基于DSP技術(shù)的EAS系統設計

摘要：基于數字信號處理芯片設計的EAS系統的工作原理、組成以及實(shí)現實(shí)時(shí)監控應解決的技術(shù)難點(diǎn)。提出了運用數字信號處理的算法識別標簽的軟件實(shí)現方法。給出了系統的硬件原理圖和軟件流程圖。

關(guān)鍵詞：EAS系統 DSP 離散付里葉變換 相關(guān)函數

現代商業(yè)經(jīng)營(yíng)模式逐漸由傳統的基于框臺的模式轉變?yōu)殚_(kāi)放的銷(xiāo)售模式。這種新型的銷(xiāo)售模式給消費者帶來(lái)了便利，使之在更回自和寬松的購物環(huán)境下購物，但同時(shí)也增加了商品失竊的可靠性。商品電子防竊（Electronic Article Surveillance，簡(jiǎn)稱(chēng)EAS）系統能有效地抑制商場(chǎng)失竊現象，因而被廣泛地使用。

1 EAS系統的結構

EAS系統由門(mén)道檢測器、示蹤標簽和解碼板或開(kāi)鎖器等部分構成。

1.1門(mén)道檢測器

門(mén)道檢測器是EAS系統的最關(guān)鍵部分，通常由一個(gè)發(fā)射器和一個(gè)接收器組成。它通常放置于商場(chǎng)的出口處，便于監測是否有含標簽的商品通過(guò)。門(mén)道檢測器的結構如圖1所示。

發(fā)射器的主要作用是產(chǎn)生在7.7～8.7MHz頻率范圍內周期變化的掃頻信號，并在高頻天線(xiàn)周?chē)a(chǎn)生相對平均分布的射頻電磁場(chǎng)。其電路結構比較簡(jiǎn)單，180Hz正產(chǎn)生掃頻信號，經(jīng)寬帶放大器和高頻功率放大器放大驅動(dòng)成型的高頻天線(xiàn)，在一定的范圍內形成射頻電磁場(chǎng)。

接收器通過(guò)天線(xiàn)接收信號，并對其進(jìn)行檢波，同時(shí)作相應的波形變化，然后將變換后的信號（標簽波形）送入A/D轉換器變成數字信號，再經(jīng)過(guò)數字信號處理器（DSP）處理后，便可用其判斷是否有標簽通過(guò)檢測區域。其電路部分主要由輸入阻抗匹配、帶通放大、幅度檢波與波形變換、FM檢波與脈沖整形、A/D轉換等組成，它的結構框圖如圖2所示。

為了提高系統的性能，在接收器前端加入了輸入阻抗匹配電路，利用LC諧振電路帶通特性，選出7.7～8.7MHz范圍內的掃頻信號，然后送高頻放大器進(jìn)行放大。此時(shí)信號分為兩路，一路信號進(jìn)行幅度檢波和波形變換，變換后的信號再經(jīng)過(guò)A/D轉換，送入DSP；另一路進(jìn)行調頻檢波，檢測到180Hz信號后產(chǎn)生一個(gè)與180Hz正弦波同步的脈沖信號，這個(gè)脈沖信號作為采樣的中斷脈沖送入DSP。DSP在每次中斷處理程序中進(jìn)行波形數據采樣和識別，如果有標簽通過(guò)則發(fā)聲報警。本系統中的DSP處理器采用TMS320F206，片內有足夠4K字的RAM和32K字的FLASH，不用進(jìn)行存儲器擴展，從而使外圍接口電路得到簡(jiǎn)化。DSP通過(guò)外中斷、數據及地址總線(xiàn)與A/D轉換器接口。通過(guò)I/O輸出口直接控制聲光報警電路，使其產(chǎn)生多種報警聲音和狀態(tài)。

1.2 示蹤標簽

示蹤標簽有兩大類(lèi)：一類(lèi)是可重復使用的機械式“硬標簽”。硬標簽是在圓形塑料殼內將一導線(xiàn)繞制成圓形環(huán)，在導線(xiàn)的兩端焊接圓片電容，構成“LC”諧振電路，它主要用于服裝、箱包、鞋幅等軟表面商品，且必須與專(zhuān)用的拔除器（開(kāi)鎖器）配套使用；另一類(lèi)是一次性使用的“軟標簽”。該軟標簽是在4cm×4cm的不干膠載體上，腐蝕上多圈銅箔條，構成電感器，用特殊的激光工藝打上可被一定能量擊穿的電容，組成“LC”諧振電路，它主要用于硬表面的商品，通過(guò)專(zhuān)用的解碼板才能使其失鏟。

