專利名稱：一種多微控制器射頻識別讀寫裝置及其數據傳輸方法
一種多微控制器射頻識別讀寫裝置及其數據傳輸方法技術領域
本發明屬于射頻識別(RFID，Radio Frequency IDentification)技術，具體涉及一種包含RFID讀寫器技術的多微控制器射頻識別讀寫裝置及其數據傳輸方法。
背景技術：
RFID技術是一種非接觸的自動識別技術，它通過使用射頻電子設備發射射頻信號，并通過射頻信號的空間耦合來自動識別目標對象并獲取相關數據，同時可以將新的信息寫入目標對象的標識設備。RFID系統主要由讀寫器、電子標簽、外部終端等構成，一般分為有源系統和無源系統。如在有源系統中，讀寫器的主要功能是通過天線接收電子標簽發射的射頻信號，進行濾波、解調、放大、解碼和譯碼處理，實現對標簽內存儲的固定數據與標簽數據區數據的讀取，以及通過外部終端發送相關控制命令或數據信息，完成標簽的各種功能控制與相關數據的修改。
隨著應用領域的不斷擴展，很多應用要求讀寫裝置能夠同時處理大量的標簽，而單一頻率的RFID系統構造簡單、容易實現，但其缺陷是致命的，如在有源RFID “點名巡更” 系統中，大多系統每秒只能約讀取100個標簽，這對于有密集標簽的應用場合是不適宜的， 另外系統命令和數據都集中在一個頻道上，很容易被捕捉、分析、破解，一旦指定的頻道被阻塞或被干擾，整個系統就會效率低下甚至癱瘓。
多頻道傳輸的RFID系統將大量的RFID標簽分散到不同的頻道，即不同標簽在主傳輸頻率帶寬內有一定的頻率差異，而不同的讀寫設備具有與之對應的一個或若干個頻率通道。在一個多標簽多讀寫器的系統中，多頻道傳輸的RFID系統可以一定程度的避免系統中的“碰撞”問題，較單一頻率的系統有更高的讀寫性能。現有的多頻率通道讀寫裝置采用一個微控制器直接讀取多個不同頻率的射頻模塊數據，單一頻道上的“碰撞”仍然存在，并且在同一射頻模塊中必然會讀取到一定的重復數據或者未能及時讀取其它的模塊數據，也就是說，在處理器讀取的某一模塊的數據中一定包含重復的標簽，而當處理器讀取完該射頻模塊，進行下一模塊的數據讀取任務時，下一射頻模塊中的數據包與模塊已讀取數據包是否不重復很難得到保證，這很大程度上制約了讀寫裝置的“讀取效率”。
另外，經更加深入的分析與實踐，此類讀寫裝置在實際應用中包含的頻率通道個數受到主控制器的性能與相關通信接口個數限制。同時，讀寫裝置讀到的大量的重復標簽數據信息，即“數據冗余”問題，造成了系統資源的嚴重浪費，而即使在微處理器級采用“條件查詢”等數據過濾機制，也會給微處理器端造成了一定的處理壓力。
系統的“讀取效率”是一個極為重要的性能指標，即在規定時間內讀取到不同標簽的個數或一定標簽數量下的讀取時間。由RFID系統的工作原理可知，當標簽數據包長度確定時，系統“讀取效率”是有上限的，即讀寫器在一定讀取時間內所有的標簽均無“碰撞”，研究者需盡可能的使用適當的通信策略來保障該條件。事實上“碰撞”現象是無法避免的，但在一個多頻道傳輸的系統中，采用適當的通信策略可以在若干標簽的讀取過程中等效為無 “碰撞”。發明內容
本發明的目的在于提供一種提高讀取效率，避免數據冗余的多微控制器射頻識別讀寫裝置；本發明的目的還在于提供一種多微控制器射頻識別讀寫裝置的數據傳輸方法。
本發明的目的是這樣實現的
