基于RFID的便携式阅读器的设计

    1 引言
    RFID(射频识别)技术是一种非接触式的自动识别技术,通过发射射频信号对目标进行自动识别。RFID 系统由电子标签和阅读器及后台的管理系统构成。阅读器的主要功能是读写电子标签上存储信息,并与后台的管理系统进行数据交换,再由后台管理系统对数据进行处理。由于RFID 阅读器内部没有大容量的数据存储器,所以需要连接计算机(通常是笔记本电脑)才能对数据进行采集,这不仅使RFID 系统的经济成本很难降低,而且给数据采集操作人员带来了一定的不便。如果能够开发出带有大容量数据存储器的阅读器,不但能使用其脱离计算机独立进行数据采集,还将增加阅读器的便携性, 同时还能降低其经济成本。
    USB 技术因其使用方便、传输速度快等优点而得到广泛应用。USB 接口技术主要分为USB-Host(USB主机,通常是计算机)和USB-Slave(USB 设备,通常是数据采集或存储设备)。USB-Host 居于主导地位,与UBS设备的数据交换都是由USB-Host 发起和控制。如果能够把USB-Host 技术应用于RFID 阅读器的数据存储模块, 则能够满足RFID 阅读器独立采集数据及长时间采集海量数据的需求。但问题是USB-Host 技术主要应用于PC 机系统中,而在嵌入式系统的应用中缺少与USB-Host 直接接口技术。以USB-Host 主机接口芯片SL811HS 的推出为单片机技术与USB-Host 技术两者结合,利用单片机直接读写U 盘,从而实现RFID 便携式阅读器的外挂式海量存储方案的实现提供了可能。
    2 RFID 便携式阅读器硬件构成
    便携式阅读器在RFID 系统中主要功能是从电子标签中读取数据,并先将采集的数据处理后暂时存储在数据存储模块的U 盘中,然后把U 盘插入计算机,RFID 管理系统再从U 盘中读取采集的数据。便携式阅读器的硬件组成主要有控制模块、数据存储模块、通信模块、人机交互模块、时钟模块、供电模块等。硬件系统的构成如图1 所示。
   

    图1 便携式阅读器硬件构成

    (1) 阅读器控制模块
    阅读器控制模块是便携式阅读器的部件,主要完成对电子标签中数据的收发,对发送数据进行调制,对收到数据进行解调;对通信模块的控制,驱动射频模块和天线,提供能量载波;及数据存储控制等。MCU 选用AT89C51单片机,标签读写模块选用同欣的TX125LER 芯片。
    (2) 数据存储模块
    其功能MCU 把采集来的温度等数据通过USBHost芯片按照约定数据存储协议存储到移动数据存储器中, 以便于后续数据的回放。USB-Ho s t 芯片采用Cypress 公司的SL118SH 芯片。
    (3) 通信模块
    通信模块由射频模块、USB 接口模块、天线等构成,其功能是对收发数据进行调制解调、与计算机进行实时通信、能量载波等。射频模块采用TEMIC 公司的U2270B 芯片。
    (4) 人机交互模块
    人机交互模块由LCD 显示器和键盘构成,其功能是通过LCD 实时显示采集数据的信息和查询U 盘上采集数据信息及对阅读器进行设置。
    3 数据存储模块设计
    3.1 SL811HS 芯片
    在这里选SL811HS 芯片作为数据存储模块的USB主机控制器, SL811HS 支持USB1.1 的全速和低速设备, 其内部有虚拟的外部总线, 这使得仅需占用外接单片机的1 个寻址空间,SL811HS 数据线为8 位,有16 个内部寄存器和256 字节的RAM, 可以对USB-Host 进行充分的控制和为U S B 传输提供足够的缓冲区,SL811HS 芯片操作电压为3.3V,I/O 口工作电压为5V,所以SL811HS 可以和5V 的单片机系统直接相连。
    3.2 数据存储模块的硬件设计
    RFID 便携式阅读器的数据存储模块主要电路如图2 所示。图2 中由AT89C51、SL811HS 和USB 接口构成, 其它电路因篇幅原因略去。单片机通过控制SL811HS 芯片对U 盘进行读写,实现数据存取功能。为使定时计数更准确,在设计中采用外部的24MHz 有源晶振作为时钟源。
 

    图2 AT89C51 与SL811HS 硬件连线图

    3.3 数据存储模块的软件设计
    数据存储模块读写主要是对文件操作, 采集数据量大, 所以采用USB 的批量传输协议来完成数据包的收发,同时运用FAT16 文件系统完成存储数据的组织和管理。采集的射频数据以文本文件存储。数据存储模块的软件设计流程如图3 所示, 首先是初始化, 然后检测U盘, 对U 盘进行管理, 包括U 盘进行复位和配置。当U盘准备好后,MCU 接收阅读模块采集的数据,对U 盘进行文件读写操作。
   

    图3 数据存储模块的软件设计流程

    (1) 系统初始化
    系统初始化包括AT89C51 的初始化和SL811HS 的初始化。AT89C51 的初始化主要是完成内部存储器、外部中断、I/O 口等的初始化。SL811HS 的初始化主要设定工作模式, 对U 盘进行复位。
    (2) 检测 U 盘
    当有U 盘插入USB 接口时,AT8 9C5 1 接受来自SL811HS 的中断,处理中断响应,检测设备类型、配置传输方式、分配地址等。
    (3) 读写操作
    当U 盘准备好后,AT89C51 通知阅读器读写模型采集电子标签上的信息,然后把采集到的信息转换成二进制代码传给SL811HS,由于SL811HS 的外接总线的地址和数据信号是复用的,通过42 管脚上信号来区分AT89C51 传过来是地址还是数据。因而AT89C51 与SL811HS 进行通信时先发送地址,再发送数据,这样SL811HS 就可以把电子标签上的信息准确地写入U 盘了。
    4 结束语
    本文完成了RFID 系统中便携式阅读器的总体设计, 把单片机与 USB-Hos t 技术相结合,设计了RFID便携式阅读器的数据存储模块,从而实现RFID 便携式阅读器的外挂式海量存储。使RFID 阅读器能够脱离计算机独立工作,给操作人员带来了方便,也降低了RFID系统的成本。