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利用匯聚處理器實現先進RFID閱讀器應用
作者：電子工程專輯
日期：2007-09-26 18:16:30
摘要：從貨品目錄控制到超市的快速驗貨，射頻識別(RFID)正在進入我們生活的各個層面。該技術正在改變目前的許多應用，并創(chuàng)造出更多新興應用模式。
從貨品目錄控制到超市的快速驗貨，射頻識別(RFID)正在進入我們生活的各個層面。該技術正在改變目前的許多應用，并創(chuàng)造出更多新興應用模式。
RFID應用并不需要用于ADC/DAC通訊接口與微控制器的專用訊號處理器。僅需一個傳統(tǒng)的處理器，就可滿足網絡與控制的大量執(zhí)行需求。本文將以ADI公司的Blackfin系列為例，探討利用單一處理器實現上述訊號轉換和網絡連通性功能的可能性。
現有/新興應用
在RFID處理流程的前端，訊號鏈始于對象上的小卷標，該卷標將信息傳遞到一個或更多的RFID閱讀器上，該閱讀器在標簽位于某個特定區(qū)域內時，對卷標進行探測。而在后端，服務器系統(tǒng)維持和更新卷標數據庫，根據企業(yè)的信息處理過程，還可能產生警報訊號和發(fā)出其它信息。
如今，絕大多數閱讀器都采用多處理器來滿足應用的需求。其中一種典型做法是利用一個訊號處理器連接到ADC和DAC。另一個網絡處理器則負責與專用于儲存或恢復數據的本地或遠程服務器進行通訊。
由于RFID技術可同時監(jiān)控多個對象，無需由作業(yè)員來逐一‘掃描’(如利用手持條形碼掃描儀)，因此能實現許多方面的應用。這種自動識別技術的應用領域包括各類貨品控制領域、物流管理、監(jiān)控以及收費系統(tǒng)等。以下列出了目前RFID系統(tǒng)主要應用領域：
1. 超市內的食品架和容器，賦予貨品良好的可見性，并實現了良好的貨物管理。由于具有標簽的可書寫能力，可加入一些附加信息(如最遲銷售日期)。此外，還可實現自動訂購，以確保貨架上有適量的庫存。
2. 在圖書館中實現自動借書和還書。過去這些條目均采用印刷標簽來識別，必須以人工方式用條形碼掃描儀來逐一讀取。
3. 服裝卷標，用來識別出廠信息。而利用電子卷標的識別碼，可自動識別服裝的真?zhèn)巍?nbsp;
4. 在醫(yī)藥產業(yè)中用來遏制假藥。
5. 體育比賽中，如馬拉松比賽，可精確追蹤運動員的進程。
RFID系統(tǒng)概覽
RFID是一套系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用RF傳輸來實現與對象的通訊、識別、分類和/或追蹤。每個對象均有其各自的RFID標簽(即眾所周知的應答器)。系統(tǒng)利用卷標閱讀器來接收來自每個標簽的RF能量。
閱讀器中的嵌入式軟件管理所收到的卷標信息，進行審查、譯碼和處理，并與裝有卷標數據庫和其它相關信息的庫存系統(tǒng)進行通訊。
1. RFID閱讀器
RFID閱讀器提供單個標簽與末端追蹤/管理系統(tǒng)之間的連接。它具有各式各樣的外形，但通常都比較小，能夠安裝在三腳架或墻體上。當然，根據具體應用和工作條件，也許會有許多閱讀器用來覆蓋特定區(qū)域。
例如，在一個倉庫中，將會有一個覆蓋網絡，確保在貨盤通過A點和B點時，能夠100%地檢查并注冊所有通過的貨品。
整體而言，閱讀器的功能包括三個部份。第一是與發(fā)射/接收功能，該功能實現與卷標的通訊并能區(qū)別每個標簽。第二是對所接收的信息進行初始處理。最后則是連接到服務器，服務器則負責將信息鏈接到企業(yè)。
RFID閱讀器必須能同時處理覆蓋區(qū)域中的多個卷標。這對一些在限定空間中具有許多標簽的應用尤其重要。在多閱讀器/標簽應用的主要挑戰(zhàn)是會產生碰撞，這是因為多個閱讀器同時發(fā)出詢問，且多個標簽同時應答。不過有許多方法可解決這個問題。
最常見的方法是利用某種時分多任務算法。閱讀器可設置成分時詢問，標簽可在一個隨機的時間間隔后應答。在嵌入式軟件中實現這一功能可提供更多靈活性。
2. RFID應答器(標簽)
