基于FRAM射频标签识别的实验室仪器管理系统设计

龚玉梅，胡金艳

（上海第二工业大学工学部计算机与信息工程学院，上海201209）

随着我国高等教育事业的持续发展，高等院校实验室建设已经成为实践教学与创新教育的重要支撑，实验室仪器设备的管理工作也日趋复杂繁冗。目前高校实验室仪器设备管理，主要为使用信息系统记录仪器设备的登记入库以及报废信息，同时手工记录设备的借用、归还和维修等信息，容易造成仪器设备信息的差错与滞后，特别在设备流动以及设备清查的过程中，很难准确并且实时地反映设备的状态。提高高校实验室仪器设备管理的效率，增强可追溯性与信息完备性已成为一个高校实验室管理中的一个普遍问题[1-8]。

射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）又称电子标签（E-tag），是一种通过射频信号进行快速非接触式信息读取与识别的技术，并具有耐磨、防水、防磁等特点。铁电存储器（Ferroelectric Random-Access Memory，FRAM）是一种非易失性存储器，其使用铁电材料作为数据载体，存储容量大、读写速度快、耗电量低、抗辐射性强。本文提出一种基于FRAM和RFID融合型电子标签高校实验设备管理硬件方案，实现仪器设备的信息记录与扫描跟踪，提高了高校实验设备管理的效率与准确性[6-10]。

1 铁电存储器 RFID技术

RFID即无线射频识别，俗称电子标签，是一种非接触式自动识别技术。它通过射频信号自动识别目标对象，可快速地进行信息交换与跟踪。RFID系统由RFID电子标签、读写器、射频天线、系统高层应用软件等部分组成，如图1所示。

图1 RFID系统基本组成结构图

安装电子标签的物体与读写器之间，通过空间电磁耦合，实现非接触式通信，完成信息交换与物体识别，整个通信过程无需人工干预，并可工作于各种恶劣环境[11-12]。工作频率是RFID系统最基本的技术参数之一，工作频率的选择在很大程度上决定了射频标签的应用范围、作用距离、技术可行性以及系统成本的高低，通常频率越高作用距离越长。目前国际公认的RFID频段划分如表1所示。

表1 RFID频段表

FRAM是利用铁电薄膜材料的极化随电场反转并在断电状态下仍可保持的特性，制成的非挥发性存储器。在铁电晶体上施加电场时，由于晶体的中间层为一个高能阶，晶体中心原子在电场的作用下达到一种稳定状态，中心原子当电场消失后保持在原来的位置。不管外界条件如何，FRAM存储器的内容不会受到影响，从而使得FRAM具有非易失性的存储特性。与其它存储器相比较，FRAM具有读写时间快、可擦写次数多、操作电压低、存储密度高、功耗低、抗辐射性能强等优点。将FRAM与RFID两种技术进行融合，结合了随机存储器和只读存储器的优势，实现了优质存储载体电子标签的应用，使得RFID可以利用FRAM的存储空间进行数据记录、追溯与维护，丰富拓展了RFID的应用场景[13-15]。

在我国高等院校实验室仪器设备管理应用中，具有设备使用周期长、实验室开放性高、使用与维修记录复杂等特点，融合大数据空间的铁电存储器RFID恰恰能够很好地解决目前的主要问题，实现效率的提高。

2 系统设计

针对高等院校实验室仪器管理的应用场景，本方案选用日本富士通公司集成FARM的RFID芯片MB97R804B作为依附于仪器设备上的电子标签，实现其与读写器之间的信息交互，同时设计基于微处理器芯片的串行口通讯系统，实现与RFID芯片以及计算机系统的双向链接，通过通讯链路冗余设计，实现应用的灵活性与可靠性。系统结构框图如图2所示，包含天线、电子标签、读写器、微处理器与支撑电路、液晶显示、计算机系统及相关串行接口等相关模块。

图2 系统结构框图

2.1 FRAM RFID芯片MB97R804B

MB97R804B是一款内含4K FRAM高密度存储空间的RFID芯片，其指令兼容国际标准ISO15693和ISO18000-3，工作在甚高频波段（860MHz到960MHz），读写速度快，通过嵌入式FRAM的高性能增强写入操作的吞吐量，工作距离为3-9米，支持多种调制与跳频方式，并含有串行外设接口（Serial Peripheral Interface，SPI），耐久力长，抗辐射能力强，其基本规格如表2所示。

表2 芯片基本规格

在印刷电路板设计中，设计了SPI接口，方便与微处理器主控板进行串口数据通信与存储信息交换。同时进行了外置板上无源带状天线的设计，用于增强通信频段上无线电波的耦合与方向性，同时增加射频读写器与RFID之间的通信距离，并提高识别效率。

2.2 射频读写器AT870

当把电子标签置于射频读写器的通信范围内，射频读写器就可以读取和写入电子标签内存信息。在读取电子标签信息过程中，其从电子标签中读取有关信息，经加密、编码和调制后通过卡内天线与板上外置天线再发送给射频读写器，射频读写器对接收到的无线电磁波信号进行解调、解码和解密后进行有关数据处理，获取相关信息。

