单一处理器简化RFID读取器设计及RFID系统范例分析 - 全文

目前大多数RFID读取器必须使用一个以上的处理器才能符合应用装置需求，透过使用汇聚型（Convergent）处理器，以单一处理器即可满足。本文将聚焦于RFID读取器的功能，探索必须在RFID读取器上执行的基本软件元件以及伺服器连结，并提供利用单一处理器完成相关设计的系统设定建议。

一、RFID应用概述

由于能对多重品项进行同时监测，而不需要有人去＂触碰＂每个品项（例如：使用手持式条码扫描器），是故，RFID技术使许多新型态的应用得以实现，能够因为此自动化辨识而获益的应用领域类型，包括了像是存货控制、后勤管理（logistics management）、监控、以及收费系统等各种不同的区域。

目前最普遍并以商品为导向的通用产品码（UPC）是一种一维（1 D）条码，几乎是在每一样能够供大众购买的物品上。此条码中包含了被黏贴品项的相关资讯，可能也包括了该品项的建议零售价亦或是生产地点与日期。1 D与2 D条码也可以被用来追踪某项物品的运送细节。

RFID技术利用产品电子编码（EPC）取代了UPC，其形式为一组位元串流。EPC至少允许包含于同一组条码中的相同型态资讯可以被自动的搜集与进 行远端存取，使得人的介入最小化。此外，EPC可以包含更多被贴上标签之品项的独特辨识（unique identifying）特性相关资讯，即便是有许多相同品项。还有，不同于常见的条码，不论品项朝向哪个方向或是周遭的照明条件如何都没有关系，这些品项仍然可以被侦测到并加以追踪。雾气、黑暗、甚至仓库里的灰尘都没有影响。

以下是目前一些RFID系统的主要应用案例：

·超级市场的食物集货架以及箱子，它们可以对资产进行追踪，并且对资产集中处提供更良好的管理。由于具有能够写入标签的 能力，因此可以加入额外的资讯（例如：出售截止日期）。此外，可以利用自动化重新订货来保持货架上有适当的存货。

·在图书馆中，它们可以用来使借还书的程序自动化，在以往，这些程序都必须利用条码扫瞄器逐一的读取标签以进行辨识。

·使用在衣服标签上，它们可用以辨识品项的真正来源。藉由使用标签中的辨识数字，品项得以被证实其可靠性，或者是被挑选出来调查其是否为伪造的。

·在制药工业中，它们可以用以保护产品，避免仿冒品的供应。

·在运动竞赛中，它们可以在长距离赛跑中精确地追踪一个赛跑者的进度。

二、RFID系统概观

RFID使用位元串流的无线射频（RF）传送方式来与物件进行沟通、辨识、分类、或追踪。每个物件都拥有其专属的RFID标签（也可以称为答询机：Transponder）。整体的系统会配备有标籤读取器，为接收来自于每个标签上的RF能量的子系统。读取器内建的软件会负责询问、解码、以及处理接收到的标签资讯；它还会跟存有标签资料库以及其他相关资讯的库存系统进行沟通。图1所示为RFID系统的概念性图解。

图1 RFID系统的简化图解

在系统前端，“信号链”（signal chain）从粘贴在物品上的小标签（tag）开始；当此标籤位在特定的区域时，RFID读取器将会侦测到其存在，并读取其以位元串流形式所传达的资讯。在系统的后端，位于企业中以伺服器为基础的系统会维护与更新标签资料库，发出警示或是启用其它以资讯为基础的处理程序。

1. RFID读取器

目前大多数RFID读取器都使用超过一个以上的处理器以满足应用装置需要。通常信号处理器会连接到一组模拟数字转换器（ADC）以及一组数字模拟转换器（DAC）上。接着网路处理器会与本地或是远端的伺服器进行沟通以便储存或是读取资讯。

RFID读取器对个别独立的标签与追踪／管理系统之间提供了连结。除了具有多样的尺寸外型之外，它通常也都小到足以挂载于柜台、三脚架、或是墙上。依据应用装置以及运作上的条件，可能会同时使用多重的读取器以便在特定区域内提供足够的服务能力。举例来说，在仓库中的读取器网路可以确保所有从A点移送到B点的集货架，都能百分之百的被查询过并记录下来。

