基于DSP技术的EAS系统设计

    摘要：基于数字信号处理芯片设计的EAS系统的工作原理、组成以及实现实时监控应解决的技术难点。提出了运用数字信号处理的算法识别标签的软件实现方法。给出了系统的硬件原理图和软件流程图。

    关键词：EAS系统 DSP 离散付里叶变换 相关函数

现代商业经营模式逐渐由传统的基于框台的模式转变为开放的销售模式。这种新型的销售模式给消费者带来了便利，使之在更回自和宽松的购物环境下购物，但同时也增加了商品失窃的可靠性。商品电子防窃（Electronic Article Surveillance，简称EAS）系统能有效地抑制商场失窃现象，因而被广泛地使用。

1 EAS系统的结构

EAS系统由门道检测器、示踪标签和解码板或开锁器等部分构成。

1.1门道检测器

门道检测器是EAS系统的最关键部分，通常由一个发射器和一个接收器组成。它通常放置于商场的出口处，便于监测是否有含标签的商品通过。门道检测器的结构如图1所示。

发射器的主要作用是产生在7.7～8.7MHz频率范围内周期变化的扫频信号，并在高频天线周围产生相对平均分布的射频电磁场。其电路结构比较简单，180Hz正产生扫频信号，经宽带放大器和高频功率放大器放大驱动成型的高频天线，在一定的范围内形成射频电磁场。

    接收器通过天线接收信号，并对其进行检波，同时作相应的波形变化，然后将变换后的信号（标签波形）送入A/D转换器变成数字信号，再经过数字信号处理器（DSP）处理后，便可用其判断是否有标签通过检测区域。其电路部分主要由输入阻抗匹配、带通放大、幅度检波与波形变换、FM检波与脉冲整形、A/D转换等组成，它的结构框图如图2所示。

为了提高系统的性能，在接收器前端加入了输入阻抗匹配电路，利用LC谐振电路带通特性，选出7.7～8.7MHz范围内的扫频信号，然后送高频放大器进行放大。此时信号分为两路，一路信号进行幅度检波和波形变换，变换后的信号再经过A/D转换，送入DSP；另一路进行调频检波，检测到180Hz信号后产生一个与180Hz正弦波同步的脉冲信号，这个脉冲信号作为采样的中断脉冲送入DSP。DSP在每次中断处理程序中进行波形数据采样和识别，如果有标签通过则发声报警。本系统中的DSP处理器采用TMS320F206，片内有足够4K字的RAM和32K字的FLASH，不用进行存储器扩展，从而使外围接口电路得到简化。DSP通过外中断、数据及地址总线与A/D转换器接口。通过I/O输出口直接控制声光报警电路，使其产生多种报警声音和状态。

1.2 示踪标签

示踪标签有两大类：一类是可重复使用的机械式“硬标签”。硬标签是在圆形塑料壳内将一导线绕制成圆形环，在导线的两端焊接圆片电容，构成“LC”谐振电路，它主要用于服装、箱包、鞋幅等软表面商品，且必须与专用的拔除器（开锁器）配套使用；另一类是一次性使用的“软标签”。该软标签是在4cm×4cm的不干胶载体上，腐蚀上多圈铜箔条，构成电感器，用特殊的激光工艺打上可被一定能量击穿的电容，组成“LC”谐振电路，它主要用于硬表面的商品，通过专用的解码板才能使其失铲。

    1.3 解码板

解码板是一种使软标签换效的装置，其工作原理与门道检测器的发射器相似。发射部分产生一个大功率的扫频信号，将标签靠近解码板天线时，标签就会产生一个很高的谐振电压，命标签内的电容击穿，从而使标签失效。解码板一般放在商场的收银台，付款后的商品经过解码板后使标签失铲而被解除。

1.4 开锁器

开锁器是一种拔除硬标签的专用机器装置。收银员用它把安装在商品上的硬标签取下来，使商品可以安全通过门道检测器。开锁器并不损坏硬标签，拔除的硬标签中以重新使用。

2 EAS系统工作过程

商家根据商品的不同特点选用不同种类的标签，将适用的标签附着在商品上，同时在商场的出口通道处安装好检测器。顾客购买商品付款后，商场工作人员用专门的开锁器或解码板将其所购商品上的标签取下或击穿其内部电容。由于标签里的LC谐振回路到破坏，顾客携带商品通过门道时，接收器的信号不会发生感应变化，顾客可以方便安全地通过门道；如果顾客没有付款就要离去，由于商品上标签的作用，则他在通过门道检测器时，接收器接收的信号发生明显的变化，从而会对附着在商品上的示踪标签发出报警，拦截商品出门。其过程如图3所示。

