作者：David Katz, Glen Ouellette, Rick Gentile, and Giuseppe Olivadoti

我們在生活和工作中越來越多地遇到射頻識別（RFID）系統。從庫存控制到超市的快速結賬，該技術正在改變許多現有應用程序并啟用新應用程序。在前端，“信號鏈”從連接到目標單元的小標簽開始;標簽以比特流的形式將信息傳達給RFID閱讀器，RFID閱讀器檢測標簽何時存在于特定區域，并讀取它們攜帶的信息。在后端，基于服務器的系統維護和更新標簽數據庫，生成警報或在企業內啟動其他基于信息的流程。

目前，大多數RFID閱讀器都采用多個處理器來滿足應用要求。通常，信號處理器與模數轉換器（ADC）和數模轉換器（DAC）接口。然后，網絡處理器與本地或遠程服務器通信以進行信息存儲和檢索。本文介紹如何通過ADI公司Blackfin處理器系列的單個處理器管理這些看似不同的功能（信號轉換和網絡連接）。

我們首先簡要概述RFID技術，并討論它現在和未來的應用。然后，重點介紹 RFID 閱讀器功能，探索需要在 RFID 閱讀器上運行的基本軟件組件以及服務器連接。最后，一些框圖提供了一些系統配置建議。

當今的應用和新興應用

RFID技術允許同時監控多個項目，而無需人“觸摸”每個項目（例如，使用手持式條形碼掃描儀），從而實現了許多新型應用。可以利用這種自動識別的應用類型包括庫存控制、物流管理、監控和收費等多個領域。

如今，無處不在的面向商品的通用產品代碼 （UPC） 是一種一維 （1D） 條形碼，幾乎涵蓋了所有可供公眾購買的東西。條形碼包含有關其所附物品的相關信息，可能包括商品的建議零售價和/或制造地點和日期。一維和二維條形碼也可用于跟蹤物品的貨件詳細信息。

條形碼適用于單個項目，但是當有許多東西要掃描時，工作流程會變得低效。例如，打開并單獨掃描包含數百或數千個最終產品的托盤上的每件物品是不切實際的。但是，即使要掃描的物品相對較少，例如超市收銀臺的雜貨，也必須在掃描儀和被掃描的標簽之間建立正確的對齊方式。更重要的是，操作大件物品以查找條形碼可能具有挑戰性。

RFID技術以比特流的形式用EPC（電子產品代碼）取代UPC。EPC 至少允許自動收集條形碼中包含的相同類型的信息并進行遠程訪問，只需最少的人為干預。此外，EPC 可以包含與標記項目的唯一識別特征相關的更多信息，即使有許多相同的項目也是如此。此外，與傳統條形碼不同，無論物品朝哪個方向或環境照明條件如何，都可以檢測和跟蹤物品。霧、黑暗，甚至倉庫污垢都不再重要。

以下是當今RFID系統的更多使用方式：

在超市食品托盤和箱子中，他們可以跟蹤資產并更好地管理資產池。由于能夠寫入標簽，可以包含其他信息（例如保質期）。此外，還可以實施自動重新訂購，以保持貨架的適當庫存。

在圖書館中，它們可用于自動發放和歸還材料，這些材料在早期是通過使用條形碼掃描儀單獨讀取標簽來識別的。

在服裝標簽中，他們可以識別真正的商品來源。通過使用標簽的識別號，可以將該物品認證為真品或被挑出來作為假冒產品進行調查。

在制藥行業，它們可用于防止假冒用品。

在體育比賽中，他們可以準確地跟蹤跑步者在長時間比賽中的進步。

無線射頻識別系統概述

RFID 使用比特流的射頻 （RF） 傳輸來與對象通信、識別、分類和/或跟蹤對象。每個對象都有自己的RFID標簽（也稱為應答器）。整個系統采用標簽閱讀器，這是一個從每個標簽接收射頻能量的子系統。閱讀器具有嵌入式軟件，用于管理接收到的標簽信息的詢問、解碼和處理;它與包含標簽數據庫和其他相關信息的存儲系統進行通信。圖1顯示了RFID系統的概念圖。

