基于嵌入式Linux的便攜式RFID信息采集與處理系統(tǒng)
TagMaster AB公司是世界知名的RFID讀卡器制造商。它提供性能優(yōu)良的固定式閱讀器，也提供一種手持式閱讀器。手持式讀卡器由Caiso公司的工業(yè)級PDA（Personal Digital Assistants）和TagMaster AB公司的S1510組成。PDA雖然功能強大，但有如下缺點：(1)提供的觸摸屏輸入方式過于精細，不適合工作人員現(xiàn)場操作；(2)TFT液晶顯示屏在強光下顯示效果差，耗電量大，并且在低溫下（0℃以下）無法工作，因此不適合室外工作；(3)采用Microsoft公司的商用系統(tǒng)WinCE，成本高。
本文介紹一種基于嵌入式Linux的便攜式RFID信息采集與處理系統(tǒng)。它采用高性能的32位ARM920T系列微處理器、8鍵的鍵盤及OLED顯示屏，結(jié)合S1510實現(xiàn)了對電子標簽卡信息的采集、處理及實時顯示，很好地解決了上述問題。
1 系統(tǒng)組成
系統(tǒng)采用Atmel公司的AT91RM9200 32位高性能處理器、TagMaster公司的S1510及OLED顯示模塊等實現(xiàn)電子標簽卡信息的采集、處理、實時顯示及與上位機通信等功能。系統(tǒng)組成如圖1。
1.1 微處理器
系統(tǒng)采用Atmel公司以ARM920T為核心的AT91系列微處理器AT91RM9200。它最高主頻可達180MHz，具有先進的節(jié)電技術(shù)，集成了SDRAM、Flash、紅外、USB等接口。系統(tǒng)采用USB（Universal Serial Bus）及紅外方式與上位機通信。紅外方式采用Agilent公司的HSDL-3602紅外收發(fā)器實現(xiàn)。
1.2 射頻識別模塊
射頻識別模塊采用瑞典TagMaster AB公司的2.4GHz產(chǎn)品S1510。該模塊體積小，專為手持設備設計，可以采集1米內(nèi)各種電子標簽上的數(shù)據(jù)。它通過USART串口與處理器通信，接口簡單，易于硬件實現(xiàn)。為了保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸，模塊與微處理器通信采用TagMaster AB公司開發(fā)的應答式串口通信協(xié)議ConfiTalk。
ConfiTalk協(xié)議是一種面向字符的應答式串行通信協(xié)議。它每次傳輸一定長度的數(shù)據(jù)塊（幀），每個幀包含幀頭(STX)和幀尾(ETX)。為了提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，每幀又加入?位的校驗位(CS)及地址位(ADR)。幀的結(jié)構(gòu)如圖2。
MESSAGE代表任意長度的信息。協(xié)議規(guī)定微處理器發(fā)送給S1510的幀為命令幀，返回的幀為應答幀。本系統(tǒng)使用的S1510是TagMaster AB公司的最新產(chǎn)品，它支持基于ConfiTalk協(xié)議的MAIL命令方式的數(shù)據(jù)傳輸。MAIL命令方式通信也就是把幀中的MESSAGE域統(tǒng)一成四種格式，其中命令幀有MAIL_SEND和MAIL_RECEIVE兩種，分別表示S1510接收用戶信息和返回卡信息(包括卡號、卡狀態(tài)和卡存儲的數(shù)據(jù))，如圖3。
應答幀有兩種：MAIL_SEND的應答幀和MAIL_RECEIVE的應答幀，如圖4。
圖4中，36表示S1510使用MAIL方式處理命令幀和應答幀，而4、5表示S1510命令幀的類型(MAIL_SEND或MAIL_RECEIVE)；Status表示該命令的執(zhí)行狀態(tài)（成功或失?。籑AIL_SEND命令幀中的Data域表示用戶要進行的操作及參數(shù)，如使Data=WRITE：參數(shù)：數(shù)據(jù)，即表示用戶要將數(shù)據(jù)寫入電子標簽卡；MAIL_RECEIVE的應答幀中的Data域為用戶所要求得到的數(shù)據(jù)。
當使用MAIL命令方式讀寫標簽卡時，用戶只需要按幀的格式填充各域，然后利用ConfiTalk協(xié)議提供的API函數(shù)發(fā)送到S1510即可。命令清晰明了，大大方便了用戶的開發(fā)。
1.3 OLED顯示模塊