一個RFID標簽包括一枚保有貼附標識對象唯一性信息的IC，一個接收來自閱讀器能量并發(fā)射信息的天線(通常是印刷天線)，以及各類內含卷標的組件。
‘對象’一詞，適用于許多不同的事物，從工廠的貨物到動物乃至于人均包含在內。卷標與天線之間的距離是系統(tǒng)的一種重要可變因素，它受到標簽技術的直接影響。以下將解釋目前廣泛采用的各種標簽技術。
a. 被動標簽
最簡單的卷標是被動卷標。它由閱讀器發(fā)給它的RF能量供電，不會占用空間，且無需額外電池。這使卷標的機械性能更可靠，且體積非常小(約如拇指般大小)。
不過，由于被動標簽的接收功率與它和閱讀器之間的距離呈正比，故缺點是這類標簽與閱讀器之間的距離有限。
談到距離，所選用的RF頻率也對鏈路的實際距離影響甚巨。低頻卷標通常使用125~135kHz頻率，但由于該頻率范圍的限制，其主要用途是門禁控制和動物標簽。高頻(HF)標簽，絕大部份工作在13.56MHz頻段，工作距離大約為一英呎或兩英呎。其主要作用是簡單的逐一識別，如門禁控制，收費或圖書追蹤。另一種是超高頻(UHF)標簽，工作在850~950MHz頻段，工作距離較長，可達10英呎甚至更遠。此外，閱讀器可同時處理許多這類卷標，不像HF卷標只能逐一識別。
該特性還減少了在指定區(qū)域中的閱讀器數量。由于該特性，UHF標簽在業(yè)界得到了非常廣泛的應用，主要用于貨品追蹤與控制。不過，UHF標簽的主要缺點是不能有效地穿透液體。該缺點使其不太適用于處理飲料罐或人體等對象。對于這類應用，通常必需使用HF標簽。
b. 半主動標簽
與被動卷標類似(不像主動卷標)，半主動卷標透過將RF能量反射回標簽閱讀器來傳送識別信息。不過，它需要一個電池為標簽中的IC提供能量。
這種方式可實現某些應用，如在標簽中植入傳感器。于是，每個應答器不僅可以發(fā)送靜態(tài)識別信息，還可以發(fā)送實時信息，如溫度、濕度、時間/日期等。
透過只為IC和傳感器提供電源，半主動標簽可實現成本、尺寸和距離間的折衷。
c. 主動標簽
主動卷標比半主動卷標更先進。它利用一個整合電池，能同時為標簽IC(與傳感器一起)和RF發(fā)射器供電，因此能實現更遠的工作距離(100公尺以上)。
這也意味著允許對象以比被動和半主動卷標系統(tǒng)中更快的速度通過閱讀器。此外，主動卷標可搭載比簡單ID編碼更多的產品信息。
RFID閱讀器的軟件架構
在介紹RFID閱讀器的功能后，以下將討論如何運用Blackfin這類匯聚處理器來實現閱讀器。RFID閱讀器軟件架構的三個部份分別是：后端服務器接口，中介軟件和前端卷標閱讀器算法。值得注意的是，如果上述軟件架構明確，它們都可以在一顆Blackfin處理器上執(zhí)行。
1. 連通性
通常，RFID閱讀器包括一個網絡單元，將一次單獨的RFID讀取事件連接到中央服務器。后端網絡接口可連接到有線以太網絡(IEEE 802.3)、無線以太網絡(IEEE 802.11 a/b/g)或者是ZigBee(IEEE 802.15.4)。
中央服務器執(zhí)行數據庫，其功能包括匹配、追蹤和儲存。許多應用都需要‘警報’功能。對供應鏈和倉庫管理系統(tǒng)來說，這可能是補貨觸發(fā)器；而針對安全應用，這可能是一個安全警報。以執(zhí)行uClinux的高性能嵌入式處理器為基礎而建構的閱讀器，在與后臺服務器通訊時具有驚人的優(yōu)勢。包括TCP/IP協(xié)議堆棧的強韌性和SQL數據引擎的可用性，都減輕了研發(fā)過程中巨大的研發(fā)和整合負擔。
2. RFID中介軟件
在RFID的術語中，中介軟件是位于前端RFID和后端企業(yè)系統(tǒng)之間的轉譯層。中介軟件過濾來自閱讀器的數據，并確保沒有多個數據的重復和壞數據。在早期的RFID系統(tǒng)中，中介軟件執(zhí)行在服務器上。
但目前的發(fā)展趨勢是，RFID數據在透過企業(yè)級網絡來發(fā)送之前，先在閱讀器上完成過濾。該增強功能是嵌入式處理器為該應用領域帶來的另一項優(yōu)點。
前端閱讀器
