1. 引 言 

近年來，RFID（無線射頻）技術(shù)是正在興起的一項新興的自動識別技術(shù)。RFID 利用射頻方式進行非接觸雙向通信，從而實現(xiàn)對物體的識別，并將采集到的相關信息數(shù)據(jù)通過無線技術(shù)遠程進行傳輸。相較目前廣泛采用的條型碼技術(shù)，RFID 具有讀取距離遠（幾米至幾十米）、穿透能力強（可透過包裝箱直接讀取信息）、抗污染、效率高（可同時處理多個標簽）、信息量大的特點。它的出現(xiàn)給物流和生產(chǎn)方面的工業(yè)應用帶來了革命性的影響[1]。 

正是由于上述原因，本文提出了一種基于ARM 平臺的RFID 系統(tǒng)設計與實現(xiàn)方案，以滿足人們在嵌入式領域?qū)FID 技術(shù)的開發(fā)與應用。 

2. 系統(tǒng)介紹 

2.1 系統(tǒng)硬件設計 
硬件系統(tǒng)框圖：如圖處理器采用現(xiàn)行嵌入式系統(tǒng)中最流行ARM系列，具體采用ATMEL公司的工業(yè)級ARM　芯片。FLASH為4M，采用的芯片是AM，用于存儲LINUX內(nèi)核，RAMDISK和一些系統(tǒng)配置文件和測試數(shù)據(jù)。SDRAM為　M，采用的芯片是MT48LC2M32B2TG-6。網(wǎng)絡接口的物理層芯片采用RTL8201。同時還配有輸入輸出設備，即LCD顯示屏和5×4鍵盤。電源采用穩(wěn)壓模塊輸出穩(wěn)定的電壓，同時設計有單鍵開關和充電電路等方便用戶的功能[2]。 

2.2 系統(tǒng)軟件設計 
我們采用LINUX作為系統(tǒng)的操作系統(tǒng)，給標準LINUX打上支持ARM系列的補丁包后內(nèi)核便提供了對AT91RM9200的支持（我們稱之ARM-LINUX），在ARM-LINUX之下，編寫鍵盤，LCD,網(wǎng)卡，F(xiàn)LASH文件系統(tǒng)的驅(qū)動程序。在ARM-LINUX上編寫一個小型簡潔的GUI(圖形界面用戶接口),使程序更加模塊化，便用上層程序的編寫和以后系統(tǒng)的升級。如圖是軟件系統(tǒng)框架圖。 

3. 硬件電路設計 

3.1 單鍵開關電路設計 
單鍵開關設計必須考慮到以下幾點：一是單鍵開關必須穩(wěn)定，按一次鍵只有一次電源的通或斷；二是電流問題：因為單鍵開關無論是關機的時候還是開機的時候都要使用電源，所以必須保證其電流足夠小，減少電源的損耗。通過查找資料，我們設計了以下電路（圖3）： 

該電路的工作原理是：Q8（2N7000）,Q7(IRF8540)分別為N溝道和P溝道場效應管，其開啟電壓（GS之間的電壓）分別為3V和－2V，當BP17放開的時候，Q8的GS之間電壓很小，Q8截止，D端電流很小，所以R11上的壓降很小，Q7的GS端之間的電壓很小，Q7同樣截止，所以沒有電壓輸出。BP17閉合時，R11,BP17,R21,C69形成回路，電源對C69充電，當C69的電壓上升到大約3V時，Q8導通，Q8上D級電流增大，R11上的壓降增大，Q7導通，由于Q7導通后的阻抗很小，所以電源類似于接通，對C69繼續(xù)充電，直到達到電源電壓。當再次按下BP17時，C69通過開關放電，電壓降低，當降到3V以下時Q8截止，同時Q7也截至，開關關閉。此系統(tǒng)在Q7,Q8沒有導通前，MOS管的阻抗很大，所以功耗電流很小。