該多微控制器射頻識別讀寫裝置，包括一個射頻收發單元組、一個微控制器控制單元組、一個主微控制器控制單元、穩壓電源單元、存儲單元、顯示單元、復位單元、程序燒寫單元、上位機接口，其中射頻收發單元組中的射頻收發單元對應連接微控制器控制單元組中的微控制器控制單元，微控制器控制單元組連接主微控制器控制單元，存儲單元、顯示單元、上位機接口分別連接主微控制器控制單元，復位單元、程序燒寫單元、穩壓電源單元同時連接主微控制器控制單元和微控制器控制單元組，其特征是微控制器控制單元組包括至少兩個微控制器控制單元，射頻收發單元組包括至少兩個射頻收發單元，其中微控制器控制單元控制對應的射頻收發單元，射頻收發單元具有不同的可配置的射頻頻率通道。
主微控制器控制單元與微控制器控制單元組通過串行接口總線及普通輸入/輸出引腳(GPIO)連接，主微控制器控制單元工作在串行接口數據傳輸的主動模式，微控制器控制單元工作在串行接口數據傳輸的被動模式。
微控制器控制單元具有不同的串行接口數據傳輸優先級，優先級的狀態受主微控制器控制單元控制。
多微控制器射頻識別讀寫裝置數據傳輸方法，包括如下步驟
(1)微控制器控制單元組與主微控制器控制單元分別初始化，其中數據發送請求標識、數據傳輸優先級均為0，串行接口總線片選信號為1 ；
(2)微控制器控制單元組接收到有效數據后，判斷數據是否重復，若為重復的數據，則返回后接收下一組數據，若為非重復的數據，則將數據寫入緩存，判斷數據發送請求標識是否為1，若為0將數據發送請求標識置1 ；
(3)微控制器控制單元組判斷是否具有有效的片選信號，若無效，則接收下一組數據，重新執行步驟O)，若有效，則啟動串行接口數據傳輸的被動模式，傳輸完成后清空緩存，并將數據發送請求標識置0 ；
(4)主微控制器控制單元接收到有效的數據發送請求標識后，根據數據發送請求標識設置對應微控制器控制單元的數據傳輸優先級，其中優先級順序用數字進行編號，為具有最高優先級的微控制器控制單元提供有效的片選信號并啟動串行接口數據傳輸的主動模式；
(5)主微控制器控制單元在數據傳輸完成后根據串行接口傳輸數據內容決定是否上傳數據，上傳數據時根據上傳模式進行直接上傳或條件上傳，若為條件上傳模式，則進行條件查詢，上傳后修改對應的緩存表；
(6)主微控制器控制單元將數據上傳后，置對應的片選信號為1，并重新調整微控制器控制單元組的數據傳輸優先級，將當前具有最高優先級的微控制器控制單元的優先級置零，并將其它優先級非0的微控制器控制單元提高一個優先級，重復執行步驟G)。
微控制器控制單元在執行步驟(3)中的數據傳輸時若接收到有效的命令數據，則進行對應命令中斷處理。
主微控制器控制單元執行步驟(4)到(6)過程中若接收到上位機命令，則判斷命令編號，將對應的片選信號置0，啟動串行接口數據傳輸的主動模式，發送命令數據。
本發明的有益效果是與其它同類讀寫裝置及方法相比，通過對讀寫裝置結構與數據通信策略上的本質改進，極大提高讀寫裝置的讀取效率，有效解決了標簽“碰撞”問題，即每個射頻收發單元與對應微控制器控制單元間的數據傳輸獨立完成，當主微控制器控制單元讀取某微控制器控制單元中的射頻數據時，未被讀取的微控制器控制單元為數據的預讀取做了充足的準備，從而實現“非碰撞”的等效性；在該發明通信策略中可采用“二級緩存”模式，即微控制器控制單元不斷對重復標簽數據進行判斷與過濾，當采用條件上傳模式時主微控制器控制單元對數據可進行二次過濾，極大程度的削減數據傳輸過程中的冗余量，值得提出的是，即使主微控制器控制單元端采用直接上傳模式，前一級的處理將冗余數據分配到多個模塊獨立進行過濾，也很大程度上降低了讀寫系統控制器端的數據處理壓力，因此本發明很好的解決了讀寫系統中的大量“數據冗余”問題。


圖1是多微控制器射頻識別讀寫裝置的結構原理圖2是實施例1示意圖3是實施例2示意圖4是實施例3示意圖。
具體實施方式
