一种多微控制器射频识别读写装置及其数据传输方法

摘要

本发明属于射频识别技术，具体涉及多微控制器射频识别读写装置及其数据传输方法。本发明包括一个射频收发单元组、一个微控制器控制单元组、一个主微控制器控制单元、稳压电源单元以及存储、显示、复位、程序烧写、上位机接口单元。本发明数据传输方法包括微控制器初始化；射频收发单元收到非重复的标签数据后发送请求传输标识，若具有有效片选即启动串行接口数据传输的被动模式；主微控制器控制单元依据请求传输标识设置数据传输优先级，置低最高优先级对应单元的片选并启动串行接口数据传输的主动模式，依据上传模式将数据上传后，置高对应片选并调整数据传输优先级。该发明极大提高读写装置的读取效率，解决了读写系统中的大量数据冗余问题。

说明书

技术领域

本发明属于射频识别(RFID，Radio Frequency IDentification)技术，具体涉及一种包含RFID读写器技术的多微控制器射频识别读写装置及其数据传输方法。

背景技术

RFID技术是一种非接触的自动识别技术，它通过使用射频电子设备发射射频信号，并通过射频信号的空间耦合来自动识别目标对象并获取相关数据，同时可以将新的信息写入目标对象的标识设备。RFID系统主要由读写器、电子标签、外部终端等构成，一般分为有源系统和无源系统。如在有源系统中，读写器的主要功能是通过天线接收电子标签发射的射频信号，进行滤波、解调、放大、解码和译码处理，实现对标签内存储的固定数据与标签数据区数据的读取，以及通过外部终端发送相关控制命令或数据信息，完成标签的各种功能控制与相关数据的修改。

随着应用领域的不断扩展，很多应用要求读写装置能够同时处理大量的标签，而单一频率的RFID系统构造简单、容易实现，但其缺陷是致命的，如在有源RFID“点名巡更”系统中，大多系统每秒只能约读取100个标签，这对于有密集标签的应用场合是不适宜的，另外系统命令和数据都集中在一个频道上，很容易被捕捉、分析、破解，一旦指定的频道被阻塞或被干扰，整个系统就会效率低下甚至瘫痪。

多频道传输的RFID系统将大量的RFID标签分散到不同的频道，即不同标签在主传输频率带宽内有一定的频率差异，而不同的读写设备具有与之对应的一个或若干个频率通道。在一个多标签多读写器的系统中，多频道传输的RFID系统可以一定程度的避免系统中的“碰撞”问题，较单一频率的系统有更高的读写性能。现有的多频率通道读写装置采用一个微控制器直接读取多个不同频率的射频模块数据，单一频道上的“碰撞”仍然存在，并且在同一射频模块中必然会读取到一定的重复数据或者未能及时读取其它的模块数据，也就是说，在处理器读取的某一模块的数据中一定包含重复的标签，而当处理器读取完该射频模块，进行下一模块的数据读取任务时，下一射频模块中的数据包与模块已读取数据包是否不重复很难得到保证，这很大程度上制约了读写装置的“读取效率”。

另外，经更加深入的分析与实践，此类读写装置在实际应用中包含的频率通道个数受到主控制器的性能与相关通信接口个数限制。同时，读写装置读到的大量的重复标签数据信息，即“数据冗余”问题，造成了系统资源的严重浪费，而即使在微处理器级采用“条件查询”等数据过滤机制，也会给微处理器端造成了一定的处理压力。

系统的“读取效率”是一个极为重要的性能指标，即在规定时间内读取到不同标签的个数或一定标签数量下的读取时间。由RFID系统的工作原理可知，当标签数据包长度确定时，系统“读取效率”是有上限的，即读写器在一定读取时间内所有的标签均无“碰撞”，研究者需尽可能的使用适当的通信策略来保障该条件。事实上“碰撞”现象是无法避免的，但在一个多频道传输的系统中，采用适当的通信策略可以在若干标签的读取过程中等效为无“碰撞”。

发明内容

本发明的目的在于提供一种提高读取效率，避免数据冗余的多微控制器射频识别读写装置；本发明的目的还在于提供一种多微控制器射频识别读写装置的数据传输方法。

本发明的目的是这样实现的：

该多微控制器射频识别读写装置，包括一个射频收发单元组、一个微控制器控制单元组、一个主微控制器控制单元、稳压电源单元、存储单元、显示单元、复位单元、程序烧写单元、上位机接口，其中射频收发单元组中的射频收发单元对应连接微控制器控制单元组中的微控制器控制单元，微控制器控制单元组连接主微控制器控制单元，存储单元、显示单元、上位机接口分别连接主微控制器控制单元，复位单元、程序烧写单元、稳压电源单元同时连接主微控制器控制单元和微控制器控制单元组，其特征是：微控制器控制单元组包括至少两个微控制器控制单元，射频收发单元组包括至少两个射频收发单元，其中微控制器控制单元控制对应的射频收发单元，射频收发单元具有不同的可配置的射频频率通道。

