基于DSP技術(shù)的EAS系統(tǒng)設(shè)計

摘要：基于數(shù)字信號處理芯片設(shè)計的EAS系統(tǒng)的工作原理、組成以及實現(xiàn)實時監(jiān)控應(yīng)解決的技術(shù)難點。提出了運用數(shù)字信號處理的算法識別標簽的軟件實現(xiàn)方法。給出了系統(tǒng)的硬件原理圖和軟件流程圖。

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

現(xiàn)代商業(yè)經(jīng)營模式逐漸由傳統(tǒng)的基于框臺的模式轉(zhuǎn)變?yōu)殚_放的銷售模式。這種新型的銷售模式給消費者帶來了便利，使之在更回自和寬松的購物環(huán)境下購物，但同時也增加了商品失竊的可靠性。商品電子防竊（Electronic Article Surveillance，簡稱EAS）系統(tǒng)能有效地抑制商場失竊現(xiàn)象，因而被廣泛地使用。

1 EAS系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

EAS系統(tǒng)由門道檢測器、示蹤標簽和解碼板或開鎖器等部分構(gòu)成。

1.1門道檢測器

門道檢測器是EAS系統(tǒng)的最關(guān)鍵部分，通常由一個發(fā)射器和一個接收器組成。它通常放置于商場的出口處，便于監(jiān)測是否有含標簽的商品通過。門道檢測器的結(jié)構(gòu)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(nèi)周期變化的掃頻信號，并在高頻天線周圍產(chǎn)生相對平均分布的射頻電磁場。其電路結(jié)構(gòu)比較簡單，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(qū)動成型的高頻天線，在一定的范圍內(nèi)形成射頻電磁場。

接收器通過天線接收信號，并對其進行檢波，同時作相應(yīng)的波形變化，然后將變換后的信號（標簽波形）送入A/D轉(zhuǎn)換器變成數(shù)字信號，再經(jīng)過數(shù)字信號處理器（DSP）處理后，便可用其判斷是否有標簽通過檢測區(qū)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(zhuǎn)換等組成，它的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

為了提高系統(tǒng)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(nèi)的掃頻信號，然后送高頻放大器進行放大。此時信號分為兩路，一路信號進行幅度檢波和波形變換，變換后的信號再經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換，送入DSP；另一路進行調(diào)頻檢波，檢測到180Hz信號后產(chǎn)生一個與180Hz正弦波同步的脈沖信號，這個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行波形數(shù)據(jù)采樣和識別，如果有標簽通過則發(fā)聲報警。本系統(tǒng)中的DSP處理器采用TMS320F206，片內(nèi)有足夠4K字的RAM和32K字的FLASH，不用進行存儲器擴展，從而使外圍接口電路得到簡化。DSP通過外中斷、數(shù)據(jù)及地址總線與A/D轉(zhuǎn)換器接口。通過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：一類是可重復使用的機械式“硬標簽”。硬標簽是在圓形塑料殼內(nèi)將一導線繞制成圓形環(huán)，在導線的兩端焊接圓片電容，構(gòu)成“LC”諧振電路，它主要用于服裝、箱包、鞋幅等軟表面商品，且必須與專用的拔除器（開鎖器）配套使用；另一類是一次性使用的“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(gòu)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，通過專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，其工作原理與門道檢測器的發(fā)射器相似。發(fā)射部分產(chǎn)生一個大功率的掃頻信號，將標簽靠近解碼板天線時，標簽就會產(chǎn)生一個很高的諧振電壓，命標簽內(nèi)的電容擊穿，從而使標簽失效。解碼板一般放在商場的收銀臺，付款后的商品經(jīng)過解碼板后使標簽失鏟而被解除。

1.4 開鎖器

開鎖器是一種拔除硬標簽的專用機器裝置。收銀員用它把安裝在商品上的硬標簽取下來，使商品可以安全通過門道檢測器。開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(tǒng)工作過程

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

3 EAS系統(tǒng)設(shè)計中的幾個問題

3.1 實時性

EAS系統(tǒng)對識別的實時性要求比較高，要求系統(tǒng)在顧客通過門道的幾百個毫秒時間內(nèi)對信號進行準確的判斷。識別標簽的算法程序要進行大量的運算，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結(jié)構(gòu)，程序采用4級流水線控制，大部分的指令均可在一指令周期中完成，使數(shù)據(jù)的處理速度大為提高。