系統(tǒng)采用萊寶科技有限公司的OLED顯示模塊RGS24128064YW001。有機發(fā)光顯示器OLED（Organic Light Emitting Display）被譽為“夢幻顯示器”。與液晶屏相比，OLED顯示屏更輕更薄、可視角度更大，能夠顯著節(jié)省電能，并且在-40℃的低溫下仍可以正常工作。RGS24128064YW001具有串行和8位并行數(shù)據(jù)接口。系統(tǒng)采用8位并行接口與微處理器通信。
1.4 SDRAM和Flash及自定義鍵盤
系統(tǒng)采用32位的同步動態(tài)隨機存儲器(SDRAM)作為系統(tǒng)內(nèi)存，16位的Flash作為不可丟失數(shù)據(jù)存儲器。用戶可以通過8鍵的鍵盤進行各種操作，如讀卡、寫卡等。
2 系統(tǒng)軟件設計
系統(tǒng)軟件是整個系統(tǒng)的靈魂，其設計的好壞直接影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可擴展性等性能。系統(tǒng)設計將軟件分為兩層結(jié)構(gòu)，如圖5所示。最下面一層為操作系統(tǒng)層，主要實現(xiàn)對Linux操作系統(tǒng)的移植和各種設備驅(qū)動程序的編寫，包括OLED模塊、USB Device、紅外、鍵盤等設備驅(qū)動程序。上一層為應用程序?qū)?，主要實現(xiàn)卡信息顯示、鍵盤掃描、電子標簽卡讀寫、文件傳輸、時鐘以及電池電量檢測等功能。
2.1 嵌入式Linux
Linux是一種公開源碼的多任務操作系統(tǒng)，具有開放度高、安全性好、穩(wěn)定性強、可移植性好等特點，在嵌入式操作系統(tǒng)中被大量采用。
本設計采用的Linux內(nèi)核是在ARM-Linux的基礎上，編寫了OLED顯示模塊、USB 設備、紅外收發(fā)器及鍵盤的設備驅(qū)動程序。在Linux系統(tǒng)中，設備驅(qū)動程序占有很重要的位置，它提供了在用戶空間操作硬件設備的接口。Linux系統(tǒng)將設備分為字符設備、塊設備及網(wǎng)絡設備三種，并給出針對不同設備的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及注冊函數(shù)。當用戶開發(fā)設備驅(qū)動程序時，只需按硬件操作的方法填充設備數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并將它注冊到內(nèi)核中即可。
為了方便用戶應用程序的編寫，把USB設備實現(xiàn)為CDC（Communication Device Class）類設備，其驅(qū)動程序分為兩層，最底層操作AT91RM9200上的USB設備控制器，如處理硬件中斷、讀寫寄存器及操作I/O口來檢測設備的插拔；上層實現(xiàn)了底層與TCP/IP協(xié)議層的連接，主要是模擬物理網(wǎng)卡，并注冊到內(nèi)核。這樣，在應用程序的USB設備就是一個標準的網(wǎng)絡設備，用戶不需要了解驅(qū)動程序的接口，而直接使用Linux提供的套接字進行網(wǎng)絡通信程序的開發(fā)。當用戶進行二次開發(fā)時，可以不加修改地將上位機開發(fā)好的網(wǎng)絡通信程序直接移植到本系統(tǒng)中，而且可以通過上位機的Telnet等工具對嵌入式系統(tǒng)進行一定的操作。
其他驅(qū)動程序(如OLED顯示模塊、鍵盤、紅外收發(fā)器)都作為Linux下的標準字符設備編寫，使用register_chrdev( )函數(shù)進行注冊，提供了讀、寫和控制操作。在Linux系統(tǒng)中，應用程序?qū)ψ址O備的操作與文件的操作相同。
Linux中設備驅(qū)動程序可以通過模塊方式動態(tài)地加載和卸載，也可以直接編譯到內(nèi)核中。前者使用靈活，可以減小內(nèi)核，但因嵌入式系統(tǒng)要求所有設備在初始化后全部就緒，不能在使用時加載設備的驅(qū)動模塊。所以，本系統(tǒng)中所有的設備驅(qū)動程序都直接編譯進內(nèi)核。
每個設備驅(qū)動程序在用戶空間對應一個設備文件，由文件系統(tǒng)管理。本系統(tǒng)使用ext2作為根文件系統(tǒng)。為了開發(fā)和升級方便，首先將根文件系統(tǒng)做成RAMDISK格式，所謂RAMDISK就是系統(tǒng)啟動后將壓縮的文件解壓到內(nèi)存，形成一個虛擬硬盤；然后，將引導程序、內(nèi)核映像及根文件系統(tǒng)燒寫到Flash中。
