基於ARM平台的RFID系統設計與實現

名稱:基於ARM平台的RFID系統設計與實現
摘要： RFID（無線射頻）技術作為近年來興起的一項新興的自動識別技術。由於其具有讀取距離遠、穿透能力強、抗污染、效率高、信息量大的特點，已經得到廣泛的開發與應用。本文給出了一種ARM平台的RFID系統設計與實現方案，並已經過測試。
1.引言
近年來，RFID（無線射頻）技術是正在興起的一項新興的自動識別技術。RFID利用射頻方式進行非接觸雙向通信，從而實現對物體的識別，並將採集到的相關信息數據通過無線技術遠程進行傳輸。相較目前廣泛採用的條型碼技術，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（可同時處理多個標籤）、信息量大的特點。它的出現給物流和生產方面的工業應用帶來了革命性的影響[1]。
正是由於上述原因，本文提出了一種基於ARM平台的RFID系統設計與實現方案，以滿足人們在嵌入式領域對RFID技術的開發與應用。
2.系統介紹
2.1系統硬體設計
硬體系統框圖：如圖處理器採用現行嵌入式系統中最流行ARM系列，具體採用ATMEL公司的工業級ARM晶元。FLASH為4M，採用的晶元是AM，用於存儲LINUX內核，RAMDISK和一些系統配置文件和測試數據。SDRAM為M，採用的晶元是 MT48LC2M32B2TG-6。網路介面的物理層晶元採用RTL8201。同時還配有輸入輸出設備，即LCD顯示屏和5×4鍵盤。電源採用穩壓模塊輸出穩定的電壓，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系統軟體設計
我們採用LINUX作為系統的操作系統，給標準LINUX打上支持ARM系列的補丁包后內核便提供了對 AT91RM9200的支持（我們稱之ARM-LINUX），在ARM-LINUX之下，編寫鍵盤，LCD,網卡，FLASH文件系統的驅動程序。在ARM-LINUX上編寫一個小型簡潔的GUI(圖形界面用戶介面),使程序更加模塊化，便用上層程序的編寫和以後系統的升級。
3.硬體電路設計
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。
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形成迴路，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，由於Q7導通后的阻抗很小，所以電源類似於接通，對C69繼續充電，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。此系統在Q7,Q8沒有導通前，MOS管的阻抗很大，所以功耗電流很校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。根據上面以上要求，該電路的工作原理是： LM7812是一個穩壓模塊，為系統提供穩定的9V電壓。LM555是一個觸發器，管腿二和管腿六是觸發端，管腿五是參考電壓，當管腿二的電壓小於管腿五和管腿六的三分之一電壓小於管腿五的時候，管腿三輸出0V；當管腿二的電壓小於管腿五但管腿五的電壓大於管腿六的三分之一電壓的時候，管腿三輸出VCC；當管腿二的電壓大於管腿五時候，管腿三輸出0V。當該系統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，二極體不亮；當把待充電池接在VCC端的時候，通過C45濾波（防止干擾脈衝）的採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，發光二極體變亮；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，充電結束，發光二極體熄滅。綜上所述，只要參考電壓足夠精確，就不會造成電池過充現象。同時充電電壓能夠達到9V，所以調節R52完全可以在充電電流和充電時間上進行權衡。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。因為並不是所有的元件在PROTEL的元件庫中都存在，一般要根據自己實際所用的晶元建立自己的元件庫。繪製原理圖。當器件比較多的時候，可以採用層次設的方法。分模塊對系統進行設計，這樣可以使系統更加清晰，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，要嚴格按照晶元公司的資料繪製。為每一個元件設置封裝。用嚮導產生PCB文件，定義好電路板的層數和邊界。利用設計同步器將器件導入到PCB中。根據具體的工藝設計好規則，如過孔大小，最小線寬。按照易於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.系統軟體設計
4.1 LINUX在 AT91RM9200上的移植
AT91RM9200兩種啟動方式：1.其內部存儲器地址為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的調試串口（或者是USB口）不停的發字元"C"，同時提供小於12K程序的串口(利用XMODEM協議)下載功能。2.可以直接從外部存儲器啟動，主要是連接在SPI(串列外部設備介面)和NCS0（CPU上的一個管腿，是EBI即外部匯流排介面的一部分，用於外部存儲器的定址）上的SPI DataFlash，Two-wire EEPROM和連接在NCS0上的8比特并行存儲器。
根據CPU的啟動方式，我們可以這樣設計移植過程及系統的啟動方式。在系統移植階段，我們應用啟動方式