3.2 充電電路設計
充電電路可以為用戶提供很大的方便。一般情況充電電路需要達到的要求是：必須保證電池充電時不過充；充電時間不能太短，但同時也要保證充電電流不能太大；有充電指示。根據(jù)上面以上要求，我們設計了以下電路　

該電路的工作原理是：LM7812是一個穩(wěn)壓模塊，為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的9V電壓。LM555是一個觸發(fā)器，管腿二和管腿六是觸發(fā)端，管腿五是參考電壓，當管腿二的電壓小于管腿五和管腿六的三分之一電壓小于管腿五的時候，管腿三輸出0V；當管腿二的電壓小于管腿五但管腿五的電壓大于管腿六的三分之一電壓的時候，管腿三輸出VCC；當管腿二的電壓大于管腿五時候，管腿三輸出0V。當該系統(tǒng)上電但沒有放充電電池的時候，滿足上述條件一，所以管腿三輸出0V，二極管不亮；當把待充電池接在VCC端的時候，通過C45濾波（防止干擾脈沖）的采集電壓傳送到管腿二和管腿六，因為電池本身有電壓，所以這個時候滿足上述條件二，管腿三輸出9V開始充電，發(fā)光二極管變亮；當充電完畢，電池達到指定電壓時，滿足上述條件三，管腿三輸出0V，充電結(jié)束，發(fā)光二極管熄滅。綜上所述，只要參考電壓足夠精確，就不會造成電池過充現(xiàn)象。同時充電電壓能夠達到9V，所以調(diào)節(jié)R52完全可以在充電電流和充電時間上進行權(quán)衡。所以此電路可以達到上述要求。 

3.3 PROTEL 電路設計和電路板布線的基本流程 
原理圖部分：建立自己的元件庫。因為并不是所有的元件在PROTEL的元件庫中都存在，一般要根據(jù)自己實際所用的芯片建立自己的元件庫。繪制原理圖。當器件比較多的時候，可以采用層次設的方法。分模塊對系統(tǒng)進行設計，這樣可以使系統(tǒng)更加清晰，降低錯誤的可能性。原理圖畫好后，利用其自動編號功能對器件進行編號。PCB板部分.建立自己的封裝庫，同元件庫一樣，有時候必須建立自己的封裝庫，在畫封裝的時候，要嚴格按照芯片公司的資料繪制。為每一個元件設置封裝。用向?qū)Мa(chǎn)生PCB文件，定義好電路板的層數(shù)和邊界。利用設計同步器將器件導入到PCB中。根據(jù)具體的工藝設計好規(guī)則，如過孔大小，最小線寬。按照易于布線的原則對元件進行布局布線，在布線的時候要遵循一些原則。檢查錯誤。 

4. 系統(tǒng)軟件設計 

4.1 LINUX 在AT91RM9200 上的移植 
AT91RM9200兩種啟動方式：1.其內(nèi)部存儲器地址為0x00100000－0x001FFFFF的部分存在一段啟動程序，如果選擇這種啟動模式在啟動時，0x00100000－0x001FFFFF部分的地址被映射到0x00000000，CPU運行這段程序，這段程序會往CPU的調(diào)試串口（或者是USB口）不停的發(fā)字符“C”，同時提供小于12K程序的串口(利用XMODEM協(xié)議)下載功能。2.可以直接從外部存儲器啟動，主要是連接在SPI(串行外部設備接口)和NCS0（CPU上的一個管腿，是EBI即外部總線接口的一部分，用于外部存儲器的尋址）上的SPI DataFlash，Two-wire EEPROM和連接在NCS0上的8比特并行存儲器。 

根據(jù)CPU的啟動方式，我們可以這樣設計移植過程及系統(tǒng)的啟動方式。在系統(tǒng)移植階段，我們應用啟動方式1，通過其下載功能下載一個小于12K的程序(實際使用的程序為Loader,是開放源碼的軟件，可以在網(wǎng)上下載到)到SDRAM并運行，該程序可以提供大于12K的串口下載功能，用這個程序下載一個更大的程序到SDRAM中，而這個程序可以提供類似于PC機上BIOS的功能（實際使用的是U-BOOT，是開放源碼的軟件，可以在網(wǎng)上下載到），其功能主要有：LINUX系統(tǒng)引導，網(wǎng)卡驅(qū)動，TFTP下載功能，SDRAM和FLASH之間的讀寫功能。 