总体而言，读取器提供了三项主要的功能：与标签进行双向沟通，以便将每个标签区隔开来；将接收到的资讯做初步处理；连接将资讯连回企业中的伺服器。

RFID读取器必须在运作现场对多个标签进行处理─对于空间受限区域的应用领域而言，这是一个相当重要的考量（举例来说，储存在许多的工厂集货架上有多个贴有标签的产品）。

在多个读取器／标签的场合中，主要的挑战乃是在同一时间有许多读取器送出查询需求，而也有多个标签进行回应时所会发生的碰撞（collision）。要避免这个问题的最常用方法，就是使用某些形式的分时多工（time-division multiplexing）演算法。这些读取器可以设定为在不同的时间进行查询，而标签则可以设定为在经过随机的时间间隔之后进行回应，这很明显能以嵌入式软件来实现，并提供额外的弹性。

2. RFID 答询机（标签）

一个RFID标签包含了一组IC晶片其中存有关于贴上该标签之物件的独特资讯（像是EPC资料）、一组天线（通常是印刷电路的形式）用以接收来自于读取器的RF能量与传送资讯、以及某些类型的外壳～用来将标签的元件加以封装。特别需要记得的是，前述所提到的「物品（object）」一词适用于任何数量的不同物件，从工厂的商品一直到动物、人类皆适用。从标签到读取器之间的距离是一个重要的系统变数，会受到标签技术的直接影响。标签有被动式、主动式、或者半主动式。

·被动式标签

被动式标签是最简单的型态。它们唯一的供电是藉由来自于读取器所传送的RF能量，因而不需要内建电池，所以它们比较便宜、结构较耐用、以及相当的小巧（例如：大约是拇指指甲般的大小）。然而，被动式标签的读取器对标签范围（reader-to-tag range）是有限的，因为其所接收到的功率取决于它们和RFID读取器的实体接近程度。

链结的范围也会因所选择的RF频率而受到影响。低频率（LF）标签通常是采用 125 kHz到 135 kHz的频谱区间，因为它们的范围相当有限，而它们主要是用于存取控制以及动物用标签等方面。高频（HF）标签最常在13.56 MHz波段下运作，范围可以达到数尺。它们最常使用在简单的一对一物件读取上，像是存取控制、收费系统、以及可携式品项的追踪，好比图书馆的书籍。

在另一方面，UHF标签的运作频率是从850 MHz到950MHz之间，并且具有相当长距离的范围～10呎或更远。此外，因为潜在的更大频宽，所以读取器可以同时对许多这类型的标签进行查询，这点和低频率的一对一标签读取处理程序相反。这个特性可以协助将特定区域内的多重读取器需求最小化，也使得UHF标签在业界的存货追踪与控制方面之应用上非常受到欢迎。然而UHF标签无法有效的穿透液体，这是它的主要缺点，也使得它们无法使用在充满液体的物品上，像是饮料以及人体。想要追踪这些品项，通常会以 HF标签来取代。

·半主动式标签

如同被动式标签一样，半主动式标签会将RF能量反射（而非传送）回标签读取器上，以便送出辨识资讯。然而这些标签中还包含了用以供电给其内建 IC 的电池。这可以使用在某些有趣的应用领域上，像是标签内建一组感测器。除了静态的辨识资料外，每个答询机还可以传送即时的属性，像是温度、湿度、以及时间戳记（timestamp）等。其所使用的电池只对简单的IC与感测器供电─不包含传送器，半主动式标签因此而可以在成本、尺寸以及收发范围之间取得一个妥协。

·主动式标签

主动式标签则更进一步，使用内建的电池对标签IC（以及任何感测器）与RF传送器供电。由于自身配备有电源，因此它们可以在更大的读取器对标签（reader-to-tag）距离下运作（可达100多公尺），也可以说，比起被动式或半主动式标签系统，它们让货品能够更快速的通过读取器面前。除此之外，与EPC码比较起来，主动式标签能够携带更多的产品资讯。