1.3 解碼板

解碼板是一種使軟標簽換效的裝置，其工作原理與門(mén)道檢測器的發(fā)射器相似。發(fā)射部分產(chǎn)生一個(gè)大功率的掃頻信號，將標簽靠近解碼板天線(xiàn)時(shí)，標簽就會(huì )產(chǎn)生一個(gè)很高的諧振電壓，命標簽內的電容擊穿，從而使標簽失效。解碼板一般放在商場(chǎng)的收銀臺，付款后的商品經(jīng)過(guò)解碼板后使標簽失鏟而被解除。

1.4 開(kāi)鎖器

開(kāi)鎖器是一種拔除硬標簽的專(zhuān)用機器裝置。收銀員用它把安裝在商品上的硬標簽取下來(lái)，使商品可以安全通過(guò)門(mén)道檢測器。開(kāi)鎖器并不損壞硬標簽，拔除的硬標簽中以重新使用。

2 EAS系統工作過(guò)程

商家根據商品的不同特點(diǎn)選用不同種類(lèi)的標簽，將適用的標簽附著(zhù)在商品上，同時(shí)在商場(chǎng)的出口通道處安裝好檢測器。顧客購買(mǎi)商品付款后，商場(chǎng)工作人員用專(zhuān)門(mén)的開(kāi)鎖器或解碼板將其所購商品上的標簽取下或擊穿其內部電容。由于標簽里的LC諧振回路到破壞，顧客攜帶商品通過(guò)門(mén)道時(shí)，接收器的信號不會(huì )發(fā)生感應變化，顧客可以方便安全地通過(guò)門(mén)道；如果顧客沒(méi)有付款就要離去，由于商品上標簽的作用，則他在通過(guò)門(mén)道檢測器時(shí)，接收器接收的信號發(fā)生明顯的變化，從而會(huì )對附著(zhù)在商品上的示蹤標簽發(fā)出報警，攔截商品出門(mén)。其過(guò)程如圖3所示。

3 EAS系統設計中的幾個(gè)問(wèn)題

3.1 實(shí)時(shí)性

EAS系統對識別的實(shí)時(shí)性要求比較高，要求系統在顧客通過(guò)門(mén)道的幾百個(gè)毫秒時(shí)間內對信號進(jìn)行準確的判斷。識別標簽的算法程序要進(jìn)行大量的運算，所以要求微處理器的處理速度快。普通的單片機的一個(gè)指令周期約為1微秒，不能完成大量的運算要求。DSP采用增強的哈佛總線(xiàn)結構，程序采用4級流水線(xiàn)控制，大部分的指令均可在一指令周期中完成，使數據的處理速度大為提高。

3.2 靈敏度

當標簽從不的方向通過(guò)檢測區時(shí)，系統產(chǎn)生的標簽信號強弱不同，通過(guò)特定的數字濾波技術(shù)可以提高弱感應情況下的信噪比，從而提高系統檢測率，降低漏報率。

3.3 抗干擾

接收器實(shí)際接收的信號在受到外界干擾影響時(shí)，會(huì )發(fā)生各種變化。早期的EAS系統對于某些和標簽波形相似的干擾波形，會(huì )作出錯誤的判斷，發(fā)生誤報。而采用DSP技術(shù)的EAS系統，利用標簽信號自相關(guān)性比較強的特點(diǎn)，極大地降低了系統誤報率。

4 系統軟件設計

4.1 標簽信號的特性

當標簽通過(guò)商場(chǎng)的出口通道處時(shí)，由于發(fā)射器和接收器之間射頻電磁場(chǎng)的作用，接收的信號波形會(huì )發(fā)生變化。通過(guò)鑒別接收信號的波形特征就可以判斷是否有標簽通過(guò)。通常由于在一個(gè)周期中標簽所在的頻點(diǎn)被掃到兩次，因而在環(huán)境比較好的情況下，一個(gè)周期有兩個(gè)比較大的波形峰值。圖4（a）和圖4（b）分別是無(wú)標簽和有標簽時(shí)接收信號的波形。

然而實(shí)際的現場(chǎng)環(huán)境差別較大，接收到的信號情況復雜。有時(shí)表現為環(huán)境的整個(gè)噪聲水平高，有時(shí)又表現為固定頻率的干擾。例如，當用手握住接收天線(xiàn)時(shí)，接收的信號會(huì )在一定的頻率點(diǎn)產(chǎn)生整個(gè)較大的波峰，而整個(gè)信號的波形，總體上的強度并不是很大，但在特定的位置上會(huì )產(chǎn)生幾個(gè)波峰。這種情況下的信號與有標簽通過(guò)時(shí)的信號相似，但是通過(guò)它與典型標簽信號的頻譜分析對比可以區分。而當用金屬物體碰撞天線(xiàn)或與天線(xiàn)摩擦時(shí)，產(chǎn)生的接收信號的幅度在整體上有很大的提高，接收波形雜亂無(wú)章，采用相關(guān)運算可以區分。圖5（a）和圖5(b)分別是這兩種情況下的接收信號波形。