圖1.RFID 系統的簡化表示。

無線射頻識別閱讀器

RFID閱讀器提供單個標簽和跟蹤/管理系統之間的連接。它有多種外形尺寸可供選擇，通常足夠小，可以安裝在柜臺、三腳架或墻壁上。根據應用和操作條件，可能會有多個讀卡器來完全服務于特定區域。例如，在倉庫中，讀取器網絡可以確保在從 A 點到 B 點時 100% 查詢和記錄所有托盤。

總體而言，閱讀器提供了三個主要功能：與標簽進行雙向通信以隔離單個標簽;接收到的信息的初始處理;以及與將信息鏈接到企業的服務器的連接。

RFID 讀取器必須處理感興趣區域內的多個標簽，這在受限空間區域內具有許多標簽的應用中非常重要的考慮因素（例如，駐留在眾多工廠托盤上的多個標簽產品）。

多讀取器/標記方案中的主要挑戰是，當許多讀取器發送查詢并且多個標記同時響應時，將發生沖突。避免此問題的最常見方法是使用某種形式的時分復用算法。可以將讀取器設置為在不同時間詢問，而標簽可以配置為在隨機時間間隔后響應。很明顯，能夠在嵌入式軟件中實現此功能提供了額外的靈活性。

射頻識別應答器（“標簽”）

RFID標簽由一個集成電路（IC）芯片組成，該芯片保存有關標簽所貼物體的唯一信息（例如EPC數據），用于從閱讀器接收RF能量并傳輸信息的天線（通常是印刷電路圖案），以及某種包裹標簽組件的外殼。值得記住的是，上述術語“對象”可以適用于任何數量不同的事物，從工廠商品到動物，再到人。標簽到閱讀器的距離是一個重要的系統變量，它直接受到標簽技術的影響。標簽可以是被動的、主動的或半主動的。

被動標簽

無源標簽是最簡單的類型。它們完全由閱讀器發送的射頻能量供電，沒有集成電池，因此價格低廉，機械堅固且非常小（例如，大約縮略圖的大小）。然而，無源標簽的讀取器到標簽范圍有限，因為接收功率取決于它們與RFID閱讀器的物理距離。

鏈路的范圍也受所選RF頻率的影響。低頻 （LF） 標簽通常使用頻譜的 125 kHz 至 135-kHz 部分;由于它們的范圍有限，它們主要用于訪問控制和動物標記。高頻 （HF） 標簽主要在 13.56 MHz 頻段工作，允許幾英尺的范圍。它們通常用于簡單的一對一對象讀取，例如訪問控制、收費和便攜式物品（如圖書館書籍）的跟蹤。

另一方面，UHF 標簽的工作頻率從 850 MHz 到 950 MHz，并且具有更長的范圍——10 英尺或更遠。此外，由于可用的帶寬可能更寬，閱讀器可以一次詢問許多這些標簽，而不是在較低頻率下一對一的標簽讀取過程。這種特性有助于最大限度地減少給定區域中對多個讀取器的需求，使UHF標簽在庫存跟蹤和控制的工業應用中非常受歡迎。然而，UHF標簽無法有效地穿透液體，這是一個主要缺點，使它們對飲料和人體等充滿液體的物體不太有用。為了跟蹤這些項目，通常使用 HF 標簽代替。

在2004年對被動標簽供應商的調查中，預計16年UHF標簽的價格將達到每個標簽2008美分，低于57年的2003美分，從而繼續使標簽項目成為一種具有成本效益的資產和庫存跟蹤方法。

半主動標簽

與無源標簽一樣，半有源標簽將射頻能量反射（而不是傳輸）回標簽讀取器以發送識別信息。但是，這些標簽還包含為其IC供電的電池。這允許一些有趣的應用，例如當標簽中包含傳感器時。除了靜態識別數據外，每個應答器還可以傳輸實時屬性，例如溫度、濕度和時間戳。通過僅使用電池為簡單的IC和傳感器供電（不包括發射器），半有源標簽實現了成本、尺寸和范圍之間的折衷。

