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防爆型電子標簽(RFID)手持機設計
作者：邵琦
來源：RFID世界網
日期：2011-03-23 10:43:22
摘要：以51系列8位為基礎設計一款防爆的電子標簽手持式讀寫器，系統地分析和闡述了這個手持設備的硬件設計，以及嵌入式操作系統軟件平臺的建立，包括對于15693協議電子標簽操作的描述，對從事電子標簽設計和應用研究的科研工作者具有參考意義。
引言
RFID的核心部分是一個帶有天線的小型芯片，集成在極薄的標簽中。這些標簽通過射頻調制將電子產品代碼傳輸到RFID讀寫器中，就如同掃描條形碼一樣，但它不像條碼那樣受光線和位置的影響。在發達國家和地區，RFID在訪問控制、人的識別系統、貨物完整性、防盜以及軍事上用途廣泛。因此對此種標簽操作的超高頻讀寫器的設計也有很廣泛的應用前景。
1 RFID原理介紹
RFID原理是讀寫器通過發送超高頻載波來激活標簽內部的芯片，即芯片通過天線感應能量將存儲在自身中的信息發送給讀寫器。其載波通信頻段根據各國劃分的不同有所不同。調制方式都采用ASK方式，協議有IS015693，ISO14443-A，-B等。主要介紹IS015693協議下的標簽手持式讀寫器設計。
2 硬件設計
2．1射頻模塊。讀寫器的射頻模塊主要是實現將讀寫器發往電子標簽的命令調制到射頻信號上，經由發射天線發送出去，同時實現將電子標簽返回到讀寫器的信號進行必要的加工處理，并從中解調提取出電子標簽回送的數據。其結構如圖1所示。為了適應標簽在金屬表面讀寫的需要，本項目確定對射頻模塊的發射功率作加大調整，增加讀寫距離。
2．3微處理器。微處理器是電子標簽讀寫設備的核心部件，根據嵌入式軟件的指令完成各種應用功能，包括與計算機之間的通信、對電子標簽內數據的處理、安全控制及對外圍設備的控制等功能。
2．4天線。讀寫器天線與射頻模塊之間必須滿足阻抗匹配，在手持式讀寫器中，將模塊與天線進行一體化設計，但在本項目中考慮到實際應用需要，必須延長天線的饋線，具體內容包括饋線延長以后的輸入輸出阻抗匹配設計；極化方向設計；高增益設計和功率容量設計。
2．5輸入輸出模塊。讀寫器的輸入輸出模塊包括鍵盤和顯示屏等，本項目將在原有產品結構上，對顯示屏進行加固，提高可靠性；對鍵盤采用塑料薄膜加橡膠按鍵方式加以改進，以提高鍵盤使用壽命。
2．6電源模塊。在原電源穩壓器的基礎上加裝過壓過流保護裝置，增加電壓電流的檢測裝置，提高讀寫器的可靠性。
2．7安全模塊。置于讀寫器內部含安全模塊，包含有通信接口、SAM卡驅動和操作系統等。為提高讀寫器的運算速度，將對SAM卡接口的通信速率進行調整， 由原來的9600bps提升到38400bps。
3軟件設計
3．1操作系統。對讀寫器的核心系統進行改進，采用實時操作系統，支持標準漢字庫、輸入法、SAM卡操作系統系統等軟件模塊。
3．2驅動程序。對原有驅動程序作出改寫，滿足操作系統多任務的需要，根據硬件設備的變化可方便地進行軟件裁剪。
3．3 文件系統的建立和實現。現有的存儲器結構為512K的NOR FLASH，其中后256K的容量用作字庫的存儲。因此只有256K容量用來記錄平時的操作數據。而且此FLASH一共有128塊(每塊可以獨立擦除)，每塊容量為4K。存儲器結構如圖2所示：FLASH存儲器的特點是可以將數據從1寫成0，但是要從0改變為1則必須執行塊擦除才行，而且一塊FLAsH的擦除次數是有限的最多10萬次。原來使用的存儲方式是不管寫人多少的字節都先將此塊數據備份到最后一塊(第63塊)，然后通過擦除指令，擦除這一塊的信息，再將改寫的數據寫入到當前塊上。這樣操作使每寫人一個數據就要擦除一塊，特別是最后一塊備份區很容易由于過多地擦除而減少其使用壽命。還有一個弊端就是每次存儲都要對4K數據作整體的讀寫操作，使記錄存儲操作的時間變得很長。由于以上原因，對于記錄的存儲需要建立一個文件系統來統一管理。并且由于此FLASH所能提供的存儲空間有限，因此只作靜態的文件結構，而不是動態鏈接表的方式。作為靜態文件系統，通過宏定義的方式確定每種記錄的類型和給這種記錄開辟的存儲空間。由于系統需要記錄一些如記錄數量或是開機啟動設置之類的數據，因此將系統文件獨立存放在0塊和1塊這兩個塊中，并且這兩個塊作為相互備份。其他的塊用作存儲5種不同類型的記錄結構。宏定義如下：
#define BLOCK_SYS_ BCK 1 ∥系統文件結束塊號
