概述
射頻識(shí)別（RFID，Radio Frequency Identification）是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，通過(guò)射頻信號(hào)在空間上的耦合實(shí)現(xiàn)非接觸式數(shù)據(jù)傳輸，達(dá)到自動(dòng)識(shí)別對(duì)象并獲取相關(guān)信息的目的。
目前市場(chǎng)上有大量的、面向眾多領(lǐng)域的RFID 應(yīng)用系統(tǒng)。 在開(kāi)發(fā)這些RFID 系統(tǒng)時(shí)， 若因不同的應(yīng)用需求和應(yīng)用環(huán)境，而將每個(gè)RFID 系統(tǒng)孤立看待，無(wú)疑會(huì)增加開(kāi)發(fā)成本和延長(zhǎng)開(kāi)發(fā)周期。 因此，文中基于構(gòu)件化的封裝設(shè)計(jì)思想設(shè)計(jì)了一個(gè)RFID 系統(tǒng)通用的軟硬件平臺(tái)，對(duì)軟硬件進(jìn)行封裝，提高軟硬件的可重用性和可移植性，在保證系統(tǒng)性能的前提下，避免重復(fù)勞動(dòng)，縮短開(kāi)發(fā)周期。
1 總體設(shè)計(jì)方案
1.1 RFID 射頻識(shí)別系統(tǒng)一般模型
RFID 射頻識(shí)別系統(tǒng)因具體應(yīng)用不同其組成會(huì)有所不同，但是通過(guò)分析它們的共性可以建立一個(gè)一般的模型， 如圖1 所示。 該模型主要由電子標(biāo)簽、射頻識(shí)別裝置即讀卡器、PC 主機(jī)組成。 電子標(biāo)簽與射頻識(shí)別裝置之間通過(guò)耦合元件實(shí)現(xiàn)射頻信號(hào)的空間耦合。 在耦合通道內(nèi)， 根據(jù)時(shí)序關(guān)系，實(shí)現(xiàn)能量的傳遞、數(shù)據(jù)的交換。
一個(gè)通用的RFID 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)是指：此平臺(tái)以RFID 射頻識(shí)別系統(tǒng)一般模型為基礎(chǔ)，提供開(kāi)發(fā)RFID 射頻識(shí)別系統(tǒng)通用的硬件和軟件構(gòu)件。 在設(shè)計(jì)思路上須遵循構(gòu)件化設(shè)計(jì)、可二次開(kāi)發(fā)性和平臺(tái)化設(shè)計(jì)原則。
1.2 RFID 通用開(kāi)發(fā)平臺(tái)硬件構(gòu)件模型
在一般模型中，電子標(biāo)簽根據(jù)自身是否帶電源可分為有源標(biāo)簽、無(wú)源標(biāo)簽，根據(jù)存儲(chǔ)方式分為只讀標(biāo)簽、讀寫(xiě)標(biāo)簽，根據(jù)工作距離分為密耦合型標(biāo)簽識(shí)別距離1cm 內(nèi)、近耦合型標(biāo)簽識(shí)別距離10 cm內(nèi)、鄰近型標(biāo)簽識(shí)別距離100 cm 內(nèi)。 不同的電子標(biāo)簽識(shí)別技術(shù)不一樣。
文中的通用開(kāi)發(fā)平臺(tái)主要面向無(wú)源的近耦合型RFID 應(yīng)用， 參照ISO/IEC 14443 協(xié)議操作13.56 MHz 讀寫(xiě)標(biāo)簽（Type A 卡） 或者只讀標(biāo)簽（Type B 卡）， 并配備各種常用接口和外設(shè)如通用I/O口、網(wǎng)絡(luò)、串口、SPI、USB、LCD、語(yǔ)音以適應(yīng)不同的應(yīng)用。 RFID 通用開(kāi)發(fā)平臺(tái)硬件構(gòu)件模型如圖2 所示。 在單芯片解決方案中， 通常MCU 內(nèi)部包含有通用I/O 口和一些內(nèi)置的功能模塊如串口、網(wǎng)絡(luò)等，因此相對(duì)于核心構(gòu)件MCU 而言，通用I/O 口、SPI、串口、網(wǎng)絡(luò)是MCU 內(nèi)部構(gòu)件，LCD、語(yǔ)音、USB、射頻可以看成是其外設(shè)構(gòu)件。
1.3 RFID 通用開(kāi)發(fā)平臺(tái)軟件構(gòu)件模型
RFID 通用開(kāi)發(fā)平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)分為兩大部分：
