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(biāo)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(biāo)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(biāo)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(jìn)行檢波，同時作相應(yīng)的波形變化，然后將變換后的信號（標(biāo)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(biāo)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(jìn)行放大。此時信號分為兩路，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A/D轉(zhuǎn)換，送入DSP；另一路進(jìn)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(jìn)行波形數(shù)據(jù)采樣和識別，如果有標(biāo)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(jìn)行存儲器擴(kuò)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(biāo)簽

示蹤標(biāo)簽有兩大類：一類是可重復(fù)使用的機(jī)械式“硬標(biāo)簽”。硬標(biāo)簽是在圓形塑料殼內(nèi)將一導(dǎo)線繞制成圓形環(huán)，在導(dǎo)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(biāo)簽”。該軟標(biāo)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(biāo)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(biāo)簽靠近解碼板天線時，標(biāo)簽就會產(chǎn)生一個很高的諧振電壓，命標(biāo)簽內(nèi)的電容擊穿，從而使標(biāo)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(biāo)簽失鏟而被解除。

1.4 開鎖器

開鎖器是一種拔除硬標(biāo)簽的專用機(jī)器裝置。收銀員用它把安裝在商品上的硬標(biāo)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(biāo)簽，拔除的硬標(biāo)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(biāo)簽，將適用的標(biāo)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(biāo)簽取下或擊穿其內(nèi)部電容。由于標(biāo)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(biāo)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(biāo)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(jìn)行準(zhǔn)確的判斷。識別標(biāo)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(jī)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(qiáng)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(dāng)標(biāo)簽從不的方向通過檢測區(qū)時，系統(tǒng)產(chǎn)生的標(biāo)簽信號強(qiáng)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(biāo)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(biāo)簽信號自相關(guān)性比較強(qiáng)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(biāo)簽信號的特性

當(dāng)標(biāo)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(biāo)簽通過。通常由于在一個周期中標(biāo)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(biāo)簽和有標(biāo)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(fù)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(dāng)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(qiáng)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(biāo)簽通過時的信號相似，但是通過它與典型標(biāo)簽信號的頻譜分析對比可以區(qū)分。而當(dāng)用金屬物體碰撞天線或與天線摩擦?xí)r，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(dāng)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(dāng)環(huán)境狀況比較好的時候，由于標(biāo)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(biāo)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(qiáng)，并且在連續(xù)的周期內(nèi)有很強(qiáng)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(qiáng)度明顯的加強(qiáng)，但在每個周期增強(qiáng)的集團(tuán)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(dāng)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(biāo)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(rèn)為有標(biāo)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(biāo)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(biāo)簽相信的特性，此時可以利用標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)簽感應(yīng)信號的頻譜特性加以區(qū)分。設(shè)標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)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(rèn)為沒標(biāo)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?，等待中斷。中斷服?wù)程序主要完成數(shù)據(jù)采集和標(biāo)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(dāng)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(fù)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(fù)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(zhǔn)確性，降低了誤報率；（3）由于本系統(tǒng)采用的微機(jī)處理器TMS320F206片內(nèi)集成了足夠的RAM和FLASH，不用外部擴(kuò)展存儲器，避免了由外部總線引入的干擾，進(jìn)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。