活動標簽

有源標簽更進一步，使用集成電池為標簽IC（以及任何傳感器）和RF發射器供電。作為自供電的，它們可以在更大的讀取器到標簽范圍內運行（高達100+米），這也意味著允許貨物比被動或半主動標簽系統更快地通過閱讀器。此外，有源標簽可以攜帶比EPC代碼更多的產品信息。

不利的一面是，電池縮短了有源標簽的使用壽命，并增加了其成本和尺寸。有源標簽通常在 433-MHz 和 2.4 GHz 工業、科學和醫療 （ISM） 頻段中工作，這些頻段在世界大部分地區都可用。因此，隨著越來越多的無線消費類產品出現基于 2.4 GHz 的 802.11 和藍牙模塊，有源標簽和這些設備之間的共存成為一個重要問題。?

RFID 閱讀器的軟件架構

在描述了RFID閱讀器的基本功能之后，我們現在考慮如何使用Blackfin類型的收斂處理器實現閱讀器。RFID閱讀器軟件架構的三個要素是：后端服務器接口，中間件和前端標簽閱讀器算法。雖然不同，但軟件架構的所有這些元素都可以在單個Blackfin處理器上同時運行。

后端服務器和連接

通常，RFID 閱讀器包含一個網絡元素 - 有線以太網 （IEEE 802.3）、無線以太網 （IEEE 802.11 a/b/g） 或 ZigBee。?例如，（IEEE 802.15.4） 將單個 RFID 讀取事件連接到中央服務器。中央服務器運行數據庫應用程序，其功能包括匹配、跟蹤和存儲。在許多應用中，還存在“警報”功能（用于供應鏈和庫存管理系統的重新訂購觸發器，或用于安全應用程序的警衛警報）。

順便說一下，圍繞運行μClinux（也稱為uClinux）的高性能嵌入式處理器構建的讀卡器在與后端服務器通信時比不運行處理器的讀卡器具有實質性的優勢。強大的 TCP/IP 堆棧的存在和 SQL 數據庫引擎的可用性極大地減輕了開發過程中的主要集成負擔。

中間件

RFID中使用的術語中間件的定義與其他嵌入式系統中的使用略有不同。在RFID術語中，中間件是前端RFID閱讀器和后端企業系統之間的軟件轉換層。中間件過濾來自讀取器的數據，并確保它沒有多次讀取或錯誤數據。在早期的RFID系統中，中間件在服務器上運行，但現在RFID數據的過濾通常在通過企業網絡發送之前在閱讀器上執行。這種程度的功能增強是嵌入式處理器為這一應用領域帶來的另一個優勢。

閱讀器的前端

系統的濾波器和變換密集型信號處理發生在讀卡器的前端，需要具有通常與Blackfin處理器相關的強大信號處理性能的設備。

模數轉換器和數模轉換器 現在我們已經大致了解了RFID系統的組件，讓我們從RFID閱讀器的角度關注連接性。為了與標簽通信，混合信號前端（MxFE）IC構成了目標接口。?

MxFE 器件是通用的中頻子系統，包括 A/D 和 D/A 轉換器、低噪聲放大器、混頻器、AGC 電路和可編程濾波器。I&Q 數據的輸出流直接連接到處理器并行端口。ADI公司的MxFE IC系列產品是目前性能最高的窄帶接收器，非常適合RFID和其他應用。

圖2顯示了典型MxFE器件的框圖。

圖2.代表性MxFE IC的框圖，AD9861。

用于 RFID 應用的黑鰭金槍魚處理器

Blackfin處理器提供與有線和無線網絡的連接。某些處理器（如ADSP-BF536和ADSP-BF537）在片上具有10-Base-T/100-Base-T以太網MAC。在無線方面，所有Blackfin處理器都可以通過SPI和SPORT外設直接連接到802.15.4 ZigBee和IEEE 802.11芯片組。可以在不消耗整個處理器帶寬的情況下獲得線速傳輸。?