在负面效应上，电池缩短了主动式标签的寿命，并且提升了成本与尺寸。主动式标签通常是在433 MHz以及2.4GHz的工业、科学、与医学（ISM）波段下运作，而这些波段可以透过世界上大多数的零件来加以达成。因此，随着许多具有以2.4 GHz为基础之802.11技术与蓝芽模组的无线消费产品出现，这些标签与这些元件的并存性变成了一个重要议题。

3. RFID读取器的软件架构

先前已对RFID读取器的基本功能性做过介绍，现在将介绍如何利用ADI的Blackfin汇聚型（convergent）处理器制作读取器。 RFID读取器软件架构的三个要素是：后端伺服器介面、中介软件、以及前端标签读取器演算法。虽然有所不同，不过这个软件架构的所有要素都能够在一个 Blckfin处理器上同时执行。

·后端伺服器与连结

通常RFID读取器会包含一组网路单元例如有线的乙太网路（IEEE 802.3）、无线的乙太网路（IEEE 802.11 a/b/g）、或是ZigBee（IEEE 802.15.4），用以将单一RFID读取事件连结至中央伺服器上。中央伺服器会执行一个资料库应用程式，其功能包括了匹配、追踪、以及储存。在许多应用领域中，还有「警示」功能的出现（在供应链以及库存管理系统上作为re-order的触发之用，或是在安全性应用领域上用以给警卫的一个警示）。

附带一提，在和后端伺服器进行沟通时，利用执行μClinux之高性能嵌入式处理器所构成的读取器，会比未使用处理器所设计的读取器具有更多好处。由于有可靠的TCP/IP堆叠以及SQL资料库引擎，因而大幅降低在开发过程中的主要整合负担。

·中介软件（middleware）

中介软件这个术语使用在RFID时，会跟使用在其他嵌入式系统时的定义有些不同。以RFID的术语来说，中介软件是介于前端RFID读取器以及后端企业系统之间的转译层（Translation Layer）。中介软件会过滤来自于读取器的资料，并确保其没有被重复读取或是损坏。在早期的RFID系统中，中介软件是在伺服器上执行的，但是现在通常都是在将资料透过企业网路送出之前，就先在读取器上进行RFID资料的过滤。这样程度的功能性提升，是再这个应用使用嵌入式处理器所带来的另一项好处。

·读取器的前端

发生于读取器前端，系统之密集滤波以及密集转换的信号处理程序，需要一个具有强大信号处理性能之元件，模拟数字（A/D）以及数字模拟（D /A）转换器，接着从RFID读取器的观点，来将焦点集中在连结性上面。

混合信号前端（MxFE）IC形成了与标签进行沟通所要使用的介面。MxFE元件为一般性用途的中频子系统、包含有A/D与D/A转换器、低噪音放大器、混频器、自动增益控制（AGC）电路、以及可编程的滤波器。同相及正交（I&Q）资料的输出串流直接与处理器的平行埠连结。

ADI的MxFE IC家族成员组成了可供使用的最高性能窄波段接收器，适用于RFID以及其他应用领域。图2所示为典型的MxFE元件之方块图。

图2 具有代表性的MxFE IC-AD9861之方块图

三、Blackfin处理器于RFID之应用

Blackfin处理器提供了对于有线与无线网路的连结性。某些处理器，像是ADSP-BF536以及ADSP-BF537，晶片中具有10- Base-T/100-Base-T乙太网路的媒体存取控制（MAC）。在无线方面，所有的Blackfin处理器都可以经由SPI以及SPORT周边，直接与802.15.4 ZigBee以及IEEE 802.11晶片组连结，不需要将处理器的全部频宽消耗掉，就能够达成线速（line-speed）传输。

此外，Blackfin处理器还具有一组平行周边介面（PPI），可用以和前面曾经提到的那些ADC与DAC直接连结。某些Blackfin处理器包含有两组PPI，可用来更进一步的扩充系统功能。举例来说，可以让照相机连接到RFID读取器上；除了RFID应用领域之外，由于Blackfin 具有在同一元件上执行系统控制、网路运作、以及影像处理的能力，Blackfin的这些特点对于1D与2D条码应用也具有特别的吸引力。

