基于ARM的RFID智慧型展示屏设计

黄 璟，邵利群，赵 展

（苏州工业职业技术学院 电子与通信工程系，江苏 苏州 215104）

加工程序复杂、功能繁多、用途广泛的物品，例如数码产品、化妆品、仪器仪表、运动器械等商品，或是与生活质量密切相关的食品、药品等商品，顾客在门市挑选时难免要了解很多内容，这些内容不可能在产品包装和说明书上一目了然地体现，一般需要通过销售人员解说商品特性。采用销售人员介绍的方式，有时销售人员的偏好和顾客想要了解的内容不能很好契合，不但造成时间人员的浪费，还可能引起顾客反感。而顾客想了解的内容，特别是与技术相关的内容，普通销售人员又无从解说。

射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）技术是自动识别技术（Auto Identification and Data Capture，AIDC）的一种，通过无线射频方式，利用交变磁场或电磁场的空间耦合原理，获取物体的相关数据，并对物体加以识别。RFID技术无需与被识别物品直接接触即可完成信息的输入和处理，能快速、实时、准确地采集和处理信息[1]。作为21世纪新兴科技之一，RFID技术已广泛应用于公共交通、身份识别、门禁控制、资产管理等领域。本文介绍一种采用三星公司的32位微处理器S3C2440A，设计实现了基于射频识别的智慧型展示屏。系统充分利用S3C2440A集成度高、可靠性好、性能高的片上资源功能的优势，实现读卡、视频展示、语音播报、原料追溯、信息统计等功能。适用于食品、药品、数码、服装、珠宝等各类商品的门店和商场，以减轻员工劳动强度，提高商家的客户满意度和竞争力，使同类商品的销售竞争更公平。

1 智慧型展示屏系统结构

智慧型展示屏包括RFID前端通信模块、MCU主控模块、语音播放电路、触摸屏模块、连接上位机的通信模块、以太网通信模块、电源模块、外围电路等。图1为智慧型展示架的系统框图。

图1 智慧型展示屏系统框图

电子标签贴在商品上，顾客将感兴趣的商品靠近智慧型展示屏，展示架中的读卡芯片发射一定频率的载波信号，基于电感耦合方式，在电子标签内在天线上产生同频率的载波信号。接着电子标签将卡内编码的身份识别信息（ID识别代码）调制到载波信号，通过信号耦合，反馈到读卡器天线上，经接口电路输入微处理器，由读卡程序解调出ID数据。

2 硬件电路设计

2.1 RFID前端通信模块

RFID系统由电子标签（Tag）、读卡器、上层应用软件组成。本设计采用低频（Low Frequency，LF）RFID系统，工作频率范围为30～300 kHz。其特点是电子标签内保存的数据量较少，阅读距离较短，电子标签外形多样，可以适应各类商品；低频电磁波传输不具有方向性，信号衰减小，穿透能力强；电磁兼容性好，避免对其他智能电子产品产生电磁干扰；且低频RFID电路发射功率小，辐射伤害小，环保性能优越。各大IC制造厂商可选择的RFID芯片很多，且技术比较成熟，有相应的国际标准。

本设计选用NXP公司的HITAG S无源电子标签，以及相对应的射频芯片HTRC11001T。HITAG S读/写转发芯片工作频率范围从100～150 kHz，本RFID系统工作频率125 kHz；符合全球统一标准（ISO/IEC18000-2），内存的大小为64～2 048 bit；具有复杂防冲突（anti-collision）算法，可以同时读取多个标签。HITAG S采用高度精密专用加密算法，确保数据的安全性；采用循环冗余校验（CRC）和奇偶校验，确保数据高度的完整性和可靠性[2]。

HTRC11001T是低功耗高度集成的RFID模拟前端，适合HITAG系列转发器，可配置接收机参数，具有天线破裂和短路检测。此RFID模拟前端配套芯片，适用于非接触式识别转发器和卡片，可工作于恶劣环境，广泛应用于牲畜追踪、简装气体识别、洗衣自动化、工业自动化、考勤系统和游戏机等[3]。本设计的读卡电路如图2所示，RFID天线采用工艺简单、成本低廉的线圈型天线。电容采用2 200 pF的高压贴片电容。电感初选值取700 μH，由于电路中各元件分布参数的影响，故根据实际电路细调电感值，使电路谐振在125 kHz左右。

