0 引 言
隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，航空日益成為民眾所依賴的出行方式。航空貨運(yùn)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(duì)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(jī)系統(tǒng)（如STC89C54或MC9S12X128）或者STM32系列，它們的普遍缺點(diǎn)是：主頻偏低，不支持操作系統(tǒng)且用戶體驗(yàn)不佳，滿足不了航空貨運(yùn)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(shí)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(jī)場工作人員的工作效率�；谏鲜銮闆r，提出了基于S3C6410的高主頻的射頻識(shí)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(gè)讀卡界面之間切換并且能隨時(shí)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(jī)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(jì)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(dá)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(shí)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(shí)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(jì)使得S3C6410非常適合對(duì)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(chǔ)外設(shè)為Nand flash、24C64 和SD 卡。
LINUX的Uboot、內(nèi)核、開機(jī)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(dòng)時(shí)S3C6410自動(dòng)從24C64中讀取校正參數(shù)，避免每次開機(jī)需校正屏幕。SD卡用于儲(chǔ)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(dòng)GPRS模塊（SIM300）與上位機(jī)SQL數(shù)據(jù)庫進(jìn)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(dá)10個(gè)，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(duì)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(shí)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(diǎn)有：同時(shí)發(fā)出和接收串行數(shù)據(jù)；可當(dāng)主機(jī)或從機(jī)工作；提供頻率可編程時(shí)鐘；發(fā)送結(jié)束中斷標(biāo)志；寫沖突保護(hù)；總線競爭保護(hù)等。
RC632總共有32個(gè)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(shí)，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(gè)管腳DTX1、DTX2與DRX進(jìn)行通信，它會(huì)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(jìn)行阻抗匹配，以獲得最大的功率傳輸，增大讀卡距離，同時(shí)避免阻抗失配可能對(duì)電路造成的損害。經(jīng)實(shí)測，天線的可操作距離為5~10cm.
2 讀卡器的軟件設(shè)計(jì)
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(dòng)程序，它負(fù)責(zé)對(duì)RC632的寄存器進(jìn)行操作，實(shí)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(dòng)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(gè)部分組成：第一部分，物理特性；第二部分，頻譜功率和信號(hào)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(bào)文可分成6個(gè)部分，如表1所示：
表1 ISO-14443通信協(xié)議的報(bào)文數(shù)據(jù)格式
報(bào)頭2字節(jié)固定為AABB,報(bào)文長度代表從節(jié)點(diǎn)到校驗(yàn)的字節(jié)之和，命令代碼指明了報(bào)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(rèn)證）、0208（讀卡）、0209（寫卡）等。
QT程序在啟動(dòng)后，會(huì)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(gè)步驟[10-11].其流程如下，當(dāng)用戶點(diǎn)擊TFT-LCD的尋卡圖標(biāo)時(shí)，觸摸屏上會(huì)產(chǎn)生觸摸點(diǎn)的位置信號(hào)，系統(tǒng)根據(jù)觸摸點(diǎn)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(rèn)證（0206）都整合到1個(gè)子函數(shù)中。尋卡過程分為4個(gè)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(jìn)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(huì)S3C6410回傳相關(guān)數(shù)據(jù)，S3C6410收到數(shù)據(jù)后，進(jìn)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(jìn)行選擇。RC632在防沖突后，將給微處理器傳回4個(gè)字節(jié)的電子標(biāo)簽卡號(hào)。
3）選擇標(biāo)簽-如果要對(duì)相應(yīng)卡號(hào)的電子標(biāo)簽進(jìn)行操作，則微處理器就會(huì)發(fā)送命令給RC632,使其選中這張電子標(biāo)簽，以便進(jìn)行下一步的讀寫操作。
4）密碼認(rèn)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(jìn)行讀卡操作，則直接點(diǎn)擊讀卡圖標(biāo)，如進(jìn)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(dòng)程序在收到應(yīng)用程序發(fā)來的報(bào)文后，除去報(bào)頭與校驗(yàn)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(dòng)程序?qū)C632的寄存器進(jìn)行設(shè)置，實(shí)現(xiàn)射頻操作。讀取RC632數(shù)據(jù)時(shí)，MOSI線的第一個(gè)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(gè)字節(jié)保留，從第二個(gè)字節(jié)開始為從RC632返回的數(shù)據(jù)。對(duì)RC632寫入數(shù)據(jù)時(shí)，MOSI線的第一字節(jié)代表地址，從第二個(gè)字節(jié)開始為寫入RC632的數(shù)據(jù)，此時(shí)MISO線沒有啟用。
驅(qū)動(dòng)RC632時(shí)，首先設(shè)置信道校驗(yàn)寄存器，把第0,2比特置1（啟用奇偶校驗(yàn)與CRC校驗(yàn)），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(jìn)行通信。通信過程中的寄存器操作包含以下幾個(gè)步驟：
1）置中斷使能與中斷請(qǐng)求2個(gè)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(cuò)誤標(biāo)志寄存器，判斷是否出錯(cuò)；5）等待規(guī)定的時(shí)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(shí)能與中斷請(qǐng)求2個(gè)寄存器為0x07,設(shè)置控制寄存器，停止定時(shí)器，設(shè)置命令寄存器，取消當(dāng)前命令。
3 現(xiàn)場實(shí)測和上位機(jī)SQL數(shù)據(jù)庫通信實(shí)例
在現(xiàn)場測試過程中，分別對(duì)電子鉛封的扇區(qū)4,扇區(qū)16,扇區(qū)33各進(jìn)行了20次操作，其中只有對(duì)扇區(qū)16的一個(gè)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(duì)貨物的電子鉛封進(jìn)行數(shù)據(jù)寫入與讀出的實(shí)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(hào)，設(shè)置密碼為FFFFFFFFFF.
讀出的數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)SQL 數(shù)據(jù)庫后的界面如圖4所示。
表2 現(xiàn)場實(shí)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(shí)別讀卡器，實(shí)現(xiàn)了讀卡、寫卡與上傳數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)庫的功能。實(shí)驗(yàn)表明該讀卡器具有良好的穩(wěn)定性與實(shí)用性，適合于民用航空領(lǐng)域的應(yīng)用。該讀卡器系統(tǒng)對(duì)于民航物流的發(fā)展提高具有一定的參考價(jià)值和應(yīng)用前景。