1，通過其下載功能下載一個小於12K的程序(實際使用的程序為Loader,是開放源碼的軟體，可以在網上下載到)到SDRAM並運行，該程序可以提供大於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於PC機上BIOS的功能（實際使用的是U-BOOT，是開放源碼的軟體，可以在網上下載到），其功能主要有：LINUX系統引導，網卡驅動，TFTP下載功能，SDRAM和FLASH之間的讀寫功能。
通過其TFTP下載功能下載內核到SDRAM，引導操作系統並進行測試。如果操作系統測試工作無誤后，可以應用U-BOOT的寫FLASH功能把U-BOOT和LINUX內核寫到FLASH中，在應用程序開發階段應用CPU的啟動方式2，直接從FLASH啟動。這種方法的優勢是：在內核下載的時候，提供了TFTP下載功能，加快了速度。在應用程序開發階段，因為內核（還有後面的RAMDISK）都是固化在FLASH中，可以省去其下載過程，同樣也可以節省時間[3]。
移植過程大致可分為以下幾個步驟：配置用戶環境及交叉編譯環境；編譯Loader和UBoot，其中要在UBoot中修改網卡驅動；3.配置Linux內核；4.製作ramdisk文件系統，並根據實際系統進行修改；5.移植Busybox；6.JFFS2文件系統的移植。在Linux內核中已經包含了MTD和JFFS2文件系統的驅動程序，但是必須針對具體的系統編寫驅動程序。具體步驟如下：1）由於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作為根文件系統的話，必須修改他們之一的major。2)編寫驅動程序：編寫讀，寫，複製介面（這些介面將被MTD驅動程序調用，提供給上層軟體的讀寫複製功能），定義map_info結構體，以便MTD能夠從這個結構體中得到讀寫函數的指針，最後還要定義FLASH的分區表。根據系統的設計，我們把4M的FLASH分成四個區，第一個分區用來保存UBOOT及其參數；第二個分區用來保存LINUX內核；第三個分區用來保存RAMDISK；最後一個分區用來保存系統參數和用戶數據和測試數據。3）修改LINUX的配置文件，把驅動程序加入到內核[4]。
4.2 LINUX驅動程序的編寫
我們研究字元型設備的驅動程序的編寫，塊設備驅動程序跟字元設備驅動程序的編寫有一定的相似性。
驅動程序載入時，內核會調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的函數名。用module_exit(function name)標識釋放設備程序，在初始化函數里驅動程序必須向操作系統註冊設備，以獲得系統資源和操作系統正確的調用驅動程序。在Linux中這個函數是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是為設備向系統申請的主設備號，name驅動程序給設備定義的名字，fops是接下來要介紹的一個結構體。在卸載的時候需要告知操作系統註銷註冊[5]。
下面簡要介紹一下file_operation結構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據。
2. ssize_t (*write) (struct file *, const char *, size_t, loff_t *);向設備發送數據。
3. int (*ioctl) (struct inode *,struct file *,unsigned int,unsigned long);系統調用ioctl提供了一種執行設備特定的命令的方法（如格式化軟盤某個磁軌，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行的第一個操作。
5. int (*release) (struct inode *, struct file *);當file結構被釋放時，將調用這個操作。
4.3 RFID程序的編寫
本系統採用的RFID晶元是SONY生產的RC-S600，它有自己的通信協議，並支持串口或者USB口直接連接。這就大大方便了系統的開發與應用。由於本系統採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於串口的API介面函數。
1． int PortOpen(pportinfo_t pportinfo);打開串口，返迴文件描述符。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);發送數據。fdcom：串口描述符，data：待發送數據，datalen：數據長度。返回實際發送長度。
5． int PortRecv(int fdcom, char *data, int datalen, int baudrate);接收數據。fdcom：串口描述符，data：接收緩衝區，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后，可以通過由串口向RFID晶元發送命令字進行控制，以下為RC-S600的Command說明：1. Polling Command。從指定了System Code的卡里，取得製造ID（IDm）和製造Parameter（PMm）的指令。2. Diagnose R/W。RC-S600系列進行自我診斷，取得診斷結果的指令。3. Turn off RF Power。將RC-S600系列的RF輸出置於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。對卡發送1次host指定Command，根據是否從卡收到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。
經測試，本系統能對所用RFID晶元的指定命令字進行正確讀寫和返回。
5.結論
本文給出了一種基於ARM平台的RFID系統設計，現已通過實際測試。由於本系統採用的是標準介面設計，這就為以後的多功能開發平台提供了理想的硬體環境。