图2中MOD是工作模式选择位，这里设置只读模式，故MOD=0。当DIN为高电平时，HTRC11001T处于休眠状态，当DIN为低电平时，电路发射RF信号，并接收来自收电子标签的反馈信号，同时开始解调AM信号。经过解调后的信号经DOUT引脚输入到S3C2240微处理器，进行解调和数据处理。

图2 RFID系统硬件及接口原理图

2.2 控制模块

主控MPU模块采用三星公司的32位嵌入式ARM芯片S3C2440A，工作频率可达405 MHz。内部集成ARM920T核技术，CPU核心电压1.2 V，存储器电压1.8 V/2.5 V/3.3 V，I/O电压3.3 V。因采用低电压技术，故运算速度快，功耗低。具有16 kbyte指令Cache、16 kbyte数据Cache。集成LCD专用DMA的LCD控制器，支持256 k色TFT。8路10位ADC和触摸屏接口，4路拥有外部请求引脚的DMA控制器，3路URAT，2路SPI，可实现串行数据双工传输。I2C总线控制器，I2S控制器。2路USB主机控制，1路USB期间控制，4路PWM定时器，1路内部定时器，具有日历功能的RTC，摄像头接口，MMC/CF多媒体接口，AC97音频接口。130个通用I/O，24个外部中断源等[4]。S3C2440提供用户多种与其他系统进行信息交互的功能。本设计主控模块原理框图如图3所示。

图3 微处理器系统框图

2.3 触摸屏模块

TFT-LCD（Thin Film Transistor-Liquid Crystal Display），即薄膜晶体管液晶显示器。采用东华公司4.3 in（1 in=2.54 cm）四线电阻式触摸屏WXCAT43-TG3#001F，其像素为480×272，显示比例16∶9。尽管微处理器内部有LCD控制器，还是需要外接触摸屏控制器，来提供数据和使能等控制信号给内部LCD控制器，并且提供触摸屏信号，以控制内部液晶旋转，得到相应图像。图4为触摸屏控制器接口电路。

图4 触摸屏控制器接口电路

本设计中外扩控制器采用ADI公司的四线式触摸屏控制器ADS7846，其性价比比较高，广泛应用于电阻式触摸屏。通过SPI总线方式与S3C2440A通信。初始化触摸屏后，若触摸屏被按下，则进入相应中断处理程序，若没按下则循环等待[5]。控制器完成触摸坐标的信息采集及A/D转换，将数据信息返回到微处理器。

2.4 存储器扩展模块[6]

存储器扩展电路由2个部分组成，即程序存储器扩展和数据存储器扩展。

系统程序存储器扩展采用64 M×8 bit的NAND Flash非易失闪存芯片K9F1208，用以存储操作系统程序，以及系统掉电后需要保存的用户数据。工作电压采用3.3 V。存储器结构为528 byte×32页×4 096块，可以实现页的读取、写入、擦除等操作。

智慧型展示屏要展示大量信息，S3C2440A内部的16 kbyte指令Cache和16 kbyte数据Cache空间不能满足应用要求。需要扩展外部数据存储器，以存储信息量巨大的应用程序数据。本设计采用2片HY57V561620构建32 bit的SDRAM，即同步动态随机存储器系统。每片存储容量为4组×4 M×16 bit，共32 Mbyte，2片总容量为64 Mbyte。工作电压为3.3 V，支持自动刷新和自刷新。

2.5 串行通信接口

RFID读卡器和微处理器之间，采用常用的串行数据传输总线标准，由于两者逻辑电平标准不同，故采用电平转换芯片MAX3232来连接两部分。若要了解产品动态资讯，如点阅率、即时销售情报、库存统计等信息，系统可以增加分析与统计等功能，以便更深层次地分析顾客消费行为模式。这时需要连接上位机，嵌入式控制模块将收集到的信息通过串口传输到上位机，由PC机上的应用软件进行数据处理，完成分析与统计。这种情况下，控制模块分别与RFID射频模块和PC机连接，需要设计双串口。

2.6 以太网接口

若智慧型展示屏仅是商品介绍，那么系统不需要联系网络。若是展示内容涉及制造材料来源追溯、货品真假辨别、商品历史追溯等，就要通过以太网通信，连接因特网，以获取更多信息。比如牛奶商品，可以了解奶源、奶牛饲料等信息。

