Blackfin处理器能够实现高级RFID阅读器应用

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启动新的应用。在RFID前端，"信号链"从有效装置上的小标志开始，然后将信息传送给一个或多个RFID阅读器，当标志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志数据库，要么产生警报，要么在企业内开始其它的信息处理。

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。在本文中，我们将介绍如何用美国模拟器件公司（Analog Devices, Inc., 简称ADI)的Blackfin处理器系列中的一颗单片处理器来管理这些似乎完全不同的功能--信号转换和网络连接。

首先，我们给出RFID技术的概述，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，我们将研究运行在RFID阅读器上和服务器连接所需要的基本软件组成。

当今应用和新兴应用

RFID技术允许同时监视多个物品，无需人工去"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的应用范围包括许多不同的领域，例如控制管理、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，让食品可见，并且对货架货物进行更好的管理。利用对标志写入能力，可以包括附加的信息（例如，最迟销售日期）。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志条来识别，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。利用标志上的识别码（ID），可以鉴定出该商品是正品还是赝品。

在制药业中谨防假药。 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标志（也称为应答器）。总系统用一个标志阅读器接收每个标志的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，收藏标志数据库和其它相关信息。

RFID阅读器

RFID阅读器提供各标志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，可以采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从当货物从点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，用来与标志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处理的情况就是在有效区域内同时存在多个标志。这对于在限定的空间区域内存在多个标志的应用中变得非常重要。

在多个阅读器和标志的情况中的主要问题是会发生冲突，因为多个阅读器发出查询，所以会有多个标志同时应答。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，而标志可以设置在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（"标志"）

一个RFID标志包括一片集成电路（IC）芯片（用于保持标附该标志物品的唯一信息），一根天线（通常是印制电路天线）（用于接收来自阅读器的RF信息并且发送信息），以及含有标志的某种外壳。

术语"对象"可用于许多不同的客体中的某个成员，从工厂的货物到动物以及人。标志到阅读器的距离是一个很重要的系统变量，它直接受该标志技术的影响。

下面我们来看看现在常用的各种标志技术：

无源标志

最简单的标志类型是无源标志。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。因此无源标志非常便宜，机械鲁棒性好，而且外形尺寸非常小（例如，大约为拇指甲大小）。但是，因为无源标志的接收功率与它到RFID阅读器的物理距离成比例，所以这类标志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）标志通常采用125 kHz～135 kHz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志。高频（HF）标志主要工作在13.56 MHz频段，允许的工作范围大约为一英尺或两英尺。HF标志的主要用途是简单的一对一的对象读取，例如访问控制、收费以及跟踪物品，例如图书馆的书籍。

另一方面，甚高频（UHF）标志主要工作在850～950 MHz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标志，而与一对一的HF标志读取过程不同。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标志在工业应用中很普遍，用于库存跟踪和控制。但是UHF标志的一个主要缺点是不能有效地渗透到液体。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标志来代替。

半有源标志

像无源标志一样（而且与有源标志不一样），半有源标志将RF能量反回到标志阅读器来发送标识信息。但是，它还包含一块电池为标志中的IC部分供电。这样就可以支持一些有吸引力的应用，例如在每个标志中放置传感器。采用这种方法，每个应答器不仅可以发送静态的标识数据，而且还可以发送一些实时的属性，例如温度、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，半有源标志能够实现在成本、尺寸和范围之间的折衷。

有源标志

有源标志采用集成电池为标志IC（以及所有的传感器）和RF发射器供电，所以它比半有源标志更进了一步。因此，有源标志的工作范围扩展了很大（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志系统中的速度高得多。另外，有源标志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

前面已经描述了RFID阅读器基本功能，下面我们转过来看看如何用Blackfin这样的会聚处理器实现一个阅读器。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，以及前端标志阅读器算法。值得指出的是，虽然软件体系结构的各单元是很清晰的，它们都可以同时运行在一个单片的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，这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。像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数据过滤越来越多，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，例如Blackfin处理器。

既然我们已经对RFID系统的各单元有了总体的认识，下面就从RFID阅读器的角度简单地看一下连接的问题。为了与标志通信，ADC和DAC是关键的接口。

ADC和DAC

ADI公司提供若干种IF子系统MxFE IC，这些器件是通用的IF子系统，用于数字化窄带的IF输入信号。它们还包括低噪声放大器、混频器、模数转换器、AGC电路以及可编程滤波器。正交（I&Q）数据流输出直接连接到处理器的并行端口。这些MxFE IC提供最高性能的窄带接收器，非常适合RFID应用以及其它应用。

另外，Blackfin处理器包括一个并行的外围接口（PPI），可以直接连接上述的ADC/DAC。有些Blackfin处理器包括两个PPI，可以进一步扩展系统的功能--例如，将一台摄像机连接到RFID阅读器

另外， Blackfin处理器的这些功能使得它对于一维和二维的条形码应用特别有吸引力，因为Blackfin能在同一器件上完成系统控制、网络连接和图像处理。

从Blackfin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，以及CompactFlash卡接口等，可以迅速与Blackfin器件集成到一起。欲了解更多信息，参见: http://blackfin.uclinux.org。

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系列会聚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。