系統(tǒng)加電后，引導程序?qū)?nèi)核映像從Flash中調(diào)入內(nèi)存，然后從核入口開始執(zhí)行：首先初始化CPU，然后加載各個設備驅(qū)動程序，最后掛載文件系統(tǒng)，執(zhí)行應用程序。
2.2 應用程序設計
Linux是多任務系統(tǒng)，支持多線程及多進程。多線程的優(yōu)點是線程比進程小，可以使應用更輕便，線程間通信方便；缺點是所有線程使用同一個地址空間，如果一個線程出現(xiàn)問題，整個系統(tǒng)將受影響；而進程各自占有一份內(nèi)存空間，可以增強系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但是多進程增加了系統(tǒng)開銷，進程間通信復雜。為此，根據(jù)實際情況，考慮到系統(tǒng)穩(wěn)定性，本系統(tǒng)采取兩者相結(jié)合的方式分別完成數(shù)據(jù)采集處理及文件傳輸功能。
2.2.1 數(shù)據(jù)采集處理
數(shù)據(jù)采集處理是一個進程，它包括主線程和輔線程。主線程完成電子標簽卡信息的讀取、寫入、實時顯示及查詢；輔線程實現(xiàn)一個時鐘以提供用戶當前時間，并定時對電池的電量進行檢測和動態(tài)顯示，在電量過低時發(fā)出警告。
應用程序用MAIL命令方式完成電子標簽卡的讀寫。該進程首先初始化屏幕，然后等待按鍵中斷，當有鍵按下時，根據(jù)鍵值執(zhí)行相應的工作；當指定時間內(nèi)沒有鍵按下，系統(tǒng)則進入休眠狀態(tài)，從而達到省電的目的。程序流程圖如圖6。
當成功采集到標簽卡信息后，應用程序?qū)⒖ㄐ畔?包括卡號、卡狀態(tài)、用戶數(shù)據(jù)及當前時間)通過OLED顯示屏提供給用戶，并寫入一個文件進行記錄。由于文件傳輸進程會將該文件傳輸?shù)缴衔粰C，所以當讀寫文件時要將文件上鎖。Linux提供了文件鎖以防止不同進程同時訪問同一個文件。本文使用flock（）函數(shù)對文件上鎖和解鎖。
由于OLED是圖形點陣式顯示屏，而且Flash容量有限，所以不可能直接使用漢字字庫。系統(tǒng)預先提取所有用到的漢字、數(shù)字及字母的點陣數(shù)據(jù)，然后建立自己的字庫文件，從而使應用程序可以對漢字、數(shù)字及字母進行顯示。
2.2.2 文件傳輸
文件傳輸是一個進程，完成卡信息的上傳及其他數(shù)據(jù)的下載。與上位機通信采用Clinet/Server模型。該進程實質(zhì)上是一個服務器端（本系統(tǒng)）的應用程序，它循環(huán)等待客戶端（上位機）的連接請求。當請求到達時，首先判斷請求來自哪個接口(USB或者紅外接口)，然后根據(jù)請求的類型執(zhí)行相應的上傳或下載。考慮到實際應用中可能會使用多臺手持式閱讀器，為了方便上位機對信息的管理，規(guī)定文件名由手持式閱讀器編號和文件上傳序號組成，程序在上傳文件時自動將其編號及上傳序號加入文件名。該進程的流程如圖7。
3 系統(tǒng)電源管理
本系統(tǒng)使用鋰電池為系統(tǒng)供電。為了延長電池的續(xù)航能力，將應用程序設計為三種運行狀態(tài)：上電空閑狀態(tài)、程序執(zhí)行狀態(tài)及系統(tǒng)睡眠狀態(tài)。當用戶不進行任何操作時，系統(tǒng)將進入睡眠狀態(tài)以達到省電目的。系統(tǒng)的睡眠是基于微處理器的電源管理功能實現(xiàn)的，進入睡眠的步驟如下：
(1)關(guān)閉所有外設；
(2)保存當前系統(tǒng)狀態(tài)；
(3)使SDRAM進入自刷新模式；
(4)設置喚醒事件，使微處理器進入睡眠狀態(tài)。
當喚醒事件發(fā)生時，如有鍵按下，則執(zhí)行系統(tǒng)復位。過程如下：
(1)恢復部分微處理器的寄存器；
(2)喚醒外部設備，系統(tǒng)開始運行。
本文介紹了在AT91RM9200高性能ARM芯片上運行嵌入式Linux，結(jié)合TagMaster AB公司功能強大的射頻識別模塊S1510實現(xiàn)便攜式標簽卡的信息采集和處理。系統(tǒng)使用方便、靈活。另外，為克服LCD低溫無法工作、亮度不夠及耗電大的缺點，采用OLED顯示模塊使系統(tǒng)可以在惡劣環(huán)境下應用，并增加了電池的續(xù)航能力；為使系統(tǒng)與上位機通信方便，采用了支持熱插拔的USB接口。
參考文獻
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