此外，Blackfin處理器還包括一個并行外設接口（PPI），可以直接連接到ADC和DAC，例如上述ADC和DAC。一些Blackfin處理器包括兩個PPI，可以進一步擴展系統功能，例如，允許將相機連接到RFID閱讀器。除了RFID應用，這些Blackfin功能對于1D和2D條形碼應用也特別有吸引力，因為Blackfin能夠在同一設備上執行系統控制，網絡和圖像處理。

對于 RFID 應用，由于 RFID 閱讀器詢問標簽的方式，單個 PPI 通常就足夠了。首先，PPI配置為發送模式，處理器向DAC發送數字序列。傳輸的序列被轉換為模擬信號，然后上變頻并發送出去以激勵/喚醒本地RFID標簽，然后進行響應。同時，PPI在少量處理器系統時鐘脈沖中重新配置為接收器（參見EE-Note 236），如圖3所示。通過這種方式，下變頻RF信號可以由ADC采樣并直接引入Blackfin。在圖中，每個接收 （Rx） 和發送 （Tx） 間隔之間的時間以系統時鐘周期為單位進行測量。經過的時間允許傳輸的信號到達標簽，并允許標簽發送響應。

圖3.具有單個ADC/DAC接口的RFID讀取器的Tx/Rx序列圖示。

在某些RFID應用中，Blackfin處理器可以單獨充當服務器，例如，當不需要大型數據存儲和數據庫操作時。例如，想象一位年邁的父母戴著一個帶有標簽的手鐲，可以在屋內進行監控。如果在指定的時間間隔內沒有發現活動跡象，監測機構可以提醒登記的朋友或親戚。

構成Blackfin RFID閱讀器基礎設施的軟件組件可在 Blackfin.uClinux.org 網站上找到。該產品包括連接混合信號前端IC所需的驅動器，以及DMA驅動器，該驅動器在系統中移動數據非常有用。基于μClinux的網絡堆棧和SQL數據庫引擎也可用。從系統角度來看，802.11 Wi-Fi卡、USB拇指驅動器和CompactFlash卡接口等附加功能可以非常快速地與Blackfin設備集成。

射頻識別系統示例

有線射頻識別系統

RFID 最常見的應用是資產管理，它通過減少庫存損失、消除錯誤交付、改善配送物流和減少缺貨而受益——這是能夠跟蹤托盤在倉庫中的移動的結果。大型倉庫中的RFID系統可以跟蹤滿載集裝箱的托盤從托盤進入倉庫到離開的移動。這樣的系統依賴于放置在整個倉庫和入庫/出庫運輸點的固定RFID閱讀器。

作為簡化有線基礎設施的一種手段，以太網供電網絡 （PoE） 是此類應用的理想選擇。IEEE 802.3a/f PoE 處理低功耗應用中的網絡系統。PoE 系統（如圖 4 所示）由供電設備 （PSE） 和用電設備 （PD） 組成。PSE 提供以太網線路的斷電，而 PD（出于本討論的目的）構成融合網絡處理器及其周圍組件。PoE 建議的最大電纜長度為 100 米，適用于許多嵌入式 RFID 應用，因為它具有相對的移動性并消除了與安裝傳統交流布線和插座相關的成本。

圖4.基于 PoE 的 RFID 資產跟蹤系統示例。

除了 RFID 采集軟件外，支持嵌入式 RFID 應用的網絡處理器還需要足夠的性能和集成度來處理復雜的多層 IP 堆棧。ADSP-BF537 Blackfin處理器（包括10-Base-T/100-Base-T以太網MAC）就是這種集成的一個很好的例子。例如，許多以太網 PHY 設備提供狀態引腳，能夠在狀態更改時中斷。此功能與Blackfin中斷功能無縫集成，以產生一個強大、節能的系統。