當現場(chǎng)環(huán)境中有特定的電磁干擾時(shí)，接收的信號也會(huì )發(fā)生變化。如果在同一個(gè)商場(chǎng)中有幾臺發(fā)射天線(xiàn)，接收的信號會(huì )體現出兩個(gè)特點(diǎn)：一是在每個(gè)周期中都會(huì )有的較大波形峰值；二是每個(gè)周期中較大波形峰值對應的時(shí)刻不完全一致，換句話(huà)說(shuō)，就是每周期較大波形峰值在移動(dòng)（相對于每個(gè)周期的起點(diǎn)）。圖6是存在互相干擾信號時(shí)的接收信號波形。

4.2 識別算法

從上面信號的波形特點(diǎn)可以看到：當環(huán)境狀況比較好的時(shí)候，由于標簽通過(guò)門(mén)道一般需要幾十到幾百毫秒的時(shí)間，因而感應的信號會(huì )在連續的多個(gè)周期中存在。在有標簽通過(guò)時(shí)，接收的信號首先表現為在連續的數個(gè)周期內感應信號的加強，并且在連續的周期內有很強的自相關(guān)性。而對于大多數干擾情況（例如存在相互干擾、金屬物體磁撞天線(xiàn)時(shí)）的信號，雖然感應信號強度明顯的加強，但在每個(gè)周期增強的集團并不是相同的，這種信號的自相關(guān)性較弱。相關(guān)函數的定義如下：

式中，x(n),y(n)分別是兩個(gè)函數，m是x(n)和y(n)相關(guān)的間隔點(diǎn)數。

若x(n)和y(n)是同一個(gè)周期函數，則其相關(guān)函數為自相關(guān)函數。設x(n)為周期為N的信號，則其自相關(guān)函數有以下性質(zhì)：

當采樣數據發(fā)生幅值上的大變化時(shí)，連續采樣數個(gè)周期的數據，分別計算每個(gè)周期與第一個(gè)周期的相關(guān)函數，即求出

式中，M為連續采樣周期數，rxn(m+nN)為第n周期與第一個(gè)周期的相關(guān)函數。

如果連續的n個(gè)相關(guān)函數基本相等則說(shuō)明有標簽通過(guò)門(mén)道。即若滿(mǎn)足關(guān)系：

式中，δ是一個(gè)比較小的冗余量

則初步認為有標簽通過(guò)門(mén)道。實(shí)際系統中取m=N，這時(shí)的自相關(guān)函數的數值晚容易判斷。

由于標簽的特性，周期的同頻周期干擾所引起的感應信號也表現出與標簽相信的特性，此時(shí)可以利用標準標簽感應信號的頻譜特性加以區分。設標準標簽一個(gè)周期采樣信號的數據為xs(n)，則其頻譜為：

設實(shí)際采樣信號的頻譜為Xr(k)，如果≥σ（σ為頻譜分量的累計量的閥值），就可以認為沒(méi)標簽通過(guò)。

4.3 軟件流程

針對系統對實(shí)時(shí)性要求比較高，CPU采用中斷工作方式。主程序對硬件初始化手，等待中斷。中斷服務(wù)程序主要完成數據采集和標簽辨識，其流程如圖7所示。系統中斷脈沖的時(shí)間間隔大約5.6ms，所以中斷處理程序必須在這個(gè)時(shí)間內完成。當微處理器采用TMS320F206（主頻為20MHz）時(shí)，一個(gè)指令周期為50ns，DSP的結構保證了能在較短的時(shí)鐘內完成相關(guān)、FFT等復雜運算。

本文闡述的基于DSP技術(shù)的EAS系統，其優(yōu)點(diǎn)主表現在以下三個(gè)方面：（1）在報警的反應速率上，DSP的硬件結構更適合做數據的處理，從而使程序用較少的時(shí)間完成比較復雜的運算；（2）文中的數據分析算法有效地提高了報警的準確性，降低了誤報率；（3）由于本系統采用的微機處理器TMS320F206片內集成了足夠的RAM和FLASH，不用外部擴展存儲器，避免了由外部總線(xiàn)引入的干擾，進(jìn)一步減少了誤報。本系統已在內許多城市的超市中得到應用，在誤報、漏報和反應速度上均具有較好的效果。