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利用汇聚处理器实现先进RFID阅读器应用
作者：电子工程专辑
日期：2007-09-26 18:16:30
摘要：从货品目录控制到超市的快速验货，射频识别(RFID)正在进入我们生活的各个层面。该技术正在改变目前的许多应用，并创造出更多新兴应用模式。
从货品目录控制到超市的快速验货，射频识别(RFID)正在进入我们生活的各个层面。该技术正在改变目前的许多应用，并创造出更多新兴应用模式。
RFID应用并不需要用于ADC/DAC通讯接口与微控制器的专用讯号处理器。仅需一个传统的处理器，就可满足网络与控制的大量执行需求。本文将以ADI公司的Blackfin系列为例，探讨利用单一处理器实现上述讯号转换和网络连通性功能的可能性。
现有/新兴应用
在RFID处理流程的前端，讯号链始于对象上的小卷标，该卷标将信息传递到一个或更多的RFID阅读器上，该阅读器在标签位于某个特定区域内时，对卷标进行探测。而在后端，服务器系统维持和更新卷标数据库，根据企业的信息处理过程，还可能产生警报讯号和发出其它信息。
如今，绝大多数阅读器都采用多处理器来满足应用的需求。其中一种典型做法是利用一个讯号处理器连接到ADC和DAC。另一个网络处理器则负责与专用于储存或恢复数据的本地或远程服务器进行通讯。
由于RFID技术可同时监控多个对象，无需由作业员来逐一‘扫描’(如利用手持条形码扫描仪)，因此能实现许多方面的应用。这种自动识别技术的应用领域包括各类货品控制领域、物流管理、监控以及收费系统等。以下列出了目前RFID系统主要应用领域：
1. 超市内的食品架和容器，赋予货品良好的可见性，并实现了良好的货物管理。由于具有标签的可书写能力，可加入一些附加信息(如最迟销售日期)。此外，还可实现自动订购，以确保货架上有适量的库存。
2. 在图书馆中实现自动借书和还书。过去这些条目均采用印刷标签来识别，必须以人工方式用条形码扫描仪来逐一读取。
3. 服装卷标，用来识别出厂信息。而利用电子卷标的识别码，可自动识别服装的真伪。
4. 在医药产业中用来遏制假药。
5. 体育比赛中，如马拉松比赛，可精确追踪运动员的进程。
RFID系统概览
RFID是一套系统，该系统利用RF传输来实现与对象的通讯、识别、分类和/或追踪。每个对象均有其各自的RFID标签(即众所周知的应答器)。系统利用卷标阅读器来接收来自每个标签的RF能量。
阅读器中的嵌入式软件管理所收到的卷标信息，进行审查、译码和处理，并与装有卷标数据库和其它相关信息的库存系统进行通讯。
1. RFID阅读器
RFID阅读器提供单个标签与末端追踪/管理系统之间的连接。它具有各式各样的外形，但通常都比较小，能够安装在三脚架或墙体上。当然，根据具体应用和工作条件，也许会有许多阅读器用来覆盖特定区域。
例如，在一个仓库中，将会有一个覆盖网络，确保在货盘通过A点和B点时，能够100%地检查并注册所有通过的货品。
整体而言，阅读器的功能包括三个部份。第一是与发射/接收功能，该功能实现与卷标的通讯并能区别每个标签。第二是对所接收的信息进行初始处理。最后则是连接到服务器，服务器则负责将信息链接到企业。
RFID阅读器必须能同时处理覆盖区域中的多个卷标。这对一些在限定空间中具有许多标签的应用尤其重要。在多阅读器/标签应用的主要挑战是会产生碰撞，这是因为多个阅读器同时发出询问，且多个标签同时应答。不过有许多方法可解决这个问题。
最常见的方法是利用某种时分多任务算法。阅读器可设置成分时询问，标签可在一个随机的时间间隔后应答。在嵌入式软件中实现这一功能可提供更多灵活性。
2. RFID应答器(标签)
一个RFID标签包括一枚保有贴附标识对象唯一性信息的IC，一个接收来自阅读器能量并发射信息的天线(通常是印刷天线)，以及各类内含卷标的组件。
