高级RFID阅读器应用对处理器的要求

射频识别（rfid）技术平稳地渗透到我们日常生活的许多方面。从超市的库存管理到快速收款，这项技术正改变着许多现有的应用并支持新的应用。在rfid前端，“信号链”从有效装置上的小标签开始，将信息传送给一个或多个rfid阅读器，当标签出现在特定的区域内时，阅读器检测。在rfid后端，基于服务器的系统保持并更新标签数据库。rfid系统框图如图1所示。
　　当今，大多数rfid阅读器都采用多个处理器来满足应用需求。通常其中一个是连接模数转换器（adc）和数模转换器（dac）的信号处理器。另一个是与本地或者远程服务器通信的网络处理器，用于信息存储和恢复。但blackfin系列等处理器能够管理这些不同的功能--信号转换和网络连接。

　　图1 rfid系统框图
　
　　本文首先介绍了rfid技术以及它能支持的当前和未来的应用。然后，针对rfid阅读器的功能，本文将研究运行在rfid阅读器和服务器连接所需要的基本软件组成。
　　rfid系统概述
　　rfid是一种采用射频 （rf）传输识别代码、分类代码和（或）跟踪目标的通信系统。每个目标都有自己的rfid标签（也称为应答器）。总系统用一个标签阅读器接收每个标签的rf信号。阅读器的嵌入式软件管理查询、接收标签信息的解码和处理以及与存储系统通信、收藏标签数据库和其他相关信息。
　　rfid的应用
　　rfid技术允许同时监测多个物品，无须人们去“接触”每件物品（例如，用一个手持的条形码扫描仪），所以它能支持许多新型应用。能够利用这种自动识别技术的应用覆盖了许多不同的领域，如控制管理、后勤管理、安全监控和通行收费等。下面是现在采用rfid系统的一些常见应用。
　　● 在超市食品货架和包装箱中，利用标签写入能力（可以包括附加的信息，如最迟销售日期）让食品可见，并对货架货物进行更好的管理。另外，还可以实现自动重新排列来保持货架上正确的存货顺序。
　　● 在图书馆中自动管理资料的借出与归还。过去，这些物品都是采用标签条来识别，每次都必须用条形码扫描仪来读取。
　　● 在衣服商标上鉴定其商品来源。利用标签上的识别码（id），可以鉴定出该商品是正品还是仿冒品。
　　● 在制药业中严防假药。
　　● 在体育竞赛中，精确地跟踪马拉松赛跑运动员的进程。
　　rfid阅读器
　　rfid阅读器提供各标签和终端跟踪与管理系统之间的连接。它虽然可以采用各种不同尺寸的封装，但通常都很小以便安装在三角架或墙上。另外，根据不同的应用和工作条件，可以使用多个阅读器以便完全覆盖规定的区域。例如，在仓库中，可能有一个覆盖的网络才能保证当货物从点a移动到点b时，所有通过的货物能够有100%的查询和记录。
　　总之，阅读器的功能有三个主要的组成部分。第一部分是发送和接收功能，用来与标签和分离的单个物品保持联系；第二部分是对接收信息进行初始化处理；第三部分是链接服务器，用来将信息传送到管理机构。
　　rfid系统中的阅读器必须能够处理在有效区域内同时存在多个标签的情况，这在限定的空间区域内存在多个标签的应用中非常重要。
　　在存在多个阅读器和标签的情况下，主要问题是会发生冲突，因为多个阅读器发出查询，也会有多个标签同时应答。有许多方法可以避免这个问题。最常用的方法就是采用某种时分复用算法。阅读器可以设置在不同的时间查询，而标签可以设置为经过一个随机的时间间隔后应答。如果嵌入式软件中具有实现此功能的能力，那么可以增加灵活性。
　　rfid应答器
　　一个rfid标签包括一片集成电路芯片（用于保存该标签所在物品的个体信息）、一根天线（通常是印制电路天线，用于接收来自阅读器的rf信息并发送信息）和含有标签的某种外壳。
　　使用rfid标签的可以是许多不同的物体，从各类物品到动物，也包括人。标签到阅读器的距离是一个很重要的系统变量，它直接受该标签技术的影响。常用的各种标签技术有以下几种。
　　1 无源标签
　　最简单的标签类型是无源标签。它专门利用阅读器发送的rf能量来供电，所以它没有集成电池的尺寸和成本问题。无源标签非常便宜，机械鲁棒性好，而且外形尺寸非常小（约为指甲大小）。但是，因为无源标签的接收功率与它到rfid阅读器的物理距离成比例，所以这类标签的缺点是其阅读范围有限。
　　说到范围，选用的rf频率与链接的实际范围有很大关系。低频（lf）标签通常采用125～135khz频段，因为它们的范围受到限制，所以其主要用途就是访问控制和动物标签。高频（hf）标签主要工作在13.56mhz频段，允许的工作范围大约为一英尺或两英尺。hf标签的主要用途是简单的一对一的对象读取，如访问控制、收费以及跟踪图书馆的书籍等物品。
