基于S3C6410的航空用RFID讀卡器設(shè)計方案[圖]

0 引 言

隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，航空日益成為民眾所依賴的出行方式。航空貨運物流系統(tǒng)中食品與商品種類多，安全要求高，交接手續(xù)繁雜，急需引入信息化管理，RFID技術(shù)的出現(xiàn)對于改善民航的物流管理有著積極的意義。航空物流RFID系統(tǒng)主要由電子鉛封、讀卡器和數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)等組成，現(xiàn)有的讀卡器一般采用單片機系統(tǒng)（如STC89C54或MC9S12X128）或者STM32系列，它們的普遍缺點是：主頻偏低，不支持操作系統(tǒng)且用戶體驗不佳，滿足不了航空貨運物流系統(tǒng)日益增長的應(yīng)用需求。在航空食品和免稅商品物流系統(tǒng)中，地勤與空乘人員急需操作簡潔，反應(yīng)快速，可隨時通過無線網(wǎng)絡(luò)上傳數(shù)據(jù)的手持讀卡器，從而加快物流速度，提高機場工作人員的工作效率�；�于上述情況，提出了基于S3C6410的高主頻的射頻識別讀卡器，它支持linux操作系統(tǒng)，支持多線程操作，操作人員可在多個讀卡界面之間切換并且能隨時隨地通過GPRS上傳數(shù)據(jù)到SQL數(shù)據(jù)庫，不但大大降低機場工作人員的工作量，而且提高了航空物流的速度與安全性。

1 硬件設(shè)計方案

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)采用了S3C6410微處理器，其穩(wěn)定主頻667MHz,最高主頻可達800MHz.S3C6410集成了許多外設(shè)接口，如Camera接口、TFT-24bit真彩色LCD控制器、電源系統(tǒng)管理、4通道UART、32通道DMA、4通道定時器、通用I/O 端口、IIS、IIC 總線接口、USBHost、USB OTG（480Mbps）、3通道SD/MMC Host控制器及時鐘生成PLL等。此外采用90nm COMS工藝，低功耗、簡潔、精美且全靜態(tài)設(shè)計使得S3C6410非常適合對成本、功耗敏感的應(yīng)用。

系統(tǒng)的顯示屏采用3.5寸24位的真彩觸摸TFT-LCD,分辨率最大可支持到1 024×1 024,本讀卡器的分辨率為480×272.存儲外設(shè)為Nand flash、24C64 和SD 卡。

LINUX的Uboot、內(nèi)核、開機圖片和文件系統(tǒng)都燒寫到nand flash中，24C64用于保存觸摸屏校正參數(shù)和從電子標(biāo)簽中讀取的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)啟動時S3C6410自動從24C64中讀取校正參數(shù)，避免每次開機需校正屏幕。SD卡用于儲存從電子鉛封中讀取的數(shù)據(jù)，此外漢字庫與圖標(biāo)等文件也存放在SD卡中。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

S3C6410通過串口1驅(qū)動GPRS模塊（SIM300）與上位機SQL數(shù)據(jù)庫進行無線通信。SIM300是一款3頻段GSM/GPRS模塊，可在全球范圍內(nèi)的EGSM 900 MHz、DCS 1 800MHz、PCS 1 900MHz 3種頻率下工作，能夠提供GPRS多信道類型多達10個，并且支持CS-1、CS-2、CS-3和CS-4 4種GPRS編碼方案。

射頻芯片采用NXP公司的CLRC632,它是一款針對13.56MHz的高集成無線射頻IC,其管腳與MF RC500,MF RC530,MF RC531和SL RC 400均可兼容，可讀寫符合ISO14443協(xié)議的Type A 卡和Type B 卡，以及支持ISO15693協(xié)議的電子標(biāo)簽。RC632提供了2種通信接口，第一種是8位并口，可直接與各種8位微處理器相連接；第二種是SPI接口，本系統(tǒng)即采用了此通信接口，微處理器通過設(shè)置RC632的寄存器，便可實現(xiàn)射頻操作（見圖2）。

圖2 CL RC632原理

SPI總線是一種高速全雙工同步的通信總線，它使用4條線：MISO 、MOSI、SCLK 、CS.其主要特點有：同時發(fā)出和接收串行數(shù)據(jù)；可當(dāng)主機或從機工作；提供頻率可編程時鐘；發(fā)送結(jié)束中斷標(biāo)志；寫沖突保護；總線競爭保護等。