考虑成本，本设计采用DAVICOM公司（台湾联杰国际）的DM9000以太网芯片，实现现场信号的以太网传输和控制。其系统框架如图5所示。DM9000与S3C2440A之间通过地址总线、数据总线和控制总线连接，DM9000再经RJ-45连至以太网。

图5 S3C2440与DM9000接口电路

DM9000是16位快速以太网控制处理器，备有标准10/100 Mbit/s自适应，16 kbyte大容量FIFO，4路多功能GPIO。备有接收缓冲区，暂存接收到的数据，再由数据链路层直接从该缓冲区取出数据。DM9000实现以太网MAC和PHY的功能，包括MAC数据帧的组装、拆分与收发、地址识别、MLT-3编码器、CRC校验、接收噪声抑制、输出脉冲成形、链路完整性测试、信号极性检测及纠正等[7]。

3 软件设计

本设计采用基于嵌入式Linux的操作系统。相对于其他商用实时操作系统，它具有源码开放、可移植、可固化、资源丰富等优势，支持多线程、多进程、多平台。它由一个内核和一些可以定制的系统模块组成，如文件模块、网络模块、各类驱动模块等[8]。终端软件采用层次结构和模块化设计，软件体系结构大体分为用户层、控制层、数据协议层和硬件接口层[6]，如图6所示。

图6 软件总体结构设计图

针对本系统的嵌入式硬件，经过重新裁剪和配置，编写相应的程序，如RFID阅读程序、串口驱动程序、触摸屏驱动程序、以太网驱动程序、图形用户界面应用程序等。其中阅读器软件的工作流程如图7所示。

4 结论

智慧型展示屏结合RFID技术、通信技术、多媒体控制技术，改变了传统展示架静态展示功能，实现了商品的音视频自动介绍功能。它减少了门市、卖场销售人员的工作负担，为消费者提供愉快的购物体验。由于每个商品的电子标签具有全球唯一ID号码，故顾客了解的是所选择的某一单品的信息，而非同一类商品信息。对于食品、药品等，客户获得了更有价值信息。本系统设计了以太网模块，实现材料来源追溯、商品比较等功能；可以连接PC机，实现产品动态资讯分析与统计。

智慧型展示屏系统架构独立，避免现场工程以及复杂的系统设定操作界面，可以随处摆设，即插即用。现场安装时，可以嵌入墙体内，嵌入货架上，也可以加上支架做成立式的展示屏。功能上可以增加无线通信模块，如GSM、GPRS、WiFi通信模块等，安装使用更便捷。在更为高端的商业展示场地，由于光顾高端商品的顾客数量相对较少，层次相对较高，展示空间更为宽敞，可以考虑采用电子标签固定而读卡器移动的便携式商品展示机，顾客需要了解某个商品时，将展示屏靠近该商品的电子标签即可。系统还可以增加防盗功能，一旦物品在离开阅读器的识别范围，阅读器自动将信息反馈给计算机，计算机分析这些信息是否异常，如有异常则报警。

总之，智慧型展示屏具有电子化、全球化、资讯化、无线化与网络化等优势，在未来流通业的无人化应用上，发展潜力十足。

[1] 黄玉兰.物联网 射频识别（RFID）核心技术详解[M].北京：人民邮电出版社，2010.

[2] 刘殿金.自助式机器机柜监控模块设计[D].南京：南京理工大学，2009.

[3] HTRC11001T HITAG reader chip[EB/OL].[2012-08-20].http://www.nxp.com/documents/data_sheet/HTRC11001T.pdf.

[4] Samsung Electronics.S3C2440A 32-bit CMOS microcontroller user’s Manual[EB/OL].[2012-08-20].http://download.csdn.net/detail/zzsg200 5/1198190.

[5] 张颖超，杨乐，叶小岭，等.基于Linux的触摸屏[J].仪表技术与传感器，2008（2）：71-73.

[6] 刘芳.基于ARM和射频识别技术的手持式物流终端设备的研究[D].武汉：武汉工程大学，2008.

[7] 李剑雄，张策，杨军.基于ARM和DM9000的网卡接口设计与实现[J].微计算机信息，2008，24（5）：123-124.

[8] 黄莹.基于嵌入式系统的UHF频段便携式RFID阅读器研究[D].武汉：湖北工业大学，2007.