通用高频RFID终端的设计

操作系统

第３０卷第６期

２０ｌＯ年１２月杭州电子科技大学学报Ｊｏｕｒｎａｌ０ｆＨｍＩ癣ｈｏｕＩ）ｉａａｌｉＶ０１．３０．Ｎｏ．６Ｄｅｃ．２０ｌＯＵｎｌｖｍｉｔｙ

通用高频ＲＦＩＤ终端的设计

蔡鹏鹏，孙玲玲，汪大卓

（杭州电子科技大学射频电路与系统教育部重点实验室，浙江杭州３１００１８）

摘要：该文介绍了一种通用高频ＲＦＩＤ终端的设计方法。给出总体框架图之后，分析了核心的

ＲＦＩＤ读卡模块的硬件设计，并对关键指标进行了计算。软件部分提出采用实时操作系统的方法

后，选择了适合该设计的ＲＴ．Ｔｈｒｅａｄ实时操作系统完成软件分层、数据流规范的工作。该文同时给

出了一种以太网数据格式的示例。最后对系统整体进行了参数测试，并在实际工程中应用了该设

计方法。

关键词：电路与系统；高频射频识别；模块化设计；实时线程操作系统

中图分类号：Ｔｉｔ２４９文献标识码：Ａ文章编号：１００１～９１４６（２０ｌＯ）０６一Ｏ００９—０４

０引言

Ｅｔ常生活和生产中最常见的ＲＦＩＤ技术是高频ＲＦＩＤ技术的应用，如公交ＩＣ卡、二代身份证、数字门票等均是采用了高频ＲＦＩＤ技术…。但是目前国内外的高频ＲＦＩＤ均必须通过专门的方法进行定制，每一个应用都必须从硬件到软件进行大的改动。因此，设计一个用于高频ＲＦＩＤ的读卡器，并使其具有易二次开发的特性显得十分有意义。本设计给ＲＣ５２２添加以太网作为接口设备，辅助以无线网络进行通信，以达到通信通路的通用性。并规范以太网、无线网络的信息包及采用实时操作系统使ＲＦＩＤ终端具有通用性的特点。上层软件只需要根据给定的数据协议即可操作ＲＦＩＤ读卡器，可以将上层软件的开发和底层硬件开发分离开来，开发实际项目时能将更多的注意力放在完善应用软件和数据库上，以此提高开发效率。

１硬件结构设计

为了达到通用性的目的，本设计使用模块化的电路设计方法，即将整体的读卡设备分为各个子功能的小模块，以便在不同应用需求的环境下进行配置变更。总体可以分为：（１）读卡模块；（２）以太网通信模块；（３）无线通信模块；（４）主控单元及ＬＣＤ显示屏。系统框图如图１所示：

图１系统总体框图

收稿Ｐ期：２０１０—０９—３０作者：奇介：蔡鹏鹏（１９８６一），男，浙江温州人，在读研究生，电子信息系统集成．

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１０杭州电子科技大学学报２０１０年

本系统的主控芯片是采用ＡＲＭ核心Ｃｏｔｅｘ—Ｍ３的ＳＴＭ３２Ｆ１０３ＺＥＴ６。读卡模块使用ＮＸＰ公司生产的符合ＩＳＯ／ＩＥＣ１４４４３Ａ［２１协议的控制芯片ＭＦＲＣ５２２。使用该芯片可以在外加极少元件的情况下，得到一个稳定的ＲＦＩＤ读卡模块，这一读卡模块通过１２ｃ总线与主控单元进行通信。无线模块采用ｒ１１公司的ＣＣｌｌ０１芯片，该芯片可以工作于３１５／４３３／８６８／９１５ＭＨｚ［３】，在这个系统中将其工作频段配置为４３３ＭＨｚ。以太网模块采用Ｄａｖｉｃｏｍ公司的ＤＭ９０００Ａ。ＤＭ９０００Ａ是ＰＨＹ层驱动芯片，符合ＩＥＥＥ８０２．３ｘ规范要求，全双工工作于ＩＯ／ＩＯＯＭ带宽。以上模块在必要时，可以将单独一个模块卸下，更换成另外的模块，只需要在操作系统中的驱动部分进行更改即可。这里简要对核心的ＲＦＩＤ读卡模块进行分析卜１，如图２所示：

图２ＲｎＤ读卡模块电路图

ＭＦＲＣ５２２通过ＴＸｌ和ＴＸ２管脚提供信号输出，并提供能量驱动天线工作。２７．１２ＭＨｚ的晶体振荡器与两个１５ｐＦ的电容构成ＭＦＲＣ５２２的本地振荡器，经过ＭＦＲＣ５２２内部二分频以后得到１３．５６ＭＨｚ的载波频率。通过主控电路对ＭＦＲＣ５２２进行配置以后，ＭＦＲＣ５２２将根据寄存器的配置信息对发射数据进行基带编码与调制，然后使用本地振荡器进行上变频，进而通过ＴＸｌ和ＴＸ２管脚驱动天线发射信号。其中Ｌ０、ｃＯ、ｃｌ组成的串联谐振电路的振荡频率为：ｆ＝１／（２－ｒｒ、厄玎丽而＝１３．５６ＭＨｚ（１）