底層軟件構(gòu)件層和高層構(gòu)件層。 其中底層軟件構(gòu)件層針對(duì)硬件構(gòu)件編程， 是硬件驅(qū)動(dòng)程序的封裝，高層構(gòu)件層根據(jù)用戶的實(shí)際應(yīng)用需求調(diào)用底層軟件構(gòu)件層封裝好的功能函數(shù)。 通用平臺(tái)的軟件構(gòu)件層次模型如圖3 所示。 將通用I/O 口的驅(qū)動(dòng)封裝為GPIO 構(gòu)件，各內(nèi)置功能模塊的驅(qū)動(dòng)程序封裝為功能構(gòu)件，合稱為內(nèi)部軟件構(gòu)件。 外設(shè)的驅(qū)動(dòng)程序封裝為外設(shè)軟件構(gòu)件。
原則上開(kāi)發(fā)基于此平臺(tái)的各種應(yīng)用只需要設(shè)計(jì)PC 端的應(yīng)用軟件，其余軟、硬件構(gòu)件不需要進(jìn)行改動(dòng)，這就是RFID 通用開(kāi)發(fā)平臺(tái)的構(gòu)件化封裝設(shè)計(jì)的思想。 高層構(gòu)件層提供了訪問(wèn)各個(gè)構(gòu)件的網(wǎng)絡(luò)命令，PC 端主機(jī)操作網(wǎng)絡(luò)、射頻、LCD、USB、語(yǔ)音等構(gòu)件時(shí)，只需發(fā)送相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)命令即可。
2 RFID 通用開(kāi)發(fā)平臺(tái)設(shè)計(jì)
2.1 硬件設(shè)計(jì)
硬件構(gòu)件模型中首先是主控制器MCU 的選型。 由于RFID 應(yīng)用廣泛， 很多場(chǎng)合要求控制器有較快的處理速度， 有多種控制模塊如A/D 控制模塊、CAN 總線模塊、以太網(wǎng)控制模塊等。 綜合分析，文中選擇了飛思卡爾單芯片解決方案MCF52235處理器。 該處理器采用Coldfire V2 內(nèi)核和精簡(jiǎn)指令集（RISC），頻率為60 MHz，通過(guò)設(shè)置鎖相環(huán)（ PLL ），MCF52235 能夠穩(wěn)定工作在80 MHz. 內(nèi)部集成了10/100M 快速以太網(wǎng)控制器（FEC）、以太網(wǎng)物理收發(fā)器（EPHY）等模塊，還有UART，I2C、QSPI、PWM 、快速ADC 等模塊，實(shí)現(xiàn)了單芯片解決方案。
由于MCF52235 處理器中集成的以太網(wǎng)模塊已經(jīng)包括了以太網(wǎng)控制器和物理層收發(fā)器，因此網(wǎng)絡(luò)硬件構(gòu)件僅需添加少量的元件便可。 MCF52235處理器的PHY_RXP、PHY_RXN 引腳用于接收數(shù)據(jù)，PHY_TXP、PHY_TXN 引腳用于發(fā)送數(shù)據(jù)。 這兩對(duì)收、發(fā)引腳分別接50 Ω 的上拉電阻。 SPDLED 引腳接網(wǎng)速LED 燈指示當(dāng)前的連接速度是10 Mbps還是100 Mbps，LNKLED 引腳接的LED 燈則指示當(dāng)前是否已經(jīng)與另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備連接。 如果RFID射頻系統(tǒng)中讀卡器終端并不多，可以不采用網(wǎng)絡(luò)而是通過(guò)USB 接口與PC 機(jī)進(jìn)行通信。 USB 構(gòu)件采用飛思卡爾的單芯片MC9S12UF32， 它提供了高速USB2.0 接口， 即插即用。 此處使用USB 接口不是為了獲得更高的速度而是為了使用方便，所以選擇通過(guò)MCF52235 的一個(gè)串口與UF32 通信。
射頻芯片選用的是飛利浦RC531 芯片，工作頻率為13.56 MHz， 在不外加功率放大器時(shí)讀寫(xiě)距離可達(dá)10 cm，它通過(guò)SPI 接口與MCF52235 通信。