‘对象’一词，适用于许多不同的事物，从工厂的货物到动物乃至于人均包含在内。卷标与天线之间的距离是系统的一种重要可变因素，它受到标签技术的直接影响。以下将解释目前广泛采用的各种标签技术。
a. 被动标签
最简单的卷标是被动卷标。它由阅读器发给它的RF能量供电，不会占用空间，且无需额外电池。这使卷标的机械性能更可靠，且体积非常小(约如拇指般大小)。
不过，由于被动标签的接收功率与它和阅读器之间的距离呈正比，故缺点是这类标签与阅读器之间的距离有限。
谈到距离，所选用的RF频率也对链路的实际距离影响甚巨。低频卷标通常使用125~135kHz频率，但由于该频率范围的限制，其主要用途是门禁控制和动物标签。高频(HF)标签，绝大部份工作在13.56MHz频段，工作距离大约为一英呎或两英呎。其主要作用是简单的逐一识别，如门禁控制，收费或图书追踪。另一种是超高频(UHF)标签，工作在850~950MHz频段，工作距离较长，可达10英呎甚至更远。此外，阅读器可同时处理许多这类卷标，不像HF卷标只能逐一识别。
该特性还减少了在指定区域中的阅读器数量。由于该特性，UHF标签在业界得到了非常广泛的应用，主要用于货品追踪与控制。不过，UHF标签的主要缺点是不能有效地穿透液体。该缺点使其不太适用于处理饮料罐或人体等对象。对于这类应用，通常必需使用HF标签。
b. 半主动标签
与被动卷标类似(不像主动卷标)，半主动卷标透过将RF能量反射回标签阅读器来传送识别信息。不过，它需要一个电池为标签中的IC提供能量。
这种方式可实现某些应用，如在标签中植入传感器。于是，每个应答器不仅可以发送静态识别信息，还可以发送实时信息，如温度、湿度、时间/日期等。
透过只为IC和传感器提供电源，半主动标签可实现成本、尺寸和距离间的折衷。
c. 主动标签
主动卷标比半主动卷标更先进。它利用一个整合电池，能同时为标签IC(与传感器一起)和RF发射器供电，因此能实现更远的工作距离(100公尺以上)。
这也意味着允许对象以比被动和半主动卷标系统中更快的速度通过阅读器。此外，主动卷标可搭载比简单ID编码更多的产品信息。
RFID阅读器的软件架构
在介绍RFID阅读器的功能后，以下将讨论如何运用Blackfin这类汇聚处理器来实现阅读器。RFID阅读器软件架构的三个部份分别是：后端服务器接口，中介软件和前端卷标阅读器算法。值得注意的是，如果上述软件架构明确，它们都可以在一颗Blackfin处理器上执行。
1. 连通性
通常，RFID阅读器包括一个网络单元，将一次单独的RFID读取事件连接到中央服务器。后端网络接口可连接到有线以太网络(IEEE 802.3)、无线以太网络(IEEE 802.11 a/b/g)或者是ZigBee(IEEE 802.15.4)。
中央服务器执行数据库，其功能包括匹配、追踪和储存。许多应用都需要‘警报’功能。对供应链和仓库管理系统来说，这可能是补货触发器；而针对安全应用，这可能是一个安全警报。以执行uClinux的高性能嵌入式处理器为基础而建构的阅读器，在与后台服务器通讯时具有惊人的优势。包括TCP/IP协议堆栈的强韧性和SQL数据引擎的可用性，都减轻了研发过程中巨大的研发和整合负担。
2. RFID中介软件
在RFID的术语中，中介软件是位于前端RFID和后端企业系统之间的转译层。中介软件过滤来自阅读器的数据，并确保没有多个数据的重复和坏数据。在早期的RFID系统中，中介软件执行在服务器上。
但目前的发展趋势是，RFID数据在透过企业级网络来发送之前，先在阅读器上完成过滤。该增强功能是嵌入式处理器为该应用领域带来的另一项优点。
前端阅读器
讯号处理在阅读器系统的前端实现。该讯号处理通常要求增强的过滤和转换功能，这也是何必须使用像Blackfin这类具有强大讯号处理能力组件的原因。从RFID阅读器的观点来看连通性问题，为了与卷标进行通讯，ADC/DAC关键接口。
