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基于ARM 平台的RFID 系统设计与实现
作者：北京邮电大学电信工程学院 汪曦鹏
来源：RFID世界网
日期：2007-12-14 15:38:43
摘要：RFID（无线射频）技术作为近年来兴起的一项新兴的自动识别技术。由于其具有读取距离远、穿透能力强、抗污染、效率高、信息量大的特点，已经得到广泛的开发与应用。 本文给出了一种ARM 平台的RFID 系统设计与实现方案，并已经过测试。
1. 引 言
近年来，RFID（无线射频）技术是正在兴起的一项新兴的自动识别技术。RFID 利用射频方式进行非接触双向通信，从而实现对物体的识别，并将采集到的相关信息数据通过无线技术远程进行传输。相较目前广泛采用的条型码技术，RFID 具有读取距离远（几米至几十米）、穿透能力强（可透过包装箱直接读取信息）、抗污染、效率高（可同时处理多个标签）、信息量大的特点。它的出现给物流和生产方面的工业应用带来了革命性的影响[1]。
正是由于上述原因，本文提出了一种基于ARM 平台的RFID 系统设计与实现方案，以满足人们在嵌入式领域对RFID 技术的开发与应用。
2. 系统介绍
2.1 系统硬件设计
硬件系统框图：如图处理器采用现行嵌入式系统中最流行ARM系列，具体采用ATMEL公司的工业级ARM 芯片。FLASH为4M，采用的芯片是AM，用于存储LINUX内核，RAMDISK和一些系统配置文件和测试数据。SDRAM为 M，采用的芯片是MT48LC2M32B2TG-6。网络接口的物理层芯片采用RTL8201。同时还配有输入输出设备，即LCD显示屏和5×4键盘。电源采用稳压模块输出稳定的电压，同时设计有单键开关和充电电路等方便用户的功能[2]。
我们采用LINUX作为系统的操作系统，给标准LINUX打上支持ARM系列的补丁包后内核便提供了对AT91RM9200的支持（我们称之ARM-LINUX），在ARM-LINUX之下，编写键盘，LCD,网卡，FLASH文件系统的驱动程序。在ARM-LINUX上编写一个小型简洁的GUI(图形界面用户接口),使程序更加模块化，便用上层程序的编写和以后系统的升级。如图是软件系统框架图。
3.1 单键开关电路设计
单键开关设计必须考虑到以下几点：一是单键开关必须稳定，按一次键只有一次电源的通或断；二是电流问题：因为单键开关无论是关机的时候还是开机的时候都要使用电源，所以必须保证其电流足够小，减少电源的损耗。通过查找资料，我们设计了以下电路（图3）：
3.2 充电电路设计
充电电路可以为用户提供很大的方便。一般情况充电电路需要达到的要求是：必须保证电池充电时不过充；充电时间不能太短，但同时也要保证充电电流不能太大；有充电指示。根据上面以上要求，我们设计了以下电路
3.3 PROTEL 电路设计和电路板布线的基本流程
原理图部分：建立自己的元件库。因为并不是所有的元件在PROTEL的元件库中都存在，一般要根据自己实际所用的芯片建立自己的元件库。绘制原理图。当器件比较多的时候，可以采用层次设的方法。分模块对系统进行设计，这样可以使系统更加清晰，降低错误的可能性。原理图画好后，利用其自动编号功能对器件进行编号。PCB板部分.建立自己的封装库，同元件库一样，有时候必须建立自己的封装库，在画封装的时候，要严格按照芯片公司的资料绘制。为每一个元件设置封装。用向导产生PCB文件，定义好电路板的层数和边界。利用设计同步器将器件导入到PCB中。根据具体的工艺设计好规则，如过孔大小，最小线宽。按照易于布线的原则对元件进行布局布线，在布线的时候要遵循一些原则。检查错误。
4. 系统软件设计
4.1 LINUX 在AT91RM9200 上的移植
AT91RM9200两种启动方式：1.其内部存储器地址为0x00100000－0x001FFFFF的部分存在一段启动程序，如果选择这种启动模式在启动时，0x00100000－0x001FFFFF部分的地址被映射到0x00000000，CPU运行这段程序，这段程序会往CPU的调试串口（或者是USB口）不停的发字符“C”，同时提供小于12K程序的串口(利用XMODEM协议)下载功能。2.可以直接从外部存储器启动，主要是连接在SPI(串行外部设备接口)和NCS0（CPU上的一个管腿，是EBI即外部总线接口的一部分，用于外部存储器的寻址）上的SPI DataFlash，Two-wire EEPROM和连接在NCS0上的8比特并行存储器。