RC632總共有32個管腳，其中管腳22、23、24是寄存器的地址線，管腳13到管腳20是8位并口。當(dāng)采用SPI方式通信時，管腳13即數(shù)據(jù)位D0為MISO,管腳22即地址線A0為MOSI,管腳24即地址線A2為CLK,D1到D7則不需要連接。此外，必須把A1與NCS置底電平，NRD與NWR置高電平。

RC632與天線之間通過3個管腳DTX1、DTX2與DRX進行通信，它會把調(diào)制好的13.56MHz的能量載波通過管腳DTX1、DTX2傳輸?shù)教炀�，而天線則通過管腳DRX把13.56MHz的能量載波傳輸回RC632.一般采用2種方法將天線連接到RC632:直接匹配天線和50Ω匹配天線，本系統(tǒng)采用直接匹配的方式將RC632與天線連接，其包括了EMC低通濾波器、天線匹配電路與接收電路。

系統(tǒng)采用PCB環(huán)形天線，它的EMC低通濾波器用于濾除高頻電磁波，天線匹配電路與天線進行阻抗匹配，以獲得最大的功率傳輸，增大讀卡距離，同時避免阻抗失配可能對電路造成的損害。經(jīng)實測，天線的可操作距離為5~10cm.

2 讀卡器的軟件設(shè)計

讀卡器的操作系統(tǒng)采用較穩(wěn)定的Linux-2.6.30內(nèi)核，文件系統(tǒng)為yaffs文件系統(tǒng)。軟件分為2大部分：第一部分為QT程序，主要的功能是接受用戶指令與顯示圖形界面；第二部分為射頻驅(qū)動程序，它負責(zé)對RC632的寄存器進行操作，實現(xiàn)具體的射頻功能。在編寫射頻讀卡的QT應(yīng)用程序之后，需把它整合到y(tǒng)affs文件系統(tǒng)中。此外，還需裁剪linux內(nèi)核，把驅(qū)動配置到內(nèi)核配置單中。

13.56MHz的RFID的典型協(xié)議有ISO-14443協(xié)議和ISO-15693協(xié)議。其中ISO-14443協(xié)議是非接觸式IC卡標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，應(yīng)用較ISO-15693更為廣泛。下面將主要分析ISO-14443協(xié)議，ISO-14443由4個部分組成：第一部分，物理特性；第二部分，頻譜功率和信號接口；第三部分，初始化和防碰撞算法；第四部分，通訊協(xié)議。

ISO-14443通信協(xié)議的報文可分成6個部分，如表1所示：

表1 ISO-14443通信協(xié)議的報文數(shù)據(jù)格式

報頭2字節(jié)固定為AABB,報文長度代表從節(jié)點到校驗的字節(jié)之和，命令代碼指明了報文的功能。常用的命令代碼有0201（尋卡）、0202（防沖突）、0203（選卡）、0206（密碼認證）、0208（讀卡）、0209（寫卡）等。

QT程序在啟動后，會在TFT-LCD上顯示一系列的圖標(biāo)，分別為：尋卡、讀卡、寫卡、選擇扇區(qū)等，在尋卡中包含了防沖突檢測，它是讀卡過程中非常重要的一個步驟[10-11].其流程如下，當(dāng)用戶點擊TFT-LCD的尋卡圖標(biāo)時，觸摸屏上會產(chǎn)生觸摸點的位置信號，系統(tǒng)根據(jù)觸摸點坐標(biāo)判斷其所在的區(qū)域，依據(jù)觸摸的區(qū)域，系統(tǒng)做出相應(yīng)的處理。QT程序把ISO-14443協(xié)議中的尋卡（0201），防沖突（0202），選卡（0203），密碼認證（0206）都整合到1個子函數(shù)中。尋卡過程分為4個過程：

1）搜索標(biāo)簽-即S3C6410通過串口1發(fā)送指令給RC632操作其中的相關(guān)寄存器進行天線操作。無論是否有卡在天線感應(yīng)區(qū)域范圍之內(nèi)，RC632都會S3C6410回傳相關(guān)數(shù)據(jù)，S3C6410收到數(shù)據(jù)后，進行判斷是否有電子標(biāo)簽存在。

2）防沖突-如果在天線感應(yīng)區(qū)域范圍之內(nèi)有一張以上的電子標(biāo)簽，那么讀卡器就需要進行選擇。RC632在防沖突后，將給微處理器傳回4個字節(jié)的電子標(biāo)簽卡號。