射频读写器主要由射频模块、控制处理模块和天线这三部分组成。读写器与电子标签之间通过天线收发信号进行通信，天线可以嵌入到读写器里面，也可以单独一个部分。射频信号转换为基带信号通过射频模块来实现。控制模块是读写器的核心，对发射信号的编码和调制，对接收的信号的解调和解码，以及相关防碰撞算法实现，与后端应用程序的接口通信等。

在本系统中选用的射频读写器为AT870手持移动终端，其基本规格指标如图3所示。

表3 射频读写器基本规格

AT870是一款甚高频射频识别读写器扫描终端，使用Windows Mobile操作系统，Intel Bulverde处理器，支持ISO18000国际标准，全向读写角度。其具有操作系统易用、人际交互界面良好、设备小巧灵活、通信方向性好、使用效率高等优势，在实验室设备仪器管理扫描中灵活易用。

2.3 微处理器MB9BF506R

MB9BF506R是Spansion公司设计生产的一款采用ARM Cortex-M3内核的32位微处理器芯片。该系列微处理器芯片主要针对性能要求高同时对成本价格敏感的嵌入式系统应用中。Spansion公司将其专有的闪存技术与ARM技术相结合，并包含64kbyte片上SRAM存储器（由两独立的SRAM组成，分别支撑CPU和DMA单元），同时包含多种通信接口、模数转换、液晶屏显示、电机控制等丰富外设资源。在本系统中进行了USB接口、SPI接口、液晶屏显示、ISP程序下载接口、相关电源分配电路以及简单人机交互按钮的相关电路设计，其模块框图如图3所示。

图3 微处理器板模块图

在MB9BF506R为主芯片的微处理器板上，需要进行相关嵌入式底层软件开发，其功能包含：USB接口初始化与通信模块、串行外设接口通信模块、数据编解码模块、液晶屏显示模块、人机交互模块等[16-20]。

本系统中采用模块化软件编程方式，通过嵌入式系统开发库函数的引入，主程序与中断子程序设计相结合，主要接口外设通过中断子程序进行处理，具有资源占用小、响应时间短实时性高等特点。在主程序设计中完成硬件系统的相关资源初始化，主要针对一些外设使用到的相关寄存器与定时器进行初始化工作，同时系统中使用到的通信与显示接口，进行模式设定、工作方式选择等初始化操作，还包含人机交互、液晶显示界面的相关操作。除此以外，用于与射频电子标签线路板通讯的串行外设接口以及与主控计算机进行通讯的USB口，通过中断子程序的方式进行相关数据传输与编解码操作，并触发相关信息存储显示等工作。系统固件流程框图如图4所示。

图4 固件流程框图

3 实验测试

根据系统硬件与功能设计，主要针对两个通信链路进行相关实验测试：1）射频读写器与射频电子标签之间的无线通信链路；2）微处理器主控制板与射频电子标签之间的串行外设链路。

射频读写器与射频识别标签之间的通信链路为日常实验室仪器设备管理的主要操作链路，支持实验管理人员通过该链路进行仪器设备识别、信息获取、信息存储记录与修改等操作。在测试系统中，针对实验室使用场景，将射频电子标签电路板粘附固定在一台泰克5000系列示波器上，在线路板中设计了串行外设接口，用于与微处理器主控制板进行连接，同时主控板可以与计算机进行USB口通讯，达到双通道备份冗余设计，在入库、报废等批量操作时方便进行数据传输与批量处理。

同时针对射频读写器与射频识别标签之间的核心通信链路，进行了无线通信距离测试、实验室仓储实际场景测试等相关与实验设备管理系统使用人员密切相关的应用场合进行了反复验证。

图5 测试系统连接图

通过两个通信链路分别实现了对依附于示波器设备上的射频识别标签进行基本数据的写入、读取与修改操作，实验操作结果示例如图6所示。

图6 实验结果示例

4 结束语

由于铁电存储器（FRAM）与射频识别技术（RFID）的融合，使得具备大容量非易失性数据存储空间的RFID芯片得以实现，进而利用该技术设计完成的高等院校实验室仪器设备管理硬件系统具备了良好的实用性与灵活性。该系统通过射频读写器与FRAM RFID标签之间的无线通道，实现了实验室设备管理应用场景中设备信息的获取、记录、存储、修改、跟踪与追溯等功能。同时系统具有串行外设接口链路设计，实现了灵活的数据传递方式，具备一定的冗余性，增加了系统的可靠性。针对高校实验室仪器设备管理中的应用场景，试验结果表明该方案可以满足系统的应用需求。随着射频识别与铁电存储技术的进一步发展，更大存储容量更高性能FRAM RFID芯片的推出，以及芯片应用经验的增长，该技术在高校实验室仪器设备管理中的应用将会更加广泛。