通過其TFTP下載功能下載內(nèi)核到SDRAM，引導操作系統(tǒng)并進行測試。如果操作系統(tǒng)測試工作無誤后，可以應用U-BOOT的寫FLASH功能把U-BOOT和LINUX內(nèi)核寫到FLASH中，在應用程序開發(fā)階段應用CPU的啟動方式2，直接從FLASH啟動。這種方法的優(yōu)勢是：在內(nèi)核下載的時候，提供了TFTP下載功能，加快了速度。在應用程序開發(fā)階段，因為內(nèi)核（還有后面的RAMDISK）都是固化在FLASH中，可以省去其下載過程，同樣也可以節(jié)省時間[3]。 

移植過程大致可分為以下幾個步驟：配置用戶環(huán)境及交叉編譯環(huán)境；編譯Loader和UBoot，其中要在UBoot中修改網(wǎng)卡驅(qū)動；3.配置Linux內(nèi)核；4.制作ramdisk文件系統(tǒng)，并根據(jù)實際系統(tǒng)進行修改；5.移植Busybox；6.JFFS2文件系統(tǒng)的移植。在Linux內(nèi)核中已經(jīng)包含了MTD和JFFS2文件系統(tǒng)的驅(qū)動程序，但是必須針對具體的系統(tǒng)編寫驅(qū)動程序。具體步驟如下：1）由于ROM設備和MTDBlock設備的主設備號（major）都是31，所以如果你不想把JFFS2作為根文件系統(tǒng)的話，必須修改他們之一的major。2)編寫驅(qū)動程序：編寫讀，寫，復制接口（這些接口將被MTD驅(qū)動程序調(diào)用，提供給上層軟件的讀寫復制功能），定義map_info結(jié)構(gòu)體，以便MTD能夠從這個結(jié)構(gòu)體中得到讀寫函數(shù)的指針,最后還要定義FLASH的分區(qū)表。根據(jù)系統(tǒng)的設計，我們把4M的FLASH分成四個區(qū)，第一個分區(qū)用來保存UBOOT及其參數(shù)；第二個分區(qū)用來保存LINUX內(nèi)核；第三個分區(qū)用來保存RAMDISK；最后一個分區(qū)用來保存系統(tǒng)參數(shù)和用戶數(shù)據(jù)和測試數(shù)據(jù)。3）修改LINUX的配置文件，把驅(qū)動程序加入到內(nèi)核[4]。 

4.2 LINUX 驅(qū)動程序的編寫 
我們研究字符型設備的驅(qū)動程序的編寫，塊設備驅(qū)動程序跟字符設備驅(qū)動程序的編寫有一定的相似性。 

驅(qū)動程序加載時，內(nèi)核會調(diào)用用戶定義的初始化程序。用戶用init_moudle(function name)標識初始化程序，其中的function name為編寫的初始化函數(shù)的函數(shù)名。用module_exit(function 
name) 標識釋放設備程序，在初始化函數(shù)里驅(qū)動程序必須向操作系統(tǒng)注冊設備，以獲得系統(tǒng)資源和操作系統(tǒng)正確的調(diào)用驅(qū)動程序。在Linux中這個函數(shù)是register_chrdev,在fs/devices.h中其定義為：int register_chrdev(unsigned int major,const char* name,struct file_operation *fops)。 

其中major是為設備向系統(tǒng)申請的主設備號，name驅(qū)動程序給設備定義的名字，fops是接下來要介紹的一個結(jié)構(gòu)體。在卸載的時候需要告知操作系統(tǒng)注銷注冊[5]。 