ADI公司提供了几款IF子系统的MxFE IC。这些组件是通用的IF子系统，对窄频IF输入讯号进行数字化。它们还具有低噪音放大器、混频器、ADC、AGC电路以及可编程滤波器。
I/Q数据输出串流直接送到处理器的并行端口。这些MxFE IC提供窄频接收机所能提供的最佳性能，非常适合RFID及其它应用。
Blackfin处理器
在本例中，Blackfin处理器提供到有线和无线网络的连接。某些处理器，如ADSP-BF536/7，芯片上还有一个10/100BaseT以太网络MAC。
在无线方面，所有Blackfin处理器均可透过SPI和SPORT外围直接连接到802.15.4 ZigBee和IEEE 802.11芯片。在无需消耗整个处理器频宽的条件下，即可实现线速传输。
此外，Blackfin处理器包含一个平行外围接口(PPI)，可直接连接到ADC/DAC。某些Blackfin包括两个PPI，可进一步扩展系统功能，如一个连接到照相机，另一个连接RFID阅读器。
另外，这些Blackfin的功能还使它们对1维和2维条形码应用特别具有吸引力，因为Blackfin可在同一颗芯片上执行网络连接和影像处理等系统控制功能。以Blzckfin软件而言，RFID阅读器提供了包括到混频讯号前端接口所需的所有驱动器。此外，该处理器还具备一个DMA驱动器，这在让数据通过系统时也相当有用。从系统角度来看，像802.11 Wi-Fi卡、USB thumb驱动器以及CompactFlash卡接口，都可利用Blzckfin迅速整合。
本文小结
未来，RFID应用将不再需要两个处理器，其中一个专门用于ADC/DAC接口，而另一个则作为为连网微控制器。一颗Blackfin汇聚处理器能够处理连网和控制功能，还具备用于转换器接口以及绘图匹配算法的能力，可为新一波的RFID应用节省BOM成本并加速上市时间。
作者：David Katz
Glen Ouellette
Rick Gentile
资深应用工程师
Giuseppe Olivadoti
现场应用工程师
ADI公司
RFID应用并不需要用于ADC/DAC通讯接口与微控制器的专用讯号处理器。仅需一个传统的处理器，就可满足网络与控制的大量执行需求。本文将以ADI公司的Blackfin系列为例，探讨利用单一处理器实现上述讯号转换和网络连通性功能的可能性。
现有/新兴应用
在RFID处理流程的前端，讯号链始于对象上的小卷标，该卷标将信息传递到一个或更多的RFID阅读器上，该阅读器在标签位于某个特定区域内时，对卷标进行探测。而在后端，服务器系统维持和更新卷标数据库，根据企业的信息处理过程，还可能产生警报讯号和发出其它信息。
如今，绝大多数阅读器都采用多处理器来满足应用的需求。其中一种典型做法是利用一个讯号处理器连接到ADC和DAC。另一个网络处理器则负责与专用于储存或恢复数据的本地或远程服务器进行通讯。
由于RFID技术可同时监控多个对象，无需由作业员来逐一‘扫描’(如利用手持条形码扫描仪)，因此能实现许多方面的应用。这种自动识别技术的应用领域包括各类货品控制领域、物流管理、监控以及收费系统等。以下列出了目前RFID系统主要应用领域：
1. 超市内的食品架和容器，赋予货品良好的可见性，并实现了良好的货物管理。由于具有标签的可书写能力，可加入一些附加信息(如最迟销售日期)。此外，还可实现自动订购，以确保货架上有适量的库存。
2. 在图书馆中实现自动借书和还书。过去这些条目均采用印刷标签来识别，必须以人工方式用条形码扫描仪来逐一读取。
3. 服装卷标，用来识别出厂信息。而利用电子卷标的识别码，可自动识别服装的真伪。
4. 在医药产业中用来遏制假药。