在RFID应用领域上，一组PPI通常是足够使用的，这是因为RFID读取器对标签所採用的查询方式所致。首先，PPI被设定为传送模式，接着处理器送出一组数字序列到DAC上。所传送的序列会被转换成模拟信号，接着再将其做升频转换（up-convert）并予以送出，以刺激／唤醒本地端的 RFID标签，接着由其做出回应。在此同时，经过少量的处理器系统时钟脉冲后（参见EE-Note 236）PPI重新设定成为接收器，如图3所示。使用这个方法，可以利用ADC对经过降频转换（down-convert）的RF信号进行取样，并直接将其带入Blackfin中。在图示中，介于每个接收（Rx）与传送（Tx）区间中的时间是以系统时钟週期来加以量测的。所消逝的时间是让传送的信号抵达每一个标签上以及让标签传送回应之用。

图3 在具有单一ADC / DAC介面的RFID读取器上，Tx/Rx序列的图形示意

在某些RFID应用领域中，一颗独立的Blackfin处理器是可以当成伺服器来运作的。举例来说，当没有大量的资料需要储存和资料库操作时。例如，假设年长的父母戴着内建有标签，可以在屋内受到监测的手镯。如果在一定的时间间隔内没有发现到任何动作的迹象，负责监测的机构就可以对其朋友或是亲戚发出警示。

组成Blackfin读取器基础架构的软件元件可以从＂＂网站上取得。可取得之软件中包括了需要用来与混合信号相连接的驱动程式、前端IC、以及在透过系统来移动资料时非常有用的DMA驱动程式。以μClinux为基础的网路堆叠与SQL资料库引擎也可以在此取得。从系统观点来看，像是 802.11 Wi-Fi卡、USB随身碟、以及CF卡介面等额外功能，都可以很快速地整合到Blackfin元件中。

四、RFID系统范例

1. 有线RFID系统

RFID最常用的领域是资产管理，可以藉由减少库存的损失、消除不正确的递送、在分配后勤方面的改善、以及减少缺货状况─这是因为能够追踪集货架在仓库内的移动所带来的结果─而获得好处。在大型仓库内的RFID系统可以对一组装满了容器的集货架，从进入仓库开始一直到其离开为止，全程追踪其移动状况。这类型的系统仰赖被放置在整个仓库里面，以及进出货的运送点上的固定式RFID读取器。

乙太网路供电（PoE）网路是一种简化有线基础架构的方法，相当适合这类型的应用。在低功率应用方面，IEEE 80.3 a/f PoE可以应付连上网路的系统。如图4中所示，一组PoE系统会包含有供电设备（PSE）以及受电元件（PD）。PSE提供电源至乙太网路线，而PD（针对本文所讨论之目的而言）则由汇聚式网路处理器以及其周边的元件所构成。PoE的最大缆线长度建议值为100公尺，由于其具有相对的机动性以及可以省去传统的ac配线以及插座相关的成本，因而适用于许多嵌入式RFID应用领域。

图4 以PoE为基础的RFID资产追踪系统的范例

能够支援嵌入式RFID应用领域的网路处理器，除了要有RFID蒐集软体之外，还需要具有充分的性能以及整合度，以便处理复杂的多层次IP堆叠。举例来说，许多乙太网路实体层收发器（PHY）元件提供了一组状态接脚，当状态改变时可用来进行中断动作，这个特点能够与Blackfin处理器的中断功能密切整合，使系统更耐用、功耗更具效益。

2. 低成本的无线RFID

对于像是挂载于堆高机上的扫瞄器或是可携式的掌上型扫瞄器的应用领域而言，要使用有线或是PoE的运作方式是不可能的，而必须利用如IEEE 802.11 b/g等无线通讯协定，让RFID读取器连接至一个无线存取点（图5）。