3.2 靈敏度

當標簽從不的方向通過檢測區(qū)時，系統(tǒng)產(chǎn)生的標簽信號強弱不同，通過特定的數(shù)字濾波技術(shù)可以提高弱感應(yīng)情況下的信噪比，從而提高系統(tǒng)檢測率，降低漏報率。

3.3 抗干擾

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

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

4.1 標簽信號的特性

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

然而實際的現(xiàn)場環(huán)境差別較大，接收到的信號情況復雜。有時表現(xiàn)為環(huán)境的整個噪聲水平高，有時又表現(xiàn)為固定頻率的干擾。例如，當用手握住接收天線時，接收的信號會在一定的頻率點產(chǎn)生整個較大的波峰，而整個信號的波形，總體上的強度并不是很大，但在特定的位置上會產(chǎn)生幾個波峰。這種情況下的信號與有標簽通過時的信號相似，但是通過它與典型標簽信號的頻譜分析對比可以區(qū)分。而當用金屬物體碰撞天線或與天線摩擦時，產(chǎn)生的接收信號的幅度在整體上有很大的提高，接收波形雜亂無章，采用相關(guān)運算可以區(qū)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(xiàn)場環(huán)境中有特定的電磁干擾時，接收的信號也會發(fā)生變化。如果在同一個商場中有幾臺發(fā)射天線，接收的信號會體現(xiàn)出兩個特點：一是在每個周期中都會有的較大波形峰值；二是每個周期中較大波形峰值對應(yīng)的時刻不完全一致，換句話說，就是每周期較大波形峰值在移動（相對于每個周期的起點）。圖6是存在互相干擾信號時的接收信號波形。

4.2 識別算法

從上面信號的波形特點可以看到：當環(huán)境狀況比較好的時候，由于標簽通過門道一般需要幾十到幾百毫秒的時間，因而感應(yīng)的信號會在連續(xù)的多個周期中存在。在有標簽通過時，接收的信號首先表現(xiàn)為在連續(xù)的數(shù)個周期內(nèi)感應(yīng)信號的加強，并且在連續(xù)的周期內(nèi)有很強的自相關(guān)性。而對于大多數(shù)干擾情況（例如存在相互干擾、金屬物體磁撞天線時）的信號，雖然感應(yīng)信號強度明顯的加強，但在每個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(shù)的定義如下：

式中，x(n),y(n)分別是兩個函數(shù)，m是x(n)和y(n)相關(guān)的間隔點數(shù)。

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

當采樣數(shù)據(jù)發(fā)生幅值上的大變化時，連續(xù)采樣數(shù)個周期的數(shù)據(jù)，分別計算每個周期與第一個周期的相關(guān)函數(shù)，即求出

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

如果連續(xù)的n個相關(guān)函數(shù)基本相等則說明有標簽通過門道。即若滿足關(guān)系：

式中，δ是一個比較小的冗余量

則初步認為有標簽通過門道。實際系統(tǒng)中取m=N，這時的自相關(guān)函數(shù)的數(shù)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(yīng)信號也表現(xiàn)出與標簽相信的特性，此時可以利用標準標簽感應(yīng)信號的頻譜特性加以區(qū)分。設(shè)標準標簽一個周期采樣信號的數(shù)據(jù)為xs(n)，則其頻譜為：

設(shè)實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），就可以認為沒標簽通過。

4.3 軟件流程

針對系統(tǒng)對實時性要求比較高，CPU采用中斷工作方式。主程序?qū)τ布跏蓟郑却袛?。中斷服?wù)程序主要完成數(shù)據(jù)采集和標簽辨識，其流程如圖7所示。系統(tǒng)中斷脈沖的時間間隔大約5.6ms，所以中斷處理程序必須在這個時間內(nèi)完成。當微處理器采用TMS320F206（主頻為20MHz）時，一個指令周期為50ns，DSP的結(jié)構(gòu)保證了能在較短的時鐘內(nèi)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(tǒng)，其優(yōu)點主表現(xiàn)在以下三個方面：（1）在報警的反應(yīng)速率上，DSP的硬件結(jié)構(gòu)更適合做數(shù)據(jù)的處理，從而使程序用較少的時間完成比較復雜的運算；（2）文中的數(shù)據(jù)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(tǒng)采用的微機處理器TMS320F206片內(nèi)集成了足夠的RAM和FLASH，不用外部擴展存儲器，避免了由外部總線引入的干擾，進一步減少了誤報。本系統(tǒng)已在內(nèi)許多城市的超市中得到應(yīng)用，在誤報、漏報和反應(yīng)速度上均具有較好的效果。