低成本的無線射頻識別

對于叉車式掃描儀或便攜式手持式掃描儀等無法進行有線或 PoE 操作的應用，IEEE 802.11b/g 等無線協議允許 RFID 讀取器連接到無線接入點，如圖 5 所示。Blackfin處理器可以通過串行或并行接口連接到802.11芯片組。此外，由于其計算能力，這些處理器支持拆分 MAC 和全 MAC 802.11a/b/g 實現。例如，CompactFlash 802.11b卡的系統集成可能需要全MAC，該卡通過Blackfin的異步內存端口進行接口。拆分 MAC 實現通常通過 SPORT 或 SPI 接口進行接口 - 較低的 MAC 駐留在無線芯片組上，而較高的 MAC 在 Blackfin 軟件中執行。

圖5.無線RFID資產跟蹤系統的示例。

雖然它們的堆棧和處理要求可以在單核處理器上輕松處理，但無線應用正在測試性能與功耗的界限。利用低成本融合處理器（如ADSP-BF531）的動態電源管理功能，可實現基于應用要求的可擴展性能。這些動態功耗模式旨在為幾乎任何聯網系統提供靈活的性能和功耗安排。

高性能系統

在新興應用中，RFID技術正在與其他設備配對，例如生物識別傳感器或CMOS圖像傳感器。如圖6所示，在安全授權和人員訪問控制的高級應用中，RFID與圖像分析相結合，以確保在安全的環境中，房間內不僅正好有N個人，而且他們都是“授權人員”。

圖6.RFID 安全分類系統的示例。

此類應用的計算需求非常適合由ADSP-BF561等雙核收斂處理器處理。額外的處理器內核不僅有效地使設備可以處理的計算負載翻倍;它還提供了一些令人驚訝的結構性優勢，這些好處并不明顯。

傳統上，雙核處理器采用在每個內核上運行的離散且通常不同的任務。例如，一個內核可以執行所有與控制相關的任務，例如網絡、與大容量存儲的接口、RFID 采集和整體流控制。此內核也是操作系統或內核可能駐留的位置。同時，第二個內核可以專用于應用程序的高強度處理功能。例如，人類識別算法的視頻處理部分可能在第二個內核上運行，生成的數據包可能會傳遞到第一個內核，以便通過網絡接口進行傳輸。

雙核ADSP-BF561包含雙通道高速L1指令和數據存儲器（每個內核本地），以及兩個內核之間的共享L2存儲器。每個內核都可以平等地訪問各種外設，包括視頻端口、串行端口、定時器等。如上所述，ADSP-BF561的一個內核可以管理RFID采集和網絡組件，而另一個內核可以專用于圖像分類系統，可以實時檢測、分類和跟蹤對象。

μClinux

μClinux操作系統是促進網絡連接（閱讀器最大的軟件組件）以及穩健性和標準合規性的關鍵要求的熱門選擇。讀取RFID標簽時，必須確保滿足實時要求。由于μClinux調度器不是嚴格實時的，因此可以用ADEOS實時調度器代替，它可以安全地阻止μClinux中斷，直到實時關鍵處理完成。這意味著前端讀卡器軟件可以從ADEOS域實時執行，而中間件和后端服務器接口可以在傳統的μClinux環境中運行。這種劃分使用戶可以對應用程序進行硬實時控制，同時允許訪問開源軟件的所有好處。有關μClinux或ADEOS的更多信息，請參閱Blackfin μClinux Wiki。

圖7顯示了連接到Blackfin ADSP-BF537 STAMP開發平臺的ADI公司MxFE評估板，該平臺運行MxFE驅動程序代碼、μClinux操作系統和TCP/IP網絡堆棧。

圖7.用于RFID閱讀器應用的基于Blackfin的評估系統。

結論

正如我們所展示的，RFID應用不再需要用于ADC/DAC接口的專用信號處理器和用于網絡的微控制器。Blackfin系列的收斂處理器可以處理網絡和控制，并為轉換器接口和模式匹配算法提供充足的性能。這反過來又降低了物料清單的成本，并加快了下一波RFID應用的上市時間。

審核編輯：郭婷