—————一記錄文件區— — 一
#define BLOCK STR RECORDO 2 ／／人廠記錄
記錄文件存儲結構如圖3所示。
文件的表頭結構體如下：
由文件表頭構成的塊存儲空間結構如圖4所示：
RFID的核心部分是一個帶有天線的小型芯片，集成在極薄的標簽中。這些標簽通過射頻調制將電子產品代碼傳輸到RFID讀寫器中，就如同掃描條形碼一樣，但它不像條碼那樣受光線和位置的影響。在發達國家和地區，RFID在訪問控制、人的識別系統、貨物完整性、防盜以及軍事上用途廣泛。因此對此種標簽操作的超高頻讀寫器的設計也有很廣泛的應用前景。
1 RFID原理介紹
RFID原理是讀寫器通過發送超高頻載波來激活標簽內部的芯片，即芯片通過天線感應能量將存儲在自身中的信息發送給讀寫器。其載波通信頻段根據各國劃分的不同有所不同。調制方式都采用ASK方式，協議有IS015693，ISO14443-A，-B等。主要介紹IS015693協議下的標簽手持式讀寫器設計。
2 硬件設計
2．1射頻模塊。讀寫器的射頻模塊主要是實現將讀寫器發往電子標簽的命令調制到射頻信號上，經由發射天線發送出去，同時實現將電子標簽返回到讀寫器的信號進行必要的加工處理，并從中解調提取出電子標簽回送的數據。其結構如圖1所示。為了適應標簽在金屬表面讀寫的需要，本項目確定對射頻模塊的發射功率作加大調整，增加讀寫距離。
2．3微處理器。微處理器是電子標簽讀寫設備的核心部件，根據嵌入式軟件的指令完成各種應用功能，包括與計算機之間的通信、對電子標簽內數據的處理、安全控制及對外圍設備的控制等功能。
2．4天線。讀寫器天線與射頻模塊之間必須滿足阻抗匹配，在手持式讀寫器中，將模塊與天線進行一體化設計，但在本項目中考慮到實際應用需要，必須延長天線的饋線，具體內容包括饋線延長以后的輸入輸出阻抗匹配設計；極化方向設計；高增益設計和功率容量設計。
2．5輸入輸出模塊。讀寫器的輸入輸出模塊包括鍵盤和顯示屏等，本項目將在原有產品結構上，對顯示屏進行加固，提高可靠性；對鍵盤采用塑料薄膜加橡膠按鍵方式加以改進，以提高鍵盤使用壽命。
2．6電源模塊。在原電源穩壓器的基礎上加裝過壓過流保護裝置，增加電壓電流的檢測裝置，提高讀寫器的可靠性。
2．7安全模塊。置于讀寫器內部含安全模塊，包含有通信接口、SAM卡驅動和操作系統等。為提高讀寫器的運算速度，將對SAM卡接口的通信速率進行調整， 由原來的9600bps提升到38400bps。
3軟件設計
3．1操作系統。對讀寫器的核心系統進行改進，采用實時操作系統，支持標準漢字庫、輸入法、SAM卡操作系統系統等軟件模塊。
3．2驅動程序。對原有驅動程序作出改寫，滿足操作系統多任務的需要，根據硬件設備的變化可方便地進行軟件裁剪。
3．3 文件系統的建立和實現。現有的存儲器結構為512K的NOR FLASH，其中后256K的容量用作字庫的存儲。因此只有256K容量用來記錄平時的操作數據。而且此FLASH一共有128塊(每塊可以獨立擦除)，每塊容量為4K。存儲器結構如圖2所示：FLASH存儲器的特點是可以將數據從1寫成0，但是要從0改變為1則必須執行塊擦除才行，而且一塊FLAsH的擦除次數是有限的最多10萬次。原來使用的存儲方式是不管寫人多少的字節都先將此塊數據備份到最后一塊(第63塊)，然后通過擦除指令，擦除這一塊的信息，再將改寫的數據寫入到當前塊上。這樣操作使每寫人一個數據就要擦除一塊，特別是最后一塊備份區很容易由于過多地擦除而減少其使用壽命。還有一個弊端就是每次存儲都要對4K數據作整體的讀寫操作，使記錄存儲操作的時間變得很長。由于以上原因，對于記錄的存儲需要建立一個文件系統來統一管理。并且由于此FLASH所能提供的存儲空間有限，因此只作靜態的文件結構，而不是動態鏈接表的方式。作為靜態文件系統，通過宏定義的方式確定每種記錄的類型和給這種記錄開辟的存儲空間。由于系統需要記錄一些如記錄數量或是開機啟動設置之類的數據，因此將系統文件獨立存放在0塊和1塊這兩個塊中，并且這兩個塊作為相互備份。其他的塊用作存儲5種不同類型的記錄結構。宏定義如下：
#define BLOCK_SYS_ BCK 1 ∥系統文件結束塊號
—————一記錄文件區— — 一
#define BLOCK STR RECORDO 2 ／／人廠記錄
記錄文件存儲結構如圖3所示。
文件的表頭結構體如下：
由文件表頭構成的塊存儲空間結構如圖4所示：