訊號處理在閱讀器系統(tǒng)的前端實現。該訊號處理通常要求增強的過濾和轉換功能，這也是何必須使用像Blackfin這類具有強大訊號處理能力組件的原因。從RFID閱讀器的觀點來看連通性問題，為了與卷標進行通訊，ADC/DAC關鍵接口。
ADI公司提供了幾款IF子系統(tǒng)的MxFE IC。這些組件是通用的IF子系統(tǒng)，對窄頻IF輸入訊號進行數字化。它們還具有低噪音放大器、混頻器、ADC、AGC電路以及可編程濾波器。
I/Q數據輸出串流直接送到處理器的并行端口。這些MxFE IC提供窄頻接收機所能提供的最佳性能，非常適合RFID及其它應用。
Blackfin處理器
在本例中，Blackfin處理器提供到有線和無線網絡的連接。某些處理器，如ADSP-BF536/7，芯片上還有一個10/100BaseT以太網絡MAC。
在無線方面，所有Blackfin處理器均可透過SPI和SPORT外圍直接連接到802.15.4 ZigBee和IEEE 802.11芯片。在無需消耗整個處理器頻寬的條件下，即可實現線速傳輸。
此外，Blackfin處理器包含一個平行外圍接口(PPI)，可直接連接到ADC/DAC。某些Blackfin包括兩個PPI，可進一步擴展系統(tǒng)功能，如一個連接到照相機，另一個連接RFID閱讀器。
另外，這些Blackfin的功能還使它們對1維和2維條形碼應用特別具有吸引力，因為Blackfin可在同一顆芯片上執(zhí)行網絡連接和影像處理等系統(tǒng)控制功能。以Blzckfin軟件而言，RFID閱讀器提供了包括到混頻訊號前端接口所需的所有驅動器。此外，該處理器還具備一個DMA驅動器，這在讓數據通過系統(tǒng)時也相當有用。從系統(tǒng)角度來看，像802.11 Wi-Fi卡、USB thumb驅動器以及CompactFlash卡接口，都可利用Blzckfin迅速整合。
本文小結
未來，RFID應用將不再需要兩個處理器，其中一個專門用于ADC/DAC接口，而另一個則作為為連網微控制器。一顆Blackfin匯聚處理器能夠處理連網和控制功能，還具備用于轉換器接口以及繪圖匹配算法的能力，可為新一波的RFID應用節(jié)省BOM成本并加速上市時間。
作者：David Katz
Glen Ouellette
Rick Gentile
資深應用工程師
Giuseppe Olivadoti
現場應用工程師
ADI公司
RFID應用并不需要用于ADC/DAC通訊接口與微控制器的專用訊號處理器。僅需一個傳統(tǒng)的處理器，就可滿足網絡與控制的大量執(zhí)行需求。本文將以ADI公司的Blackfin系列為例，探討利用單一處理器實現上述訊號轉換和網絡連通性功能的可能性。
現有/新興應用
在RFID處理流程的前端，訊號鏈始于對象上的小卷標，該卷標將信息傳遞到一個或更多的RFID閱讀器上，該閱讀器在標簽位于某個特定區(qū)域內時，對卷標進行探測。而在后端，服務器系統(tǒng)維持和更新卷標數據庫，根據企業(yè)的信息處理過程，還可能產生警報訊號和發(fā)出其它信息。
如今，絕大多數閱讀器都采用多處理器來滿足應用的需求。其中一種典型做法是利用一個訊號處理器連接到ADC和DAC。另一個網絡處理器則負責與專用于儲存或恢復數據的本地或遠程服務器進行通訊。
由于RFID技術可同時監(jiān)控多個對象，無需由作業(yè)員來逐一‘掃描’(如利用手持條形碼掃描儀)，因此能實現許多方面的應用。這種自動識別技術的應用領域包括各類貨品控制領域、物流管理、監(jiān)控以及收費系統(tǒng)等。以下列出了目前RFID系統(tǒng)主要應用領域：
1. 超市內的食品架和容器，賦予貨品良好的可見性，并實現了良好的貨物管理。由于具有標簽的可書寫能力，可加入一些附加信息(如最遲銷售日期)。此外，還可實現自動訂購，以確保貨架上有適量的庫存。
2. 在圖書館中實現自動借書和還書。過去這些條目均采用印刷標簽來識別，必須以人工方式用條形碼掃描儀來逐一讀取。
3. 服裝卷標，用來識別出廠信息。而利用電子卷標的識別碼，可自動識別服裝的真?zhèn)巍?nbsp;
4. 在醫(yī)藥產業(yè)中用來遏制假藥。