　　超高频（uhf）标签主要工作在850～950mhz频段，允许10 英尺甚至更远的工作范围。此外，阅读器可以同时查询许多uhf标签，与一对一的hf标签读取过程不同。这个特点也有助于满足在限定区域内多个阅读器的需求。因为这项功能，uhf标签在工业应用中很普遍，用于库存跟踪和控制。但是uhf标签的一个主要缺点是不能有效地穿透液体。这使得它们不能用于充满液体的对象，例如饮料和人体。在跟踪这些对象时，通常采用hf标签来代替。
　　2 半有源标签
　　像无源标签一样，半有源标签将rf能量返回到标签阅读器来发送标识信息。但是，它还包含一块电池为标签中的ic部分供电，这样就可以支持一些有趣的应用，如在每个标签中放置传感器。采用这种方法，每个应答器不仅可以发送静态的标识数据，还可以发送一些实时的属性，如温度、湿度以及时间和日期。通过采用仅仅为ic和传感器供电的电池，半有源标签能够实现在成本、尺寸和范围之间的折中。
　　3 有源标签
　　有源标签采用集成电池为标签ic（以及所有的传感器）和rf发射器供电，所以它比半有源标签更进了一步。有源标签的工作范围扩展了很大（达到100多米），这就意味着货物通过阅读器的速度可以比无源和半有源标签系统中的速度高得多。另外，有源标签可以携带更多的产品信息，不仅仅是一个简单的产品id码。
　　rfid阅读器的软件体系结构
　　以上介绍的是rfid阅读器的基本功能，下面将探讨如何用一个处理器来实现这些功能。rfid阅读器软件体系结构的三个单元是：后端服务器接口、中间件和前端标签阅读器算法。虽然软件体系结构的各单元各不相同，它们都可以同时运行在一个blackfin处理器上。
　　后端服务器及连接
　　通常，rfid阅读器包括一个网络单元，用于将一个rfid读取事件连接到中心服务器。这种后端网络接口可能是有线以太网（ieee802.3）、无线以太网（ieee802.11a/b/g）或者例如zigbee（ieee802.15.5）以太网。中心服务器运行一个数据库系统，其功能包括匹配、跟踪和存储。在许多应用中，还会有一个“报警”功能。对于供应链和库存管理系统，这可能是重新排列提醒；对于安全应用则是一次向警卫的报警。
　　当与后端服务器通信时，利用运行uclinux操作系统的高性能嵌入式处理器来构建阅读器具有极大的优势。tcp/ip协议栈的鲁棒性和sql数据库引擎的可用性等关键因素降低了开发过程中可能很巨大的开发和集成负担。
　　中间件
　　在rfid各单元中，中间件是介于前端rfid阅读器和后端企业系统之间的软件翻译层。中间件过滤阅读器的数据，从而保证没有多次读取或无效的数据。在早期的rfid系统中，中间件运行在服务器上。但是在阅读器完成rfid数据过滤越来越普遍，在发送数据之前通过企业网络。这种增强的功能是嵌入式处理器带给这种应用的另外一个好处。
　　前端阅读器
　　信号处理放在阅读器系统的前端。这种信号处理通常都包含大量的滤波和变换运算，这就是为什么必需采用具有很强的信号处理性能的处理器的原因。
　　用于rfid阅读器的处理器
　　blackfin处理器提供有线和无线网络的连接。adsp-bf536/7等处理器的芯片内有一个10/100baset的以太网mac子层。在无线方面，可以通过spi和sport外围设备接口直接连接到802.15.4 zigbee和ieee 802.11芯片组，无须消耗全部的处理器带宽就可以达到传输线速率。
　　处理器的并行外围接口（ppi）可以直接连接上述的adc/dac。有些处理器包括两个ppi，可以进一步扩展系统的功能。
　　另外，处理器的上述功能使得它对于一维和二维的条形码应用特别有吸引力，因其能在同一器件上完成系统控制、网络连接和图像处理。
　　从处理器软件的角度看，rfid阅读器产品包括连接到混合信号前端所必需的驱动程序。另外，有一个dma驱动器在传送数据通过系统时也是非常有用的。此外还有基于uclinux操作系统的网络协议栈以及sql数据库引擎。从系统的角度看，附加的功能，例如802.11 wifi卡、usb thumb drive和compactflash卡接口等，可以迅速与blackfin器件集成到一起。
　　结论
　　正如我们所看到的，rfid应用不再需要专用的信号处理器用于adc和dac连接，以及用微控制器进行网络连接。blackfin系列等处理器可以同时完成网络连接和控制功能，为完成转换器连接和模式匹配算法留有足够的性能余地。这样也降低了下一代rfid应用的材料成本并且加快了产品面市时间。