根据CPU的启动方式，我们可以这样设计移植过程及系统的启动方式。在系统移植阶段，我们应用启动方式1，通过其下载功能下载一个小于12K的程序(实际使用的程序为Loader,是开放源码的软件，可以在网上下载到)到SDRAM并运行，该程序可以提供大于12K的串口下载功能，用这个程序下载一个更大的程序到SDRAM中，而这个程序可以提供类似于PC机上BIOS的功能（实际使用的是U-BOOT，是开放源码的软件，可以在网上下载到），其功能主要有：LINUX系统引导，网卡驱动，TFTP下载功能，SDRAM和FLASH之间的读写功能。
通过其TFTP下载功能下载内核到SDRAM，引导操作系统并进行测试。如果操作系统测试工作无误后，可以应用U-BOOT的写FLASH功能把U-BOOT和LINUX内核写到FLASH中，在应用程序开发阶段应用CPU的启动方式2，直接从FLASH启动。这种方法的优势是：在内核下载的时候，提供了TFTP下载功能，加快了速度。在应用程序开发阶段，因为内核（还有后面的RAMDISK）都是固化在FLASH中，可以省去其下载过程，同样也可以节省时间[3]。
移植过程大致可分为以下几个步骤：配置用户环境及交叉编译环境；编译Loader和UBoot，其中要在UBoot中修改网卡驱动；3.配置Linux内核；4.制作ramdisk文件系统，并根据实际系统进行修改；5.移植Busybox；6.JFFS2文件系统的移植。在Linux内核中已经包含了MTD和JFFS2文件系统的驱动程序，但是必须针对具体的系统编写驱动程序。具体步骤如下：1）由于ROM设备和MTDBlock设备的主设备号（major）都是31，所以如果你不想把JFFS2作为根文件系统的话，必须修改他们之一的major。2)编写驱动程序：编写读，写，复制接口（这些接口将被MTD驱动程序调用，提供给上层软件的读写复制功能），定义map_info结构体，以便MTD能够从这个结构体中得到读写函数的指针,最后还要定义FLASH的分区表。根据系统的设计，我们把4M的FLASH分成四个区，第一个分区用来保存UBOOT及其参数；第二个分区用来保存LINUX内核；第三个分区用来保存RAMDISK；最后一个分区用来保存系统参数和用户数据和测试数据。3）修改LINUX的配置文件，把驱动程序加入到内核[4]。
4.2 LINUX 驱动程序的编写
我们研究字符型设备的驱动程序的编写，块设备驱动程序跟字符设备驱动程序的编写有一定的相似性。
驱动程序加载时，内核会调用用户定义的初始化程序。用户用init_moudle(function name)标识初始化程序，其中的function name为编写的初始化函数的函数名。用module_exit(function
name) 标识释放设备程序，在初始化函数里驱动程序必须向操作系统注册设备，以获得系统资源和操作系统正确的调用驱动程序。在Linux中这个函数是register_chrdev,在fs/devices.h中其定义为：int register_chrdev(unsigned int major,const char* name,struct file_operation *fops)。
其中major是为设备向系统申请的主设备号，name驱动程序给设备定义的名字，fops是接下来要介绍的一个结构体。在卸载的时候需要告知操作系统注销注册[5]。
下面简要介绍一下file_operation结构体中几个主要的比较常用的方法。
1. ssize_t (*read) (struct file *, char *, size_t, loff_t *);用来从设备中读取数据。
2. ssize_t (*write) (struct file *, const char *, size_t, loff_t *);向设备发送数据。
3. int (*ioctl) (struct inode *,struct file *,unsigned int,unsigned long);系统调用ioctl提供了一种
执行设备特定的命令的方法（如格式化软盘某个磁道，这既不是读操作也不是写操作）。
4. int (*open) (struct inode *, struct file *);始终是对设备文件执行的第一个操作。
5. int (*release) (struct inode *, struct file *);当file 结构被释放时，将调用这个操作。
4.3 RFID 程序的编写
本系统采用的RFID 芯片是SONY 生产的RC-S600，它有自己的通信协议，并支持串口或者USB 口直接连接。这就大大方便了系统的开发与应用。由于本系统采用的是标准串口连接方式，因此针对应用程序的要求，我们首先要提供一套关于串口的API 接口函数。
1． int PortOpen(pportinfo_t pportinfo); 打开串口，返回文件描述符。pportinfo: 待设置的串口信息。