LCD 構(gòu)件采用耀宇科技的YM12864 圖形點(diǎn)陣液晶。 該液晶顯示器可以顯示4 行、每行8 個(gè)漢字或者16 個(gè)字母。 它有兩種常用的連接方式：并行和串行。 并行連接需要11 根引腳線， 串行連接僅用3 根引腳線，因此與MCU 的連接采用串行的連接方式。 另外還需一個(gè)引腳控制背光燈電源的正極LEDA開(kāi)關(guān)。 語(yǔ)音模塊和LCD 模塊的功能一樣，都是為了增強(qiáng)人機(jī)交互， 它采用上海奔流公司的BMP5008語(yǔ)音芯片。 狀態(tài)指示燈用于觀察系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)和用戶的操作，通過(guò)GPIO 口連接，幾乎所有的MCF52235 引腳都可以作為GPIO 引腳。 主控制器MCF52235 與各模塊的引腳連接如圖4 所示。
2.2 軟件設(shè)計(jì)
根據(jù)平臺(tái)的軟件構(gòu)件層次模型，先將各個(gè)模塊的驅(qū)動(dòng)程序封裝成構(gòu)件。 底層軟件構(gòu)件是與硬件直接打交道的，它由頭文件和源程序文件兩部分組成。 編程思想是分析構(gòu)件的共性和個(gè)性，抽取出構(gòu)件的屬性和對(duì)外接口函，用戶使用該構(gòu)件時(shí)只需了解其接口函數(shù)， 而不必去了解內(nèi)部具體如何實(shí)現(xiàn)。
頭文件部分給出構(gòu)件屬性的宏定義和對(duì)外接口函數(shù)的原型說(shuō)明，源程序部分是函數(shù)的實(shí)現(xiàn)。
以太網(wǎng)構(gòu)件主要包括以太網(wǎng)物理收發(fā)器（EPHY）和快速以太網(wǎng)控制器（FEC） 的初始化、TCP/IP 協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)。 它的接口函數(shù)原型說(shuō)明如下：
//==================================
uint8 hw_ephy_init （uint16 sysclk，uint8 ratemode，
uint8 dupmode，uint8 autoneg）； //EPHY 初始化
void hw_fec_init （uint8 mac_addr_fec ［6］;//FEC初始化
int8 hw_fec_sendframe （uint8 ch ［］， uint8destAdd［6］， uint8 srcAdd［6］， uint16 lenType， uint16len）；//發(fā)送單個(gè)以太網(wǎng)幀
uint8 hw_fec_receiveframe（uint8 ch［］， uint16 *len）；//接收單個(gè)以太網(wǎng)幀
uint hw_icmp_handle（PACKET p）；//處理接收到的ICMP 包，響應(yīng)ping 請(qǐng)求
int hw_udp_send （unshort fport， unshort lport，
PACKET p）；//發(fā)送UDP 包
//==================================
RC531 射頻模塊與MCF52235 通信嚴(yán)格按照串行通信時(shí)序要求。 RC531 與ISO/IEC 14443 TypeA 和Type B 卡通信，則按照A、B 卡調(diào)制和編碼的方式設(shè)置相關(guān)的寄存器，并根據(jù)ISO/IEC 14443 協(xié)議來(lái)設(shè)計(jì)軟件即可。 讀卡器與A、B 卡之間的通信是按照應(yīng)答方式來(lái)進(jìn)行的，非接觸式的卡有很多工作狀態(tài)，各個(gè)狀態(tài)的轉(zhuǎn)化可通過(guò)讀卡器向卡發(fā)送一系列命令完成。 射頻構(gòu)件的接口函數(shù)說(shuō)明如下所示：
// ==操作Type A 卡的部分主要函數(shù)======
void pcdinit（）；//R 初始化
char pcdreset（）；//RC531 復(fù)位
char pcdrequest（uint8 req_code）；//尋卡
char pcdanticoll（uint8 *snr）；//防碰撞
char pcdselect（uint8 *snr）；//選定一張卡
// =========操作Type B 卡的函數(shù)========
void pcdinitB（）；//B 卡初始化
char pcdrequestB（uint8 *pupi）；//尋B 卡
char pcdattrib（uint8 *pupi）；// 發(fā)送attrib 命令
char pcdhaltB（uint8 *pupi）；// B 卡掛起
char pcdgetUID （uint8 *snr， uint8 *len）； //獲得B 卡的ID