主微控制器控制单元与微控制器控制单元组通过串行接口总线及普通输入/输出引脚(GPIO)连接，主微控制器控制单元工作在串行接口数据传输的主动模式，微控制器控制单元工作在串行接口数据传输的被动模式。

微控制器控制单元具有不同的串行接口数据传输优先级，优先级的状态受主微控制器控制单元控制。

多微控制器射频识别读写装置数据传输方法，包括如下步骤：

(1)微控制器控制单元组与主微控制器控制单元分别初始化，其中数据发送请求标识、数据传输优先级均为0，串行接口总线片选信号为1；

(2)微控制器控制单元组接收到有效数据后，判断数据是否重复，若为重复的数据，则返回后接收下一组数据，若为非重复的数据，则将数据写入缓存，判断数据发送请求标识是否为1，若为0将数据发送请求标识置1；

(3)微控制器控制单元组判断是否具有有效的片选信号，若无效，则接收下一组数据，重新执行步骤(2)，若有效，则启动串行接口数据传输的被动模式，传输完成后清空缓存，并将数据发送请求标识置0；

(4)主微控制器控制单元接收到有效的数据发送请求标识后，根据数据发送请求标识设置对应微控制器控制单元的数据传输优先级，其中优先级顺序用数字进行编号，为具有最高优先级的微控制器控制单元提供有效的片选信号并启动串行接口数据传输的主动模式；

(5)主微控制器控制单元在数据传输完成后根据串行接口传输数据内容决定是否上传数据，上传数据时根据上传模式进行直接上传或条件上传，若为条件上传模式，则进行条件查询，上传后修改对应的缓存表；

(6)主微控制器控制单元将数据上传后，置对应的片选信号为1，并重新调整微控制器控制单元组的数据传输优先级，将当前具有最高优先级的微控制器控制单元的优先级置零，并将其它优先级非0的微控制器控制单元提高一个优先级，重复执行步骤(4)。

微控制器控制单元在执行步骤(3)中的数据传输时若接收到有效的命令数据，则进行对应命令中断处理。

主微控制器控制单元执行步骤(4)到(6)过程中若接收到上位机命令，则判断命令编号，将对应的片选信号置0，启动串行接口数据传输的主动模式，发送命令数据。

本发明的有益效果是：与其它同类读写装置及方法相比，通过对读写装置结构与数据通信策略上的本质改进，极大提高读写装置的读取效率，有效解决了标签“碰撞”问题，即每个射频收发单元与对应微控制器控制单元间的数据传输独立完成，当主微控制器控制单元读取某微控制器控制单元中的射频数据时，未被读取的微控制器控制单元为数据的预读取做了充足的准备，从而实现“非碰撞”的等效性；在该发明通信策略中可采用“二级缓存”模式，即微控制器控制单元不断对重复标签数据进行判断与过滤，当采用条件上传模式时主微控制器控制单元对数据可进行二次过滤，极大程度的削减数据传输过程中的冗余量，值得提出的是，即使主微控制器控制单元端采用直接上传模式，前一级的处理将冗余数据分配到多个模块独立进行过滤，也很大程度上降低了读写系统控制器端的数据处理压力，因此本发明很好的解决了读写系统中的大量“数据冗余”问题。

附图说明

图1是多微控制器射频识别读写装置的结构原理图；

图2是实施例1示意图；

图3是实施例2示意图；

图4是实施例3示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实例对本发明做进一步说明。

如图1所示，一种多微控制器射频识别读写装置，包括一个射频收发单元组101、一个微控制器控制单元组102、一个主微控制器控制单元103、稳压电源单元104、存储单元105、显示单元106、复位单元107、程序烧写单元108、上位机接口109、其它外围单元110。其中射频收发单元组中的射频收发单元101n对应连接微控制器控制单元组中的微控制器控制单元102n，微控制器控制单元组连接主微控制器控制单元，存储单元、显示单元、上位机接口和其它外围单元分别连接主微控制器控制单元，复位单元、程序烧写单元、稳压电源单元同时连接主微控制器控制单元和微控制器控制单元组。

射频收发单元组101中包括至少两个射频收发单元，根据多微控制器射频识别读写装置的主工作频段，该组中可选用射频收发芯片nRF24L01+等支持频率配置的射频收发芯片，微控制器控制单元组102包括至少两个微控制器控制单元，微控制器控制单元组中对微控制器控制单元的性能要求并不高，可选择为C8051F320等低端微处理器系列芯片。另外，射频收发单元组与微控制器控制单元组在实际实施过程中可以合并，即亦可选择集成微控制器的射频芯片nRF24LE1等。射频收发单元连同其微控制器可独立完成射频标签信号的读取、过滤与存储等。

主微控制器控制单元103中，为了确保装置的读写性能可选用中高端的微处理器系列，如LPC2388ARM芯片等。该主微控制器控制单元与控制射频收发单元的微控制器控制单元组通过串行接口总线及GPIO引脚连接，其中主微控制器控制单元工作在串行接口数据传输的主动模式，微控制器控制单元组中的微控制器控制单元工作在串行接口数据传输的被动模式。串行接口可选为SPI(Serial Peripheral Interface)，SSP(Synchronous Serial Port)等。