下面結合附圖和具體實例對本發明做進一步說明。
如圖1所示，一種多微控制器射頻識別讀寫裝置，包括一個射頻收發單元組101、 一個微控制器控制單元組102、一個主微控制器控制單元103、穩壓電源單元104、存儲單元 105、顯示單元106、復位單元107、程序燒寫單元108、上位機接口 109、其它外圍單元110。 其中射頻收發單元組中的射頻收發單元IOln對應連接微控制器控制單元組中的微控制器控制單元102η，微控制器控制單元組連接主微控制器控制單元，存儲單元、顯示單元、上位機接口和其它外圍單元分別連接主微控制器控制單元，復位單元、程序燒寫單元、穩壓電源單元同時連接主微控制器控制單元和微控制器控制單元組。
射頻收發單元組101中包括至少兩個射頻收發單元，根據多微控制器射頻識別讀寫裝置的主工作頻段，該組中可選用射頻收發芯片nRFMLOl+等支持頻率配置的射頻收發芯片，微控制器控制單元組102包括至少兩個微控制器控制單元，微控制器控制單元組中對微控制器控制單元的性能要求并不高，可選擇為C8051F320等低端微處理器系列芯片。 另外，射頻收發單元組與微控制器控制單元組在實際實施過程中可以合并，即亦可選擇集成微控制器的射頻芯片nRFMLEl等。射頻收發單元連同其微控制器可獨立完成射頻標簽信號的讀取、過濾與存儲等。
主微控制器控制單元103中，為了確保裝置的讀寫性能可選用中高端的微處理器系列，如LPC2388ARM芯片等。該主微控制器控制單元與控制射頻收發單元的微控制器控制單元組通過串行接口總線及GPIO引腳連接，其中主微控制器控制單元工作在串行接口數據傳輸的主動模式，微控制器控制單元組中的微控制器控制單元工作在串行接口數據傳輸的被動模式。串行接口可選為 SPIGerial Peripheral Interface), SSP(Synchronous Serial Port)等。
微控制器控制單元組中的微控制器控制單元在數據傳輸過程中有不同的串行接口數據傳輸優先級，且優先級的狀態受到主微控制器控制單元的實時控制，主微控制器控制單元可對若干個微控制器控制單元的數據進行存儲、過濾等處理，實時顯示或通過上位機接口進行數據上傳。其中，上位機接口可選為通用異步接收/發送接口，通用串行總線接口，以太網接口等。
穩壓電源單元用于與讀寫裝置的各單元與子單元進行連接，為其提供一種或多種穩定的工作電壓。
根據圖1，下面結合實施例對該裝置進行更詳細的說明。
實施例1
如圖2所示，射頻收發單元組201選用中心工作頻段為2. 45GHz的射頻收發芯片nRFMLOl+，微控制器控制單元組選用C8051F320微控制芯片，主微控制器控制單元 203選用LPC2388ARM微控制器芯片，主微處理器LPC2388與若干個控制射頻收發單元的 C8051F320通過SPI總線進行數據傳輸，并連接必要的控制引腳，上位機接口 209選用標準的RS232串口，穩壓電源模塊204為整個電路提供穩定的5V和3V電源。
實施例2
如圖3所示，射頻收發單元組與微控制器控制單元組集成合并為嵌入微控制器的射頻收發單元組301，選用中心工作頻段為2. 45GHz的集成微控制器的射頻收發芯片 nRFMLEl，主微控制器控制單元302選用LPC2388ARM微控制器芯片，主微處理器LPC2388 與若干個具有微控制器控制功能的nRFMLEl芯片通過SPI總線進行數據傳輸，并連接必要的控制引腳，上位機接口 308選用標準的RS232串口，穩壓電源模塊303為整個電路提供穩定的5V和3V電源。
實施例3