5. 體育比賽中，如馬拉松比賽，可精確追蹤運動員的進程。
RFID系統(tǒng)概覽
RFID是一套系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用RF傳輸來實現與對象的通訊、識別、分類和/或追蹤。每個對象均有其各自的RFID標簽(即眾所周知的應答器)。系統(tǒng)利用卷標閱讀器來接收來自每個標簽的RF能量。
閱讀器中的嵌入式軟件管理所收到的卷標信息，進行審查、譯碼和處理，并與裝有卷標數據庫和其它相關信息的庫存系統(tǒng)進行通訊。
1. RFID閱讀器
RFID閱讀器提供單個標簽與末端追蹤/管理系統(tǒng)之間的連接。它具有各式各樣的外形，但通常都比較小，能夠安裝在三腳架或墻體上。當然，根據具體應用和工作條件，也許會有許多閱讀器用來覆蓋特定區(qū)域。
例如，在一個倉庫中，將會有一個覆蓋網絡，確保在貨盤通過A點和B點時，能夠100%地檢查并注冊所有通過的貨品。
整體而言，閱讀器的功能包括三個部份。第一是與發(fā)射/接收功能，該功能實現與卷標的通訊并能區(qū)別每個標簽。第二是對所接收的信息進行初始處理。最后則是連接到服務器，服務器則負責將信息鏈接到企業(yè)。
RFID閱讀器必須能同時處理覆蓋區(qū)域中的多個卷標。這對一些在限定空間中具有許多標簽的應用尤其重要。在多閱讀器/標簽應用的主要挑戰(zhàn)是會產生碰撞，這是因為多個閱讀器同時發(fā)出詢問，且多個標簽同時應答。不過有許多方法可解決這個問題。
最常見的方法是利用某種時分多任務算法。閱讀器可設置成分時詢問，標簽可在一個隨機的時間間隔后應答。在嵌入式軟件中實現這一功能可提供更多靈活性。
2. RFID應答器(標簽)
一個RFID標簽包括一枚保有貼附標識對象唯一性信息的IC，一個接收來自閱讀器能量并發(fā)射信息的天線(通常是印刷天線)，以及各類內含卷標的組件。
‘對象’一詞，適用于許多不同的事物，從工廠的貨物到動物乃至于人均包含在內。卷標與天線之間的距離是系統(tǒng)的一種重要可變因素，它受到標簽技術的直接影響。以下將解釋目前廣泛采用的各種標簽技術。
a. 被動標簽
最簡單的卷標是被動卷標。它由閱讀器發(fā)給它的RF能量供電，不會占用空間，且無需額外電池。這使卷標的機械性能更可靠，且體積非常小(約如拇指般大小)。
不過，由于被動標簽的接收功率與它和閱讀器之間的距離呈正比，故缺點是這類標簽與閱讀器之間的距離有限。
談到距離，所選用的RF頻率也對鏈路的實際距離影響甚巨。低頻卷標通常使用125~135kHz頻率，但由于該頻率范圍的限制，其主要用途是門禁控制和動物標簽。高頻(HF)標簽，絕大部份工作在13.56MHz頻段，工作距離大約為一英呎或兩英呎。其主要作用是簡單的逐一識別，如門禁控制，收費或圖書追蹤。另一種是超高頻(UHF)標簽，工作在850~950MHz頻段，工作距離較長，可達10英呎甚至更遠。此外，閱讀器可同時處理許多這類卷標，不像HF卷標只能逐一識別。
該特性還減少了在指定區(qū)域中的閱讀器數量。由于該特性，UHF標簽在業(yè)界得到了非常廣泛的應用，主要用于貨品追蹤與控制。不過，UHF標簽的主要缺點是不能有效地穿透液體。該缺點使其不太適用于處理飲料罐或人體等對象。對于這類應用，通常必需使用HF標簽。
b. 半主動標簽
與被動卷標類似(不像主動卷標)，半主動卷標透過將RF能量反射回標簽閱讀器來傳送識別信息。不過，它需要一個電池為標簽中的IC提供能量。
這種方式可實現某些應用，如在標簽中植入傳感器。于是，每個應答器不僅可以發(fā)送靜態(tài)識別信息，還可以發(fā)送實時信息，如溫度、濕度、時間/日期等。
透過只為IC和傳感器提供電源，半主動標簽可實現成本、尺寸和距離間的折衷。
c. 主動標簽
主動卷標比半主動卷標更先進。它利用一個整合電池，能同時為標簽IC(與傳感器一起)和RF發(fā)射器供電，因此能實現更遠的工作距離(100公尺以上)。
這也意味著允許對象以比被動和半主動卷標系統(tǒng)中更快的速度通過閱讀器。此外，主動卷標可搭載比簡單ID編碼更多的產品信息。