微控制器控制单元组中的微控制器控制单元在数据传输过程中有不同的串行接口数据传输优先级，且优先级的状态受到主微控制器控制单元的实时控制，主微控制器控制单元可对若干个微控制器控制单元的数据进行存储、过滤等处理，实时显示或通过上位机接口进行数据上传。其中，上位机接口可选为通用异步接收/发送接口，通用串行总线接口，以太网接口等。

稳压电源单元用于与读写装置的各单元与子单元进行连接，为其提供一种或多种稳定的工作电压。

根据图1，下面结合实施例对该装置进行更详细的说明。

实施例1

如图2所示，射频收发单元组201选用中心工作频段为2.45GHz的射频收发芯片nRF24L01+，微控制器控制单元组选用C8051F320微控制芯片，主微控制器控制单元203选用LPC2388ARM微控制器芯片，主微处理器LPC2388与若干个控制射频收发单元的C8051F320通过SPI总线进行数据传输，并连接必要的控制引脚，上位机接口209选用标准的RS232串口，稳压电源模块204为整个电路提供稳定的5V和3V电源。

实施例2

如图3所示，射频收发单元组与微控制器控制单元组集成合并为嵌入微控制器的射频收发单元组301，选用中心工作频段为2.45GHz的集成微控制器的射频收发芯片nRF24LE1，主微控制器控制单元302选用LPC2388ARM微控制器芯片，主微处理器LPC2388与若干个具有微控制器控制功能的nRF24LE1芯片通过SPI总线进行数据传输，并连接必要的控制引脚，上位机接口308选用标准的RS232串口，稳压电源模块303为整个电路提供稳定的5V和3V电源。

实施例3

如图4，以实施例2为例说明该发明的数据传输方法。nRF24LE1.k表示嵌入微控制器的射频收发单元组中的第k个射频收发单元，REQ.k表示该射频收发单元的数据发送请求标识，CS.k表示该射频收发单元的SPI总线片选，PRI.k表示该射频收发单元的数据传输优先级标识。

相关微控制器首先进行初始化，其中数据发送请求标识、数据传输优先级均为0，SPI总线片选为1(无效)。当控制射频收发单元的微控制器接收到有效数据后，如果判断为重复的标签数据，则返回后接收下一数据包，若判断为非重复的标签数据，则将数据写入缓存，并判断数据发送请求标识是否为1，若不是，则将其置1，之后判断是否具有有效的片选信号，若没有，则接收下一数据包，重复该过程，若具备有效的片选信号，则启动SPI数据传输的被动模式，直到传输完成后清空缓存，并将数据发送请求标识置0，如果SPI数据传输过程中判断接收到有效的控制命令数据，则进行对应的中断处理。

主微控制器控制单元接收到有效的数据发送请求标识后，根据该标识设置对应微控制器控制单元的数据传输优先级，为具有最高优先级的微控制器控制单元提供有效的片选信号并启动SPI数据传输的主动模式；主微控制器控制单元在数据传输完成后根据SPI传输数据内容决定上传数据还是进行其它操作，上传数据时需根据上传模式进行直接上传或条件上传，若为条件上传模式，则进行条件查询，上传后修改对应的缓存表(其中SPI数据中的标签数据内容中包括多种信息，信息内容可能是需要将该数据上传，也可能是请求阅读器发给标签一个命令等。其中的上传模式是预定的。)；主微控制器控制单元将数据上传后，置对应片选信号为1，并重新调整微控制器控制单元组的数据传输优先级，之后返回重复该过程；该过程中如果接收到上位机命令，则判断命令编号，将对应片选置0，启动SPI数据传输的主动模式，发送命令数据；调整数据传输优先级时，将该已传输后的具有最高优先级的微控制器控制单元的优先级置零，并将其它非0的优先级单元提高一个优先级；重复进行数据请求标识判断时，若同时存在至少两个新的有效数据发送请求标识，设置数据传输优先级时，则优先级顺序依据微控制器控制单元编号设置，并将其优先级级别依次设置在现有非0优先级之后。请求传输标识可以区分不同的微控制器控制单元，在主微控制器中有一个数据传输优先级动态表，对应微控制器控制单元中的微控制器个数，值得注意的是没有数据发送请求标识的MCU没有数据传输优先级，即0永远是最低的。当与第一个发送请求标识的MCU(它的优先级一定是最高的)传输结束后，它一定没有数据请求标识，那么将其优先级数值修改为0，排到最后，并将其它非0的优先级提高一级。那么此时第二优先级变成最高，0优先级不动。对于0优先级对应的MCU，在下一次判断数据请求标识时很可能存在两个以上，那么根据编号编排在非0优先级之后。

上所述的软硬件实施范例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为发明的保护范围，并不局限为这样的特别陈述和实施范例。凡是根据上述描述做出的各种可能的等同替换或者改变，均被认为属于发明的保护范围。