如圖4，以實施例2為例說明該發明的數據傳輸方法。nRFMLEl. k表示嵌入微控制器的射頻收發單元組中的第k個射頻收發單元，REQ. k表示該射頻收發單元的數據發送請求標識，CS. k表示該射頻收發單元的SPI總線片選，PRI. k表示該射頻收發單元的數據傳輸優先級標識。
相關微控制器首先進行初始化，其中數據發送請求標識、數據傳輸優先級均為0， SPI總線片選為1(無效)。當控制射頻收發單元的微控制器接收到有效數據后，如果判斷為重復的標簽數據，則返回后接收下一數據包，若判斷為非重復的標簽數據，則將數據寫入緩存，并判斷數據發送請求標識是否為1，若不是，則將其置1，之后判斷是否具有有效的片選信號，若沒有，則接收下一數據包，重復該過程，若具備有效的片選信號，則啟動SPI數據傳輸的被動模式，直到傳輸完成后清空緩存，并將數據發送請求標識置0，如果SPI數據傳輸過程中判斷接收到有效的控制命令數據，則進行對應的中斷處理。
主微控制器控制單元接收到有效的數據發送請求標識后，根據該標識設置對應微控制器控制單元的數據傳輸優先級，為具有最高優先級的微控制器控制單元提供有效的片選信號并啟動SPI數據傳輸的主動模式；主微控制器控制單元在數據傳輸完成后根據SPI 傳輸數據內容決定上傳數據還是進行其它操作，上傳數據時需根據上傳模式進行直接上傳或條件上傳，若為條件上傳模式，則進行條件查詢，上傳后修改對應的緩存表(其中SPI數據中的標簽數據內容中包括多種信息，信息內容可能是需要將該數據上傳，也可能是請求閱讀器發給標簽一個命令等。其中的上傳模式是預定的。)；主微控制器控制單元將數據上傳后，置對應片選信號為1，并重新調整微控制器控制單元組的數據傳輸優先級，之后返回重復該過程；該過程中如果接收到上位機命令，則判斷命令編號，將對應片選置0，啟動SPI 數據傳輸的主動模式，發送命令數據；調整數據傳輸優先級時，將該已傳輸后的具有最高優先級的微控制器控制單元的優先級置零，并將其它非0的優先級單元提高一個優先級；重復進行數據請求標識判斷時，若同時存在至少兩個新的有效數據發送請求標識，設置數據傳輸優先級時，則優先級順序依據微控制器控制單元編號設置，并將其優先級級別依次設置在現有非0優先級之后。請求傳輸標識可以區分不同的微控制器控制單元，在主微控制器中有一個數據傳輸優先級動態表，對應微控制器控制單元中的微控制器個數，值得注意的是沒有數據發送請求標識的MCU沒有數據傳輸優先級，即0永遠是最低的。當與第一個發送請求標識的MCU(它的優先級一定是最高的)傳輸結束后，它一定沒有數據請求標識， 那么將其優先級數值修改為0，排到最后，并將其它非0的優先級提高一級。那么此時第二優先級變成最高，0優先級不動。對于0優先級對應的MCU，在下一次判斷數據請求標識時很可能存在兩個以上，那么根據編號編排在非0優先級之后。
上所述的軟硬件實施范例是為了幫助讀者理解本發明的原理，應被理解為發明的保護范圍，并不局限為這樣的特別陳述和實施范例。凡是根據上述描述做出的各種可能的等同替換或者改變，均被認為屬于發明的保護范圍。
權利要求
1.一種多微控制器射頻識別讀寫裝置，包括一個射頻收發單元組、一個微控制器控制單元組、一個主微控制器控制單元、穩壓電源單元、存儲單元、顯示單元、復位單元、程序燒寫單元、上位機接口，其中射頻收發單元組中的射頻收發單元對應連接微控制器控制單元組中的微控制器控制單元，微控制器控制單元組連接主微控制器控制單元，存儲單元、顯示單元、上位機接口分別連接主微控制器控制單元，復位單元、程序燒寫單元、穩壓電源單元同時連接主微控制器控制單元和微控制器控制單元組，其特征是微控制器控制單元組包括至少兩個微控制器控制單元，射頻收發單元組包括至少兩個射頻收發單元，其中微控制器控制單元控制對應的射頻收發單元，射頻收發單元具有不同的可配置射頻頻率通道。