该频率即为高频ＲＦＩＤ的工作频段。ＲＦＩＤ标签在收到读卡模块的发射信号以后，通过射频场的负载调制进行响应。天线绕组本身的电感与Ｃ２ａ、Ｃ２ｂ构成接收的谐振网络，对ＲＦＩＤ标签的回波进行选频接收。读卡模块的天线拾取信号后，经过Ｃ３、Ｒｌ组成的天线匹配电路送到ＲＸ管脚。ＭＦＲＣ５２２内部接收器对信号进行检测和解调并根据寄存器的设定对信号进行处理。最后数据通过通信接口由微控制器进行读取。

２软件结构设计

本系统的软件设计要点：一个是采用了实时操作系统，需要合理划分设备驱动层与应用层的代码结构，以实现系统面向应用的通用性，而不必由于硬件的更改重写大部分代码；另一个则是设计一套Ｓｏｃｋ．ｅｔ的通售规范，实现板极开发与数据库开发相分离的通用性设计。

２．１实时操作系统ＲＴ．ＴｈｒｅａｄＲＴ一７Ｆｈｒｅａｄ是一款国内的开源实时操作系统，由非盈利的专业人员开发维护‘５１。ＲＴ—Ｔｈｒｅａｄ有

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第６期蔡鹏鹏等：通用高频ＲＦＩＤ终端的设计

ＳＴＭ３２系列ＡＲＭ处理器上的移植分支。对应用开发来说，ＲＴ—Ｔｈｒｅａｄ具有一个稳定的全抢占式的实时操作系统内核；另外ＲＴ．Ｔｈｒｅａｄ的０．３．Ｏ版本内嵌ＬｗｌＰ协议，可以直接使用ＢＳＰＳｏｃｋｅｔ套接字进行ＴＣＰ／ＩＰ开发。

采用了ＲＴ—Ｔｈｒｅａｄ之后，系统的软件功能实现就可以分层了，这里以以太网Ｓｏｃｋｅｔ客户端应用功能的分层实现为例简单说明，分层结构如图３所示：

应用处理层

（ＰＲ叮ｒ０ＣＯＬ．Ｈ、ＰＲＯ“）【＝０Ｌ．Ｃ）

协议实现层

（ＩＪＩＰ．ＩＩ、ＬｗＩＰ．Ｃ、ＳＯＣＫＥＴ．Ｉ＇１、ＳＯＣＫＩＦｆ．Ｃ）

设备驱动层

（ＤＭ９０００＾．¨、删９０００＾．Ｃ）

盯－Ｔｈｒｅａｄ内核

（０．３．Ｏ版本）

图３系统的软件分层结构

这里的最底层是实时操作系统的内核，已经由所选择的操作系统给定。

设备驱动层是联系硬件与上层标准协议实现、应用代码开发的纽带，这一层用于硬件的代码封装，使不同的硬件可以由同样或者相近的接口进行控制与通信。因而改变硬件模块时，只需要改变这一层内相应的驱动代码。协议实现层用于系统的标准化编程，即对于已经有规范的协议，如ＴＣＰ／ＩＰ协议族，可以在这一层进行代码封装，则对于上一层的应用处理层来说，能够直接使用协议规定的标准函数进行代码编写。应用处理层则是处理用户自定义应用的分层，所有逻辑判断，如输入状态判断和控制状态改变等都在这一层实现。

２．２通用终端Ｓｏｃｋｅｔ通信规范

通用终端Ｓｏｃｋｅｔ通信规范是指通过Ｓｏｃｋｅｔ传输的数据流所具有的，适应通用ＲＦＩＤ终端数据的一套自定义通信格式。

本系统是一个通用的高频ＲＦＩＤ终端，传输数据方向分为出终端与入终端两种。出终端的数据包含ＲＦＩＤ标签号及终端状态，这里将这两种信息统称为读卡信息（ＣａｒｄＩｎｆｏ）；入终端的数据则可以有多种，主要由应用环境对应的数据库来决定，一般为标签号对应的用户ＩＤ、用户姓名、通知信息、状态改变中的一个或几个的组合，这里将这一部分的信息统称为返回信息（ＢａｃｋＩｎｆｏ）。数据帧格式如表１所示：