//==================================
MCF52235 與LCD 構(gòu)件的通信同樣采用串行方式。 串行通信的一次數(shù)據(jù)分3 個(gè)字節(jié)傳輸。 第一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)格式為11111AB0，表示串行控制，A 是選擇數(shù)據(jù)方向，1 表示LCD 到MCF52235，0 表示MCF52235 到LCD. B 是選擇數(shù)據(jù)類型，1 表示數(shù)據(jù)為顯示數(shù)據(jù)，0 表示數(shù)據(jù)為控制命令。 第二個(gè)字節(jié)格式為DDDD0000， 表示8 位數(shù)據(jù)的高4 位。 第三個(gè)字節(jié)格式為0000DDDD 表示8 位數(shù)據(jù)的低4 位。
LCD 構(gòu)件接口函數(shù)說(shuō)明如下所示：
//==================================
void lcd_init（）；//初始化
void lcd_display （const char* buf， int line）；//在第line 行顯示buf，line>=0 && line<= 3
//==================================
USB 軟件構(gòu)件比較簡(jiǎn)單，只需對(duì)MC9S12UF32的USB 模塊進(jìn)行初始化，UF32 便可以和MCF52235 進(jìn)行交互了。 由于MCF52235 與UF32采用串口連接， 因此只要在串口中斷程序中調(diào)用USB 構(gòu)件，UF32 便可從串口接收數(shù)據(jù)， 然后通過(guò)USB 傳送給上位機(jī)。 上位機(jī)通過(guò)USB 接口發(fā)送數(shù)據(jù)給UF32 也產(chǎn)生一個(gè)中斷，在中斷程序把數(shù)據(jù)緩存起來(lái)再調(diào)用USB 構(gòu)件， 通過(guò)串口發(fā)送給MCF52235. USB 構(gòu)件接口函數(shù)說(shuō)明如下所示：
//==================================
void uf32_uart_init（void）；//uf32 模塊初始化
void uf32_uart_send（uint8 ch［］，uint32 n）； //發(fā)送數(shù)據(jù)
uint32 uf32_uart_rev （uint8 ch ［］，uint32 n）； //接收數(shù)據(jù)
//==================================
語(yǔ)音構(gòu)件相對(duì)比較簡(jiǎn)單，接口函數(shù)說(shuō)明如下所示：
//==================================
void audio_init（）；//語(yǔ)音模塊初始化
void audio_play（int i）；//語(yǔ)音播放
void audio_stop（）；//語(yǔ)音停止
//==================================
串口構(gòu)件接口函數(shù)說(shuō)明如下所示：
//==================================
uint8 hw_uart_init（uint8 uartNo， uint32 baud）；//串口初始化
uint8 hw_uart_rev_one （uint8 uartNo， uint8 *fp）； //串口接收一個(gè)字節(jié)到fp
uint8 hw_uart_send_one（uint8 uartNo， unit8 ch）；
//串口發(fā)送一個(gè)字節(jié)
//==================================
SPI 構(gòu)件接口函數(shù)說(shuō)明如下所示：
//==================================
uint8 hw_spi_init （uint8 spiNo，uint8 master）；//SPI 初始化
uint8 hw_spi_send （uint8 spiNo，uint8 data ［］，uint8 len）；//SPI 發(fā)送數(shù)據(jù)