2． int PortSet(int fdcom, const pportinfo_t pportinfo);设置串口。fdcom: 串口文件描述符，pportinfo： 待设置的串口信息。
3． void PortClose(int fdcom);关闭串口。fdcom：串口文件描述符。
4． int PortSend(int fdcom, char *data, int datalen);发送数据。fdcom：串口描述符，data：待发送数据，datalen：数据长度。返回实际发送长度 。
5． int PortRecv(int fdcom, char *data, int datalen, int baudrate); 接收数据。fdcom：串口描述符，data：接收缓冲区，datalen.：接收长度， baudrate：波特率。返回实际读入的长度。
完成了串口通信的基本函数后，可以通过由串口向RFID芯片发送命令字进行控制，以下为RC-S600的Command说明：1. Polling Command。从指定了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系列进行自我诊断，取得诊断结果的指令。3. Turn off RF Power。将RC-S600系列的RF输出置于Off；4. Check Firmware Version。取得RC-S600系列的Software的版本号；5. Control LED。对连接到RC-S600的LED进行On/Off；6.Communication Thru。对卡发送1次host指定Command，根据是否从卡收到Response，向host返回该Card Response Packet；7. Access I/O Register。对RC-S600系列的RF进行初期设定。
经测试，本系统能对所用RFID芯片的指定命令字进行正确读写和返回。
5. 结论
本文给出了一种基于ARM 平台的RFID 系统设计，现已通过实际测试。由于本系统采用的是标准接口设计，这就为以后的多功能开发平台提供了理想的硬件环境。
参考文献
[1] 胡晓娜. 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 体系结构与编程.北京：清华大学出版社.2003.5。
[4] 马忠梅.AT91 系列ARM 核微控制器结构与开发.北京：北京航空航天大学出版社.2003.5。
[5] 刘淼.嵌入式系统接口设计与Linux 驱动程序开发.北京：北京航空航天大学出版社.2006.5。
近年来，RFID（无线射频）技术是正在兴起的一项新兴的自动识别技术。RFID 利用射频方式进行非接触双向通信，从而实现对物体的识别，并将采集到的相关信息数据通过无线技术远程进行传输。相较目前广泛采用的条型码技术，RFID 具有读取距离远（几米至几十米）、穿透能力强（可透过包装箱直接读取信息）、抗污染、效率高（可同时处理多个标签）、信息量大的特点。它的出现给物流和生产方面的工业应用带来了革命性的影响[1]。
正是由于上述原因，本文提出了一种基于ARM 平台的RFID 系统设计与实现方案，以满足人们在嵌入式领域对RFID 技术的开发与应用。
2. 系统介绍
2.1 系统硬件设计
硬件系统框图：如图处理器采用现行嵌入式系统中最流行ARM系列，具体采用ATMEL公司的工业级ARM 芯片。FLASH为4M，采用的芯片是AM，用于存储LINUX内核，RAMDISK和一些系统配置文件和测试数据。SDRAM为 M，采用的芯片是MT48LC2M32B2TG-6。网络接口的物理层芯片采用RTL8201。同时还配有输入输出设备，即LCD显示屏和5×4键盘。电源采用稳压模块输出稳定的电压，同时设计有单键开关和充电电路等方便用户的功能[2]。
我们采用LINUX作为系统的操作系统，给标准LINUX打上支持ARM系列的补丁包后内核便提供了对AT91RM9200的支持（我们称之ARM-LINUX），在ARM-LINUX之下，编写键盘，LCD,网卡，FLASH文件系统的驱动程序。在ARM-LINUX上编写一个小型简洁的GUI(图形界面用户接口),使程序更加模块化，便用上层程序的编写和以后系统的升级。如图是软件系统框架图。
3.1 单键开关电路设计
单键开关设计必须考虑到以下几点：一是单键开关必须稳定，按一次键只有一次电源的通或断；二是电流问题：因为单键开关无论是关机的时候还是开机的时候都要使用电源，所以必须保证其电流足够小，减少电源的损耗。通过查找资料，我们设计了以下电路（图3）：
3.2 充电电路设计