5. 体育比赛中，如马拉松比赛，可精确追踪运动员的进程。
RFID系统概览
RFID是一套系统，该系统利用RF传输来实现与对象的通讯、识别、分类和/或追踪。每个对象均有其各自的RFID标签(即众所周知的应答器)。系统利用卷标阅读器来接收来自每个标签的RF能量。
阅读器中的嵌入式软件管理所收到的卷标信息，进行审查、译码和处理，并与装有卷标数据库和其它相关信息的库存系统进行通讯。
1. RFID阅读器
RFID阅读器提供单个标签与末端追踪/管理系统之间的连接。它具有各式各样的外形，但通常都比较小，能够安装在三脚架或墙体上。当然，根据具体应用和工作条件，也许会有许多阅读器用来覆盖特定区域。
例如，在一个仓库中，将会有一个覆盖网络，确保在货盘通过A点和B点时，能够100%地检查并注册所有通过的货品。
整体而言，阅读器的功能包括三个部份。第一是与发射/接收功能，该功能实现与卷标的通讯并能区别每个标签。第二是对所接收的信息进行初始处理。最后则是连接到服务器，服务器则负责将信息链接到企业。
RFID阅读器必须能同时处理覆盖区域中的多个卷标。这对一些在限定空间中具有许多标签的应用尤其重要。在多阅读器/标签应用的主要挑战是会产生碰撞，这是因为多个阅读器同时发出询问，且多个标签同时应答。不过有许多方法可解决这个问题。
最常见的方法是利用某种时分多任务算法。阅读器可设置成分时询问，标签可在一个随机的时间间隔后应答。在嵌入式软件中实现这一功能可提供更多灵活性。
2. RFID应答器(标签)
一个RFID标签包括一枚保有贴附标识对象唯一性信息的IC，一个接收来自阅读器能量并发射信息的天线(通常是印刷天线)，以及各类内含卷标的组件。
‘对象’一词，适用于许多不同的事物，从工厂的货物到动物乃至于人均包含在内。卷标与天线之间的距离是系统的一种重要可变因素，它受到标签技术的直接影响。以下将解释目前广泛采用的各种标签技术。
a. 被动标签
最简单的卷标是被动卷标。它由阅读器发给它的RF能量供电，不会占用空间，且无需额外电池。这使卷标的机械性能更可靠，且体积非常小(约如拇指般大小)。
不过，由于被动标签的接收功率与它和阅读器之间的距离呈正比，故缺点是这类标签与阅读器之间的距离有限。
谈到距离，所选用的RF频率也对链路的实际距离影响甚巨。低频卷标通常使用125~135kHz频率，但由于该频率范围的限制，其主要用途是门禁控制和动物标签。高频(HF)标签，绝大部份工作在13.56MHz频段，工作距离大约为一英呎或两英呎。其主要作用是简单的逐一识别，如门禁控制，收费或图书追踪。另一种是超高频(UHF)标签，工作在850~950MHz频段，工作距离较长，可达10英呎甚至更远。此外，阅读器可同时处理许多这类卷标，不像HF卷标只能逐一识别。
该特性还减少了在指定区域中的阅读器数量。由于该特性，UHF标签在业界得到了非常广泛的应用，主要用于货品追踪与控制。不过，UHF标签的主要缺点是不能有效地穿透液体。该缺点使其不太适用于处理饮料罐或人体等对象。对于这类应用，通常必需使用HF标签。
b. 半主动标签
与被动卷标类似(不像主动卷标)，半主动卷标透过将RF能量反射回标签阅读器来传送识别信息。不过，它需要一个电池为标签中的IC提供能量。
这种方式可实现某些应用，如在标签中植入传感器。于是，每个应答器不仅可以发送静态识别信息，还可以发送实时信息，如温度、湿度、时间/日期等。
透过只为IC和传感器提供电源，半主动标签可实现成本、尺寸和距离间的折衷。
c. 主动标签
主动卷标比半主动卷标更先进。它利用一个整合电池，能同时为标签IC(与传感器一起)和RF发射器供电，因此能实现更远的工作距离(100公尺以上)。
这也意味着允许对象以比被动和半主动卷标系统中更快的速度通过阅读器。此外，主动卷标可搭载比简单ID编码更多的产品信息。
RFID阅读器的软件架构