RFID閱讀器的軟件架構
在介紹RFID閱讀器的功能后，以下將討論如何運用Blackfin這類匯聚處理器來實現閱讀器。RFID閱讀器軟件架構的三個部份分別是：后端服務器接口，中介軟件和前端卷標閱讀器算法。值得注意的是，如果上述軟件架構明確，它們都可以在一顆Blackfin處理器上執(zhí)行。
1. 連通性
通常，RFID閱讀器包括一個網絡單元，將一次單獨的RFID讀取事件連接到中央服務器。后端網絡接口可連接到有線以太網絡(IEEE 802.3)、無線以太網絡(IEEE 802.11 a/b/g)或者是ZigBee(IEEE 802.15.4)。
中央服務器執(zhí)行數據庫，其功能包括匹配、追蹤和儲存。許多應用都需要‘警報’功能。對供應鏈和倉庫管理系統(tǒng)來說，這可能是補貨觸發(fā)器；而針對安全應用，這可能是一個安全警報。以執(zhí)行uClinux的高性能嵌入式處理器為基礎而建構的閱讀器，在與后臺服務器通訊時具有驚人的優(yōu)勢。包括TCP/IP協(xié)議堆棧的強韌性和SQL數據引擎的可用性，都減輕了研發(fā)過程中巨大的研發(fā)和整合負擔。
2. RFID中介軟件
在RFID的術語中，中介軟件是位于前端RFID和后端企業(yè)系統(tǒng)之間的轉譯層。中介軟件過濾來自閱讀器的數據，并確保沒有多個數據的重復和壞數據。在早期的RFID系統(tǒng)中，中介軟件執(zhí)行在服務器上。
但目前的發(fā)展趨勢是，RFID數據在透過企業(yè)級網絡來發(fā)送之前，先在閱讀器上完成過濾。該增強功能是嵌入式處理器為該應用領域帶來的另一項優(yōu)點。
前端閱讀器
訊號處理在閱讀器系統(tǒng)的前端實現。該訊號處理通常要求增強的過濾和轉換功能，這也是何必須使用像Blackfin這類具有強大訊號處理能力組件的原因。從RFID閱讀器的觀點來看連通性問題，為了與卷標進行通訊，ADC/DAC關鍵接口。
ADI公司提供了幾款IF子系統(tǒng)的MxFE IC。這些組件是通用的IF子系統(tǒng)，對窄頻IF輸入訊號進行數字化。它們還具有低噪音放大器、混頻器、ADC、AGC電路以及可編程濾波器。
I/Q數據輸出串流直接送到處理器的并行端口。這些MxFE IC提供窄頻接收機所能提供的最佳性能，非常適合RFID及其它應用。
Blackfin處理器
在本例中，Blackfin處理器提供到有線和無線網絡的連接。某些處理器，如ADSP-BF536/7，芯片上還有一個10/100BaseT以太網絡MAC。
在無線方面，所有Blackfin處理器均可透過SPI和SPORT外圍直接連接到802.15.4 ZigBee和IEEE 802.11芯片。在無需消耗整個處理器頻寬的條件下，即可實現線速傳輸。
此外，Blackfin處理器包含一個平行外圍接口(PPI)，可直接連接到ADC/DAC。某些Blackfin包括兩個PPI，可進一步擴展系統(tǒng)功能，如一個連接到照相機，另一個連接RFID閱讀器。
另外，這些Blackfin的功能還使它們對1維和2維條形碼應用特別具有吸引力，因為Blackfin可在同一顆芯片上執(zhí)行網絡連接和影像處理等系統(tǒng)控制功能。以Blzckfin軟件而言，RFID閱讀器提供了包括到混頻訊號前端接口所需的所有驅動器。此外，該處理器還具備一個DMA驅動器，這在讓數據通過系統(tǒng)時也相當有用。從系統(tǒng)角度來看，像802.11 Wi-Fi卡、USB thumb驅動器以及CompactFlash卡接口，都可利用Blzckfin迅速整合。
本文小結
未來，RFID應用將不再需要兩個處理器，其中一個專門用于ADC/DAC接口，而另一個則作為為連網微控制器。一顆Blackfin匯聚處理器能夠處理連網和控制功能，還具備用于轉換器接口以及繪圖匹配算法的能力，可為新一波的RFID應用節(jié)省BOM成本并加速上市時間。
作者：David Katz
Glen Ouellette
Rick Gentile
資深應用工程師
Giuseppe Olivadoti
現場應用工程師
ADI公司