充电电路可以为用户提供很大的方便。一般情况充电电路需要达到的要求是：必须保证电池充电时不过充；充电时间不能太短，但同时也要保证充电电流不能太大；有充电指示。根据上面以上要求，我们设计了以下电路
3.3 PROTEL 电路设计和电路板布线的基本流程
原理图部分：建立自己的元件库。因为并不是所有的元件在PROTEL的元件库中都存在，一般要根据自己实际所用的芯片建立自己的元件库。绘制原理图。当器件比较多的时候，可以采用层次设的方法。分模块对系统进行设计，这样可以使系统更加清晰，降低错误的可能性。原理图画好后，利用其自动编号功能对器件进行编号。PCB板部分.建立自己的封装库，同元件库一样，有时候必须建立自己的封装库，在画封装的时候，要严格按照芯片公司的资料绘制。为每一个元件设置封装。用向导产生PCB文件，定义好电路板的层数和边界。利用设计同步器将器件导入到PCB中。根据具体的工艺设计好规则，如过孔大小，最小线宽。按照易于布线的原则对元件进行布局布线，在布线的时候要遵循一些原则。检查错误。
4. 系统软件设计
4.1 LINUX 在AT91RM9200 上的移植
AT91RM9200两种启动方式：1.其内部存储器地址为0x00100000－0x001FFFFF的部分存在一段启动程序，如果选择这种启动模式在启动时，0x00100000－0x001FFFFF部分的地址被映射到0x00000000，CPU运行这段程序，这段程序会往CPU的调试串口（或者是USB口）不停的发字符“C”，同时提供小于12K程序的串口(利用XMODEM协议)下载功能。2.可以直接从外部存储器启动，主要是连接在SPI(串行外部设备接口)和NCS0（CPU上的一个管腿，是EBI即外部总线接口的一部分，用于外部存储器的寻址）上的SPI DataFlash，Two-wire EEPROM和连接在NCS0上的8比特并行存储器。
根据CPU的启动方式，我们可以这样设计移植过程及系统的启动方式。在系统移植阶段，我们应用启动方式1，通过其下载功能下载一个小于12K的程序(实际使用的程序为Loader,是开放源码的软件，可以在网上下载到)到SDRAM并运行，该程序可以提供大于12K的串口下载功能，用这个程序下载一个更大的程序到SDRAM中，而这个程序可以提供类似于PC机上BIOS的功能（实际使用的是U-BOOT，是开放源码的软件，可以在网上下载到），其功能主要有：LINUX系统引导，网卡驱动，TFTP下载功能，SDRAM和FLASH之间的读写功能。
通过其TFTP下载功能下载内核到SDRAM，引导操作系统并进行测试。如果操作系统测试工作无误后，可以应用U-BOOT的写FLASH功能把U-BOOT和LINUX内核写到FLASH中，在应用程序开发阶段应用CPU的启动方式2，直接从FLASH启动。这种方法的优势是：在内核下载的时候，提供了TFTP下载功能，加快了速度。在应用程序开发阶段，因为内核（还有后面的RAMDISK）都是固化在FLASH中，可以省去其下载过程，同样也可以节省时间[3]。
移植过程大致可分为以下几个步骤：配置用户环境及交叉编译环境；编译Loader和UBoot，其中要在UBoot中修改网卡驱动；3.配置Linux内核；4.制作ramdisk文件系统，并根据实际系统进行修改；5.移植Busybox；6.JFFS2文件系统的移植。在Linux内核中已经包含了MTD和JFFS2文件系统的驱动程序，但是必须针对具体的系统编写驱动程序。具体步骤如下：1）由于ROM设备和MTDBlock设备的主设备号（major）都是31，所以如果你不想把JFFS2作为根文件系统的话，必须修改他们之一的major。2)编写驱动程序：编写读，写，复制接口（这些接口将被MTD驱动程序调用，提供给上层软件的读写复制功能），定义map_info结构体，以便MTD能够从这个结构体中得到读写函数的指针,最后还要定义FLASH的分区表。根据系统的设计，我们把4M的FLASH分成四个区，第一个分区用来保存UBOOT及其参数；第二个分区用来保存LINUX内核；第三个分区用来保存RAMDISK；最后一个分区用来保存系统参数和用户数据和测试数据。3）修改LINUX的配置文件，把驱动程序加入到内核[4]。
4.2 LINUX 驱动程序的编写
我们研究字符型设备的驱动程序的编写，块设备驱动程序跟字符设备驱动程序的编写有一定的相似性。
驱动程序加载时，内核会调用用户定义的初始化程序。用户用init_moudle(function name)标识初始化程序，其中的function name为编写的初始化函数的函数名。用module_exit(function