表１终端数据帧格式

ＳＯＦ：数据帧头，这里定义其值ＳＯＦ＝０ｘＡＡ，表示一段数据流的开始。

ＬＥＮＧＴＨ：帧长度，其值为数据帧中除去最末ＣＲＣｌ６的两个字节以外的数据帧字节数（包括ＬＥＮＧＴＨ自身两个字节）。

ＣＭＤ：控制命令字，根据应用的要求赋予不同值以不同意义。例如，当入终端数据帧的ＣＭＤ＝０ｘ０１时，表示整个数据帧是对一个ＲＦＩＤ标签号的数据库查询请求的空响应，该空响应表示读卡终端读取的ＲＦＩＤ标签号未在数据库中登记。

Ｉｎｆｏ：信息，当数据帧为出终端数据帧时，Ｉｎｆｏ即为ＣａｒｄＩｎｆｏ；当数据帧为人终端数据帧时，Ｉｎｆｏ即为

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１２杭州电子科技大学学报２０ｌＯ年ＢａｃｋＩｎｆｏ。这里的Ｉｎｆｏ是某一命令或者响应的参数，如上面的例子，一个错误响应有时候需要一些提示，如“ＲＦＩＤ标签未登记，请在数据库中加入该标签”。这时候的提示就可以放在Ｉｎｆｏ中进行传输。

ＣＲＣｌ６：１６位ＣＲＣ校验码，对以上几个部分的数据进行ＣＲＣ计算之后得到的校验码，便于终端和数据库进行数据正确性检测，以应对可能的通信数据错误。

通过给固定的数据段值以固定意义，可以快速地根据应用环境需要调整终端的功能。

３结束语

采用硬件模块化与软件分层的方法，设计了一种通用高频ＲＦＩＤ终端，该终端支持ＩＳＯ／ＩＥＣ１４４４３Ａ协议的高频ＲＦＩＤ标签，无线通信的有效距离为５０ｍ，有效读卡距离达到５ｅｒａ，以太网接口速度在ｎｅｔｉｏ测试下达到平均接收６４５ｋＢｙｔｅ／ｓ、平均发送９６０ｋＢｙｔｅ／ｓ的速度，一个有线节点最大可以支持２０个无线节点。系统参数可以满足大多数的应用要求。使用这种结构的高频ＲＦＩＤ终端，已经成功在一个实际项目中应用。

参考文献

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Ｐｈｙｓｉｃａｌｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ［ＥＢ／ＯＬ］．ｈｔｔｐ：／／ｗｅｂｓｔｏｒｅ．ｉｅｃ．ｃｈ／ｐｒｅｖｉｅｗ／ｉｎｆｏ＿ｉｓｏｉｅｅｌ４４４３一１％７Ｂｅｄ２．０％７Ｄｅｎ．ｐａ．２０１０一０４—２２．

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ＴｈｅＤｅｓｉｇｎｏｆａＧｅｎｅｒａｌＨＦＲＦＩＤＲｅａｄｅｒ

ＣＡＩＰｅｎｇ－ｐｅｎｇ，ＳＵＮＬｉｎｇ－ｌｉｎｇ，ＷＡＮＧＤａ－ｚｈｕｏ

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Ｈａｎｇｚｈｏｕ

Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｅｐａｐｅｒｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓａＺｈ啦ｎｇ３１００１８，Ｃｈｉｎａ）ａｍｅｔｈｏｄｔｈａｔｂｕｉｌｄｕｐｇｅｎｅｒａｌＨＦＲＦＩＤｒｅａｄｅｒｗｈｉｃｈｃｏｕｌｄｂｅｅａｓｉｌｙｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｄａｎｄｕｓｅｄｉｎｒｅａｌｐｒｏｊｅｃｔ．Ａｆｔｅｒｂｒｉｅｆｌｙｄｅｓｃｒｉｂｉｎｇｒｅａｄｅｒｍｏｄｕｌｅ，ｔｈｅｐａｐｅｒｃｏｍｅｓｉｎｔｏｄｉｓｃｕｓｓｉｎｇｉｓｓｕｅｓｏｆｇｅｎｅｒａｌｄｅｓｉｇｎｂｙｕｓｉｎｇｒｅａｌｔｉｍｅｏｐｅｒａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍ，ｄｉｖｉｄｉｎｇ

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通用高频RFID终端的设计

作者：

作者单位：

刊名：

英文刊名：

年，卷(期)：蔡鹏鹏， 孙玲玲， 汪大卓， CAI Peng-peng， SUN Ling-ling， WANG Da-zhuo杭州电子科技大学射频电路与系统教育部重点实验室,浙江,杭州,310018杭州电子科技大学学报JOURNAL OF HANGZHOU DIANZI UNIVERSITY2010,30(6)

参考文献(5条)

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本文链接：/Periodical_hzdzgyxyxb201006003.aspx

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/36jq.html