在介绍RFID阅读器的功能后，以下将讨论如何运用Blackfin这类汇聚处理器来实现阅读器。RFID阅读器软件架构的三个部份分别是：后端服务器接口，中介软件和前端卷标阅读器算法。值得注意的是，如果上述软件架构明确，它们都可以在一颗Blackfin处理器上执行。
1. 连通性
通常，RFID阅读器包括一个网络单元，将一次单独的RFID读取事件连接到中央服务器。后端网络接口可连接到有线以太网络(IEEE 802.3)、无线以太网络(IEEE 802.11 a/b/g)或者是ZigBee(IEEE 802.15.4)。
中央服务器执行数据库，其功能包括匹配、追踪和储存。许多应用都需要‘警报’功能。对供应链和仓库管理系统来说，这可能是补货触发器；而针对安全应用，这可能是一个安全警报。以执行uClinux的高性能嵌入式处理器为基础而建构的阅读器，在与后台服务器通讯时具有惊人的优势。包括TCP/IP协议堆栈的强韧性和SQL数据引擎的可用性，都减轻了研发过程中巨大的研发和整合负担。
2. RFID中介软件
在RFID的术语中，中介软件是位于前端RFID和后端企业系统之间的转译层。中介软件过滤来自阅读器的数据，并确保没有多个数据的重复和坏数据。在早期的RFID系统中，中介软件执行在服务器上。
但目前的发展趋势是，RFID数据在透过企业级网络来发送之前，先在阅读器上完成过滤。该增强功能是嵌入式处理器为该应用领域带来的另一项优点。
前端阅读器
讯号处理在阅读器系统的前端实现。该讯号处理通常要求增强的过滤和转换功能，这也是何必须使用像Blackfin这类具有强大讯号处理能力组件的原因。从RFID阅读器的观点来看连通性问题，为了与卷标进行通讯，ADC/DAC关键接口。
ADI公司提供了几款IF子系统的MxFE IC。这些组件是通用的IF子系统，对窄频IF输入讯号进行数字化。它们还具有低噪音放大器、混频器、ADC、AGC电路以及可编程滤波器。
I/Q数据输出串流直接送到处理器的并行端口。这些MxFE IC提供窄频接收机所能提供的最佳性能，非常适合RFID及其它应用。
Blackfin处理器
在本例中，Blackfin处理器提供到有线和无线网络的连接。某些处理器，如ADSP-BF536/7，芯片上还有一个10/100BaseT以太网络MAC。
在无线方面，所有Blackfin处理器均可透过SPI和SPORT外围直接连接到802.15.4 ZigBee和IEEE 802.11芯片。在无需消耗整个处理器频宽的条件下，即可实现线速传输。
此外，Blackfin处理器包含一个平行外围接口(PPI)，可直接连接到ADC/DAC。某些Blackfin包括两个PPI，可进一步扩展系统功能，如一个连接到照相机，另一个连接RFID阅读器。
另外，这些Blackfin的功能还使它们对1维和2维条形码应用特别具有吸引力，因为Blackfin可在同一颗芯片上执行网络连接和影像处理等系统控制功能。以Blzckfin软件而言，RFID阅读器提供了包括到混频讯号前端接口所需的所有驱动器。此外，该处理器还具备一个DMA驱动器，这在让数据通过系统时也相当有用。从系统角度来看，像802.11 Wi-Fi卡、USB thumb驱动器以及CompactFlash卡接口，都可利用Blzckfin迅速整合。
本文小结
未来，RFID应用将不再需要两个处理器，其中一个专门用于ADC/DAC接口，而另一个则作为为连网微控制器。一颗Blackfin汇聚处理器能够处理连网和控制功能，还具备用于转换器接口以及绘图匹配算法的能力，可为新一波的RFID应用节省BOM成本并加速上市时间。
作者：David Katz
Glen Ouellette
Rick Gentile
资深应用工程师
Giuseppe Olivadoti
现场应用工程师
ADI公司