下面簡要介紹一下file_operation結(jié)構(gòu)體中幾個主要的比較常用的方法。 

1. ssize_t (*read) (struct file *, char *, size_t, loff_t *);用來從設備中讀取數(shù)據(jù)。 
2. ssize_t (*write) (struct file *, const char *, size_t, loff_t *);向設備發(fā)送數(shù)據(jù)。 
3. int (*ioctl) (struct inode *,struct file *,unsigned int,unsigned long);系統(tǒng)調(diào)用ioctl提供了一種 
執(zhí)行設備特定的命令的方法（如格式化軟盤某個磁道，這既不是讀操作也不是寫操作）。 
4. int (*open) (struct inode *, struct file *);始終是對設備文件執(zhí)行的第一個操作。 
5. int (*release) (struct inode *, struct file *);當file 結(jié)構(gòu)被釋放時，將調(diào)用這個操作。 

4.3 RFID 程序的編寫 
本系統(tǒng)采用的RFID 芯片是SONY 生產(chǎn)的RC-S600，它有自己的通信協(xié)議，并支持串口或者USB 口直接連接。這就大大方便了系統(tǒng)的開發(fā)與應用。由于本系統(tǒng)采用的是標準串口連接方式，因此針對應用程序的要求，我們首先要提供一套關于串口的API 接口函數(shù)。 

1． int PortOpen(pportinfo_t pportinfo); 打開串口，返回文件描述符。pportinfo: 待設置的串口信息。 
2． int PortSet(int fdcom, const pportinfo_t pportinfo);設置串口。fdcom: 串口文件描述符，pportinfo： 待設置的串口信息。 
3． void PortClose(int fdcom);關閉串口。fdcom：串口文件描述符。 
4． int PortSend(int fdcom, char *data, int datalen);發(fā)送數(shù)據(jù)。fdcom：串口描述符，data：待發(fā)送數(shù)據(jù)，datalen：數(shù)據(jù)長度。返回實際發(fā)送長度 。 
5． int PortRecv(int fdcom, char *data, int datalen, int baudrate); 接收數(shù)據(jù)。fdcom：串口描述符，data：接收緩沖區(qū)，datalen.：接收長度， baudrate：波特率。返回實際讀入的長度。 

完成了串口通信的基本函數(shù)后，可以通過由串口向RFID芯片發(fā)送命令字進行控制，以下為RC-S600的Command說明：1. Polling Command。從指定了System Code的卡里，取得制造ID（IDm）和制造Parameter（PMm）的指令。2. Diagnose R/W 。RC-S600系列進行自我診斷，取得診斷結(jié)果的指令。3. Turn off RF Power。將RC-S600系列的RF輸出置于Off；4. Check Firmware Version。取得RC-S600系列的Software的版本號；5. Control LED。對連接到RC-S600的LED進行On/Off；6.Communication Thru。對卡發(fā)送1次host指定Command，根據(jù)是否從卡收到Response，向host返回該Card Response Packet；7. Access I/O Register。對RC-S600系列的RF進行初期設定。 

經(jīng)測試，本系統(tǒng)能對所用RFID芯片的指定命令字進行正確讀寫和返回。 

5. 結(jié)論 

本文給出了一種基于ARM 平臺的RFID 系統(tǒng)設計，現(xiàn)已通過實際測試。由于本系統(tǒng)采用的是標準接口設計，這就為以后的多功能開發(fā)平臺提供了理想的硬件環(huán)境。 

參考文獻 
[1] 胡曉娜. RFID 的前景．http://products.rfidchina.org . 2007.6。 
[2] Atmel. Datasheet of AT91RM9200.http://www.atmel.com . 2003.8。 
[3] 杜春雷.ARM 體系結(jié)構(gòu)與編程.北京：清華大學出版社.2003.5。 
[4] 馬忠梅.AT91 系列ARM 核微控制器結(jié)構(gòu)與開發(fā).北京：北京航空航天大學出版社.2003.5。 
[5] 劉淼.嵌入式系統(tǒng)接口設計與Linux 驅(qū)動程序開發(fā).北京：北京航空航天大學出版社.2006.5。