uint8 hw_spi_re（uint8 spiNo，uint8 data［］）； //SPI接收數(shù)據(jù)
uint8 hw_spi_enable_re_int （uint8 spiNo）； //開(kāi)SPI 接收中斷
uint8 hw_spi_disable_re_int （uint8 spiNo）； //關(guān)SPI 接收中斷
//==================================
GPIO 構(gòu)件接口函數(shù)說(shuō)明如下所示：
//==================================
uint8 hw_gpio_init （uint8 port，uint8 pin，uint8dir，uint8 state）；//初始化端口為GPIO 引腳
uint8 hw_gpio_set （uint8 port，uint8 pin， uint8state）； //設(shè)置指定引腳狀態(tài)
uint8 hw_gpio_get（uint8 port，uint8 pin）；//獲取指定引腳狀態(tài)
uint8 hw_gpio_reverse（uint8 port，uint8 pin）；//反轉(zhuǎn)指定引腳狀態(tài)
//==================================
高層構(gòu)件包括三個(gè)部分：FreeRTOS 操作系統(tǒng)在MCF52235 上的移植［13-14］，Shell 的實(shí)現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)命令和信息的封裝。 將FreeRTOS 移植到MCF52235主要是實(shí)現(xiàn)3 個(gè)底層匯編級(jí)的支持函數(shù)，tk_frame（task *tk， int （*entry）（）， int arg）函數(shù)為tk 進(jìn)程創(chuàng)建堆棧幀保存進(jìn)程的各種狀態(tài)；tk_switch （task *tk）函數(shù)用于把當(dāng)前進(jìn)程切換到tk 進(jìn)程；tk_getsp（）函數(shù)返回當(dāng)前堆棧指針。 另外，在FreeRTOS 中運(yùn)行一個(gè)Shell 進(jìn)程，進(jìn)程函數(shù)為int keyboard （int param），可調(diào)試或查看系統(tǒng)狀態(tài)信息，比如各個(gè)進(jìn)程的運(yùn)行狀態(tài)、ARP 表、IP 地址、MAC 地址、連接狀態(tài)等。
Shell 實(shí)現(xiàn)的效果如圖5 所示。
在實(shí)際應(yīng)用中，通常一臺(tái)PC 主機(jī)管理若干讀卡器， 一個(gè)讀卡器可以為若干PC 主機(jī)服務(wù)。 每個(gè)PC 主機(jī)和讀卡器都具有不同的IP 地址， 一臺(tái)PC主機(jī)可以控制讀寫(xiě)器1 讀寫(xiě)每個(gè)Type A 卡的某個(gè)塊數(shù)據(jù)， 還可以同時(shí)控制讀寫(xiě)器2 讀寫(xiě)每個(gè)TypeA 卡的另一個(gè)塊數(shù)據(jù)， 或者請(qǐng)求讀取Type B 卡的UID， 整個(gè)網(wǎng)絡(luò)關(guān)系比較復(fù)雜。 因此采用將主機(jī)發(fā)送的命令、網(wǎng)絡(luò)信息、卡信息封裝在如下所示的若干個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中。
//==================================
struct invite_info //PC 主機(jī)發(fā)送的讀卡請(qǐng)求
{ char del_or_add; //主機(jī)離開(kāi)或加入
uint8 type; //卡的類型
uint8 block; //要訪問(wèn)的數(shù)據(jù)塊
uint8 password［6］; //塊的密碼
};
struct ip_arrays_B //讀Type B 卡信息
{ ip_addr ipaddress; //IP 地址
int port; //UDP 端口號(hào)
};
struct send_data_type //發(fā)送到主機(jī)的數(shù)據(jù)