name) 标识释放设备程序，在初始化函数里驱动程序必须向操作系统注册设备，以获得系统资源和操作系统正确的调用驱动程序。在Linux中这个函数是register_chrdev,在fs/devices.h中其定义为：int register_chrdev(unsigned int major,const char* name,struct file_operation *fops)。
其中major是为设备向系统申请的主设备号，name驱动程序给设备定义的名字，fops是接下来要介绍的一个结构体。在卸载的时候需要告知操作系统注销注册[5]。
下面简要介绍一下file_operation结构体中几个主要的比较常用的方法。
1. ssize_t (*read) (struct file *, char *, size_t, loff_t *);用来从设备中读取数据。
2. ssize_t (*write) (struct file *, const char *, size_t, loff_t *);向设备发送数据。
3. int (*ioctl) (struct inode *,struct file *,unsigned int,unsigned long);系统调用ioctl提供了一种
执行设备特定的命令的方法（如格式化软盘某个磁道，这既不是读操作也不是写操作）。
4. int (*open) (struct inode *, struct file *);始终是对设备文件执行的第一个操作。
5. int (*release) (struct inode *, struct file *);当file 结构被释放时，将调用这个操作。
4.3 RFID 程序的编写
本系统采用的RFID 芯片是SONY 生产的RC-S600，它有自己的通信协议，并支持串口或者USB 口直接连接。这就大大方便了系统的开发与应用。由于本系统采用的是标准串口连接方式，因此针对应用程序的要求，我们首先要提供一套关于串口的API 接口函数。
1． int PortOpen(pportinfo_t pportinfo); 打开串口，返回文件描述符。pportinfo: 待设置的串口信息。
2． int PortSet(int fdcom, const pportinfo_t pportinfo);设置串口。fdcom: 串口文件描述符，pportinfo： 待设置的串口信息。
3． void PortClose(int fdcom);关闭串口。fdcom：串口文件描述符。
4． int PortSend(int fdcom, char *data, int datalen);发送数据。fdcom：串口描述符，data：待发送数据，datalen：数据长度。返回实际发送长度 。
5． int PortRecv(int fdcom, char *data, int datalen, int baudrate); 接收数据。fdcom：串口描述符，data：接收缓冲区，datalen.：接收长度， baudrate：波特率。返回实际读入的长度。
完成了串口通信的基本函数后，可以通过由串口向RFID芯片发送命令字进行控制，以下为RC-S600的Command说明：1. Polling Command。从指定了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系列进行自我诊断，取得诊断结果的指令。3. Turn off RF Power。将RC-S600系列的RF输出置于Off；4. Check Firmware Version。取得RC-S600系列的Software的版本号；5. Control LED。对连接到RC-S600的LED进行On/Off；6.Communication Thru。对卡发送1次host指定Command，根据是否从卡收到Response，向host返回该Card Response Packet；7. Access I/O Register。对RC-S600系列的RF进行初期设定。
经测试，本系统能对所用RFID芯片的指定命令字进行正确读写和返回。
5. 结论
本文给出了一种基于ARM 平台的RFID 系统设计，现已通过实际测试。由于本系统采用的是标准接口设计，这就为以后的多功能开发平台提供了理想的硬件环境。
参考文献
[1] 胡晓娜. 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 体系结构与编程.北京：清华大学出版社.2003.5。
[4] 马忠梅.AT91 系列ARM 核微控制器结构与开发.北京：北京航空航天大学出版社.2003.5。
[5] 刘淼.嵌入式系统接口设计与Linux 驱动程序开发.北京：北京航空航天大学出版社.2006.5。