2.根據權利要求1所述的一種多微控制器射頻識別讀寫裝置，其特征是主微控制器控制單元與微控制器控制單元組通過串行接口總線及普通輸入/輸出引腳連接，主微控制器控制單元工作在串行接口數據傳輸的主動模式，微控制器控制單元工作在串行接口數據傳輸的被動模式。
3.根據權利要求1或2所述的一種多微控制器射頻識別讀寫裝置，其特征是微控制器控制單元具有不同的串行接口數據傳輸優先級，優先級的狀態受主微控制器控制單元控制。
4.一種應用權利要求1所述的多微控制器射頻識別讀寫裝置的數據傳輸方法，其特征是，包括如下步驟(1)微控制器控制單元組與主微控制器控制單元分別初始化，其中數據發送請求標識、 數據傳輸優先級均為0，串行接口總線片選信號為1 ；(2)微控制器控制單元組接收到有效數據后，判斷數據是否重復，若為重復的數據，則返回后接收下一組數據，若為非重復的數據，則將數據寫入緩存，判斷數據發送請求標識是否為1，若為0將數據發送請求標識置1 ；(3)微控制器控制單元組判斷是否具有有效的片選信號，若無效，則接收下一組數據， 重新執行步驟O)，若有效，則啟動串行接口數據傳輸的被動模式，傳輸完成后清空緩存，并將數據發送請求標識置0 ；(4)主微控制器控制單元接收到有效的數據發送請求標識后，根據數據發送請求標識設置對應微控制器控制單元的數據傳輸優先級，其中優先級順序用數字進行編號，為具有最高優先級的微控制器控制單元提供有效的片選信號并啟動串行接口數據傳輸的主動模式；(5)主微控制器控制單元在數據傳輸完成后根據串行接口傳輸數據內容決定是否上傳數據，上傳數據時根據上傳模式進行直接上傳或條件上傳，若為條件上傳模式，則進行條件查詢，上傳后修改對應的緩存表；(6)主微控制器控制單元將數據上傳后，置對應的片選信號為1，并重新調整微控制器控制單元組的數據傳輸優先級，將當前具有最高優先級的微控制器控制單元的優先級置零，并將其它優先級非0的微控制器控制單元提高一個優先級，重復執行步驟(4)。
5.根據權利要求4所述的一種多微控制器射頻識別讀寫裝置專用數據傳輸方法，其特征是微控制器控制單元在執行步驟(3)中的數據傳輸時若接收到有效的命令數據，則進行對應命令中斷處理。
6.根據權利要求4或5所述的一種多微控制器射頻識別讀寫裝置專用數據傳輸方法，其特征是主微控制器控制單元執行步驟(4)到(6)過程中若接收到上位機命令，則判斷命令編號，將對應的片選信號置0，啟動串行接口數據傳輸的主動模式，發送命令數據。
全文摘要
本發明屬于射頻識別技術，具體涉及多微控制器射頻識別讀寫裝置及其數據傳輸方法。本發明包括一個射頻收發單元組、一個微控制器控制單元組、一個主微控制器控制單元、穩壓電源單元以及存儲、顯示、復位、程序燒寫、上位機接口單元。本發明數據傳輸方法包括微控制器初始化；射頻收發單元收到非重復的標簽數據后發送請求傳輸標識，若具有有效片選即啟動串行接口數據傳輸的被動模式；主微控制器控制單元依據請求傳輸標識設置數據傳輸優先級，置低最高優先級對應單元的片選并啟動串行接口數據傳輸的主動模式，依據上傳模式將數據上傳后，置高對應片選并調整數據傳輸優先級。該發明極大提高讀寫裝置的讀取效率，解決了讀寫系統中的大量數據冗余問題。
文檔編號G06K17/00GK102509136SQ20111036221
公開日2012年6月20日 申請日期2011年11月16日 優先權日2011年11月16日
發明者宋洪濤 申請人:哈爾濱工程大學