3）選擇標(biāo)簽-如果要對相應(yīng)卡號的電子標(biāo)簽進行操作，則微處理器就會發(fā)送命令給RC632,使其選中這張電子標(biāo)簽，以便進行下一步的讀寫操作。

4）密碼認證-只有擁有正確密碼的讀卡器才能讀寫相應(yīng)的電子標(biāo)簽。

選擇扇區(qū)后，如進行讀卡操作，則直接點擊讀卡圖標(biāo)，如進行寫卡操作的話，則還需用輸入數(shù)據(jù)。如圖3所示。

圖3 QT應(yīng)用程序流程。

射頻驅(qū)動程序在收到應(yīng)用程序發(fā)來的報文后，除去報頭與校驗位，通過case語句判斷命令代碼，然后跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的子程序，子函數(shù)通過驅(qū)動程序?qū)�RC632的寄存器進行設(shè)置，實現(xiàn)射頻操作。讀取RC632數(shù)據(jù)時，MOSI線的第一個字節(jié)設(shè)置模式與地址：具體來說，第0位設(shè)置為1,第1位到第6位為地址，第7位設(shè)置為0,MOSI線的其他字節(jié)均按此設(shè)置。MISO線的第一個字節(jié)保留，從第二個字節(jié)開始為從RC632返回的數(shù)據(jù)。對RC632寫入數(shù)據(jù)時，MOSI線的第一字節(jié)代表地址，從第二個字節(jié)開始為寫入RC632的數(shù)據(jù)，此時MISO線沒有啟用。

驅(qū)動RC632時，首先設(shè)置信道校驗寄存器，把第0,2比特置1（啟用奇偶校驗與CRC校驗），然后把控制寄存器第3比特清零（不啟用數(shù)據(jù)加密），接著把0x07寫入比特結(jié)構(gòu)控制器，最后一步是設(shè)置發(fā)射控制寄存器為0x03（在管腳TX2發(fā)送未經(jīng)調(diào)制的13.56MHz連續(xù)載波）。設(shè)置完寄存器狀態(tài)后，RC632便可與電子鉛封進行通信。通信過程中的寄存器操作包含以下幾個步驟：

1）置中斷使能與中斷請求2個寄存器為0x07,設(shè)置命令寄存器，取消當(dāng)前命令；2）清除FIFO BUF讀寫指針（即FIFO[6:0]清零），設(shè)置中斷使能寄存器，提示標(biāo)志位已經(jīng)設(shè)置；3）依次把數(shù)據(jù)寫入到FIFO BUF,把數(shù)據(jù)從天線發(fā)送出去；4）設(shè)置命令寄存器，激活要執(zhí)行的命令，讀取錯誤標(biāo)志寄存器，判斷是否出錯；5）等待規(guī)定的時間，然后讀FIFO BUF,把天線接收的數(shù)據(jù)讀取到RC632中；6）置中斷時能與中斷請求2個寄存器為0x07,設(shè)置控制寄存器，停止定時器，設(shè)置命令寄存器，取消當(dāng)前命令。

3 現(xiàn)場實測和上位機SQL數(shù)據(jù)庫通信實例

在現(xiàn)場測試過程中，分別對電子鉛封的扇區(qū)4,扇區(qū)16,扇區(qū)33各進行了20次操作，其中只有對扇區(qū)16的一個寫過程中出現(xiàn)了數(shù)據(jù)丟失情況，這顯示出了穩(wěn)定的操作性能。表2是讀卡器對貨物的電子鉛封進行數(shù)據(jù)寫入與讀出的實例：先寫入內(nèi)容11220003,然后再把寫入的內(nèi)容讀出，其操作的扇區(qū)為04號，設(shè)置密碼為FFFFFFFFFF.

讀出的數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰CSQL 數(shù)據(jù)庫后的界面如圖4所示。

表2 現(xiàn)場實測電子鉛封讀寫數(shù)據(jù)

圖4 數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫的界面

4 結(jié) 論

提出了基于S3C6410微處理器的高主頻射頻識別讀卡器，實現(xiàn)了讀卡、寫卡與上傳數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)庫的功能。實驗表明該讀卡器具有良好的穩(wěn)定性與實用性，適合于民用航空領(lǐng)域的應(yīng)用。該讀卡器系統(tǒng)對于民航物流的發(fā)展提高具有一定的參考價值和應(yīng)用前景。