Blackfin处理器能够藉由序列或是平行介面与802.11晶片组连结。此外，由于这些处理器具有强大运算能力，因而能够支援split - MAC以及full - MAC 802.11 a/b/g的执行。举例来说，在对CompactFlash 802.11b卡进行系统整合时可能需要的full-MAC，是透过Blackfin的非同步记忆体埠来加以接合；而split-MAC的执行通常则是透过SPORT或是SPI介面来做接合─较低（lower）MAC会存在于无线晶片组上，而较高（upper）MAC则是在Blackfin的软体中执行。

图5 无线RFID资产追踪系统的范例

虽然它们的堆叠与处理需求可以在一个单核心处理器上轻易加以处理，但是无线应用领域仍然在测试其性能 vs.功耗的极限。功耗的管理提供依据应用需求的性能扩充性，这可藉着使用ADSP–BF531这类汇聚式处理器的动态电源管理能力来达成。这些动态电源模式可对任何网路化的系统而设计。

3. 双核心因应高性能系统

在新兴应用领域上，RFID技术正在与额外的元件互相搭配，像是生物统计用感测器或是CMOS影像感测器。如图6所示，在安全性授权以及员工存取控制方面的先进应用领域上，RFID结合了影像分析技术，以便在一个安全的环境中不只确保刚好有N个人在房间内，而且还要确保这些人都是「经过授权的员工」。

图6 RFID安全分类系统的范例

这些类型的应用在运算上的需求，很适合利用双核心匯聚式处理器来加以处理，像是ADSP–BF561。额外的处理器核心不只使该元件能够处理的运算负荷有效加倍，同时也提供了一些不会立即显现但却会令人惊讶的结构性优点。

传统上，双核心处理器在每个核心上面进行分立的工作，而且往往是不同的工作。举例来说，一个核心可能负责执行所有与控制相关的工作─像是网路运作、跟大型仓库的连接、RFID的蒐集、以及整体的流程控制等。这个核心也可能是作业系统或是系统核心的驻在处。同一时间，第二个核心则专注在应用中高密度处理功能上。举例来说，人类辨认（human-recognition）演算法的视讯处理部分可能是在第二个核心上执行，而产生出的资料封包则会被传送到第一个核心，以便在网路介面上进行传输。

双核心的ADSP–BF561包含有双高速L1指令和资料存储器（每个核心皆有的本地存储器），以及由两个核心所共用的L2存储器。每个核心都可存取相同的广大周边─视频埠（video ports）、序列埠（serial ports）、计时器（timers）以及其他。如同前面所提，ADSP–BF561的一个核心可以管理RFID蒐集以及网路运作的元件，而另外一个核心则可以使用在即时进行侦测、分类、以及追踪物件的影像分类系统运作上。

4. μClinux作业系统

μClinux作业系统对于促进网路连线（读取器中最大软件元件），以及在2006年9月的Analog Dialogue 40-09中关于耐用度以及标准的符合之关键需求而言，是一个相当受到欢迎的选择。在读取RFID标签时，有必要确认其是否能够符合即时性需求。由于 μClinux排程器（scheduler）并不具有很严谨的即时性，因此可以利用ADEOS即时排程器来将其取代，此排程器可以将μClinux的中断很安全的予以延缓，直到即时的关键处理程序完成为止。这意味着前端读取器软件可以从ADEOS领域内即时的执行，而中介软件以及后端伺服器介面则可以在传统的μClinux环境下运行。

这样的划分会让使用者可对应用做即时控制，又同时有存取所有开放原始码软件的好处。

图7中所示为将ADI的MxFE*估用电路板连接至一组Blackfin ADSP–BF537 S*P开发平台上，其中所执行的是MxFE驱动程式码、μClinux作业系统、以及TCP/IP网路堆叠。

图7 针对RFID读取器应用装置，以Blackfin为基础的*估系统

五、结 论

如同前述，RFID的应用不再需有一个专属的信号处理器来和ADC/DAC连接，以及一个微控制器来处理网路运作。Blackfin这类汇聚式处理器可用以处理网路运作以及控制，并且用于与转换器的连接以及图案匹配（pattern matching）演算法，并有助于降低RFID应用之BOM（Bills of Material），同时加速产品上市时间。