài)沒有發(fā)生改變，那么讀寫器就能夠判斷這些位一定發(fā)生了沖突,。Manchester編碼原理如圖6所示,。

圖6中有兩個標簽同時處于讀寫器的讀寫范圍內(nèi)。當(dāng)讀寫器發(fā)送讀標簽命令時,，兩個標簽都返回它們的識別碼給讀寫器。從圖中可以看出,，標簽1識別碼的第5位和第2位的值分別是邏輯“0”和邏輯“1”,，而標簽2的識別碼的第5位和第2位分別是邏輯“1”和邏輯“0”。所以,，當(dāng)讀寫器收到它們的返回信號時,，這兩位的狀態(tài)不會改變，從而讀寫器知道這兩位發(fā)生了沖突,，由此實現(xiàn)多標簽防碰撞,。圖中的虛線表示標簽返回信號中發(fā)生沖突的位。
3．2 多協(xié)議模式分析
在上電后,，首先對TRF7960進行初始化設(shè)置,。為控制TRF7960實現(xiàn)讀／寫卡等操作，首先得明確TRF7960的讀寫時序,。起始條件是CLK為高,，然后發(fā)送8位地址，再在發(fā)送時鐘的下降沿進行數(shù)據(jù)發(fā)送,。當(dāng)CLK為低時,，信號發(fā)送上升沿表示操作已經(jīng)結(jié)束。在TRF7960內(nèi)部有兩個主要配置寄存器：芯片狀態(tài)控制寄存器和ISO控制寄存器,，00h和01h分別是它們的地址,。芯片狀態(tài)寄存器可以控制電源模式、RF輸出開關(guān)等,。ISO控制寄存器則負責(zé)ISO協(xié)議選擇,，它通過設(shè)定參數(shù)protocol，選擇不同的協(xié)議工作方式,。例如當(dāng)protocol為0x01時,，為ISO15693協(xié)議；當(dāng)protocol為0x02時,，為ISO14443A協(xié)議,；當(dāng)protocol為0x03時,，為ISO14443B協(xié)議。根據(jù)指定協(xié)議進行相應(yīng)的讀寫操作,，在設(shè)定時間內(nèi),，若有FIFO中斷或發(fā)送結(jié)束中斷產(chǎn)生，則采集數(shù)據(jù)并保存,。這樣就實現(xiàn)了多協(xié)議,、防碰撞多標簽RFID讀寫器系統(tǒng)。