{ uint8 sn［4］; //序列號(hào)
uint8 block; //塊號(hào)
uint8 data［16］; //16 個(gè)字節(jié)塊數(shù)據(jù)
uint8 ret; //返回值
};
struct IC_ope //用于消費(fèi)用途的RFID 應(yīng)用
{
uint8 block; //總的金額數(shù)
float fsub; //每次刷卡扣除的金額數(shù)量
uint8 *pass;
};
struct record_info //記錄卡信息
{ //此塊引用計(jì)數(shù)，0 表示沒(méi)有請(qǐng)求讀這塊數(shù)據(jù)
uint8 ref; //引用計(jì)數(shù)
uint8 block; //塊號(hào)
uint8 password［6］; //塊的訪問(wèn)密碼
};
struct ip_arrays_A //讀Type A 卡信息
{ ip_addr ipaddress; //IP 地址
int port; // UDP 端口號(hào)
uint8 block ［num_of_rf_structs］; //這個(gè)UDP連接要讀取的所有塊
};
struct net_cmd //發(fā)送到板子的命令
{ uint8 lenth; //請(qǐng)求數(shù)據(jù)長(zhǎng)度
uint8 cmdope; //操作碼
uint8 data［1］; //數(shù)據(jù)
};//=================================
3 RFID 通用開(kāi)發(fā)平臺(tái)應(yīng)用
基于此平臺(tái)文中開(kāi)發(fā)了學(xué)生機(jī)房上機(jī)刷卡系統(tǒng)。 在每個(gè)機(jī)房安裝一臺(tái)讀卡器，PC 主機(jī)的數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)了每個(gè)機(jī)房的課表、任課教師和學(xué)生的信息。 學(xué)生持卡到各個(gè)機(jī)房的讀卡器上刷卡，讀卡器將讀到的信息通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)絇C 主機(jī)上，統(tǒng)計(jì)學(xué)生人數(shù)和上、下課時(shí)間等情況， 相關(guān)信息顯示在LCD 上并進(jìn)行語(yǔ)音提示。 PC 端軟件實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)通信功能和學(xué)生機(jī)房上機(jī)刷卡管理系統(tǒng)。 網(wǎng)絡(luò)通信通過(guò)CManagerDlg：： m_skInfo 和CManagerDlg：：
m_skCmd 這2 個(gè)sokcet 接口完成。 學(xué)生機(jī)房上機(jī)刷卡管理系統(tǒng)開(kāi)發(fā)軟件采用VC++2012 和SQLServer 2012 關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)。 學(xué)生機(jī)房上機(jī)刷卡管理系統(tǒng)界面如圖6 所示。
4 結(jié)語(yǔ)
現(xiàn)有RFID 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)基本是根據(jù)具體應(yīng)用需求進(jìn)行單獨(dú)設(shè)計(jì)的。 而這些不同的應(yīng)用系統(tǒng)在軟、硬件部分具有很大的重復(fù)性，為提高軟、硬件的可重用性，文中通過(guò)分析RFID 射頻識(shí)別系統(tǒng)一般模型，提出了一種基于MCF52235 的RFID 通用開(kāi)發(fā)平臺(tái)軟、硬件構(gòu)件化設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)了集成多種接口的具備通用功能的RFID 開(kāi)發(fā)平臺(tái)，并將該平臺(tái)應(yīng)用于學(xué)生機(jī)房上機(jī)管理系統(tǒng)中。 實(shí)踐證明它為RFID 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)提供了一個(gè)快速、通用的軟、硬件模型。