3 EAS系统设计中的几个问题

3.1 实时性

EAS系统对识别的实时性要求比较高，要求系统在顾客通过门道的几百个毫秒时间内对信号进行准确的判断。识别标签的算法程序要进行大量的运算，所以要求微处理器的处理速度快。普通的单片机的一个指令周期约为1微秒，不能完成大量的运算要求。DSP采用增强的哈佛总线结构，程序采用4级流水线控制，大部分的指令均可在一指令周期中完成，使数据的处理速度大为提高。

3.2 灵敏度

当标签从不的方向通过检测区时，系统产生的标签信号强弱不同，通过特定的数字滤波技术可以提高弱感应情况下的信噪比，从而提高系统检测率，降低漏报率。

3.3 抗干扰

接收器实际接收的信号在受到外界干扰影响时，会发生各种变化。早期的EAS系统对于某些和标签波形相似的干扰波形，会作出错误的判断，发生误报。而采用DSP技术的EAS系统，利用标签信号自相关性比较强的特点，极大地降低了系统误报率。

4 系统软件设计

4.1 标签信号的特性

当标签通过商场的出口通道处时，由于发射器和接收器之间射频电磁场的作用，接收的信号波形会发生变化。通过鉴别接收信号的波形特征就可以判断是否有标签通过。通常由于在一个周期中标签所在的频点被扫到两次，因而在环境比较好的情况下，一个周期有两个比较大的波形峰值。图4（a）和图4（b）分别是无标签和有标签时接收信号的波形。

然而实际的现场环境差别较大，接收到的信号情况复杂。有时表现为环境的整个噪声水平高，有时又表现为固定频率的干扰。例如，当用手握住接收天线时，接收的信号会在一定的频率点产生整个较大的波峰，而整个信号的波形，总体上的强度并不是很大，但在特定的位置上会产生几个波峰。这种情况下的信号与有标签通过时的信号相似，但是通过它与典型标签信号的频谱分析对比可以区分。而当用金属物体碰撞天线或与天线摩擦时，产生的接收信号的幅度在整体上有很大的提高，接收波形杂乱无章，采用相关运算可以区分。图5（a）和图5(b)分别是这两种情况下的接收信号波形。

当现场环境中有特定的电磁干扰时，接收的信号也会发生变化。如果在同一个商场中有几台发射天线，接收的信号会体现出两个特点：一是在每个周期中都会有的较大波形峰值；二是每个周期中较大波形峰值对应的时刻不完全一致，换句话说，就是每周期较大波形峰值在移动（相对于每个周期的起点）。图6是存在互相干扰信号时的接收信号波形。

4.2 识别算法

从上面信号的波形特点可以看到：当环境状况比较好的时候，由于标签通过门道一般需要几十到几百毫秒的时间，因而感应的信号会在连续的多个周期中存在。在有标签通过时，接收的信号首先表现为在连续的数个周期内感应信号的加强，并且在连续的周期内有很强的自相关性。而对于大多数干扰情况（例如存在相互干扰、金属物体磁撞天线时）的信号，虽然感应信号强度明显的加强，但在每个周期增强的集团并不是相同的，这种信号的自相关性较弱。相关函数的定义如下：

式中，x(n),y(n)分别是两个函数，m是x(n)和y(n)相关的间隔点数。

若x(n)和y(n)是同一个周期函数，则其相关函数为自相关函数。设x(n)为周期为N的信号，则其自相关函数有以下性质：

当采样数据发生幅值上的大变化时，连续采样数个周期的数据，分别计算每个周期与第一个周期的相关函数，即求出

式中，M为连续采样周期数，rxn(m+nN)为第n周期与第一个周期的相关函数。

如果连续的n个相关函数基本相等则说明有标签通过门道。即若满足关系：

式中，δ是一个比较小的冗余量

则初步认为有标签通过门道。实际系统中取m=N，这时的自相关函数的数值晚容易判断。

由于标签的特性，周期的同频周期干扰所引起的感应信号也表现出与标签相信的特性，此时可以利用标准标签感应信号的频谱特性加以区分。设标准标签一个周期采样信号的数据为xs(n)，则其频谱为：

设实际采样信号的频谱为Xr(k)，如果≥σ（σ为频谱分量的累计量的阀值），就可以认为没标签通过。

4.3 软件流程

针对系统对实时性要求比较高，CPU采用中断工作方式。主程序对硬件初始化手，等待中断。中断服务程序主要完成数据采集和标签辨识，其流程如图7所示。系统中断脉冲的时间间隔大约5.6ms，所以中断处理程序必须在这个时间内完成。当微处理器采用TMS320F206（主频为20MHz）时，一个指令周期为50ns，DSP的结构保证了能在较短的时钟内完成相关、FFT等复杂运算。

本文阐述的基于DSP技术的EAS系统，其优点主表现在以下三个方面：（1）在报警的反应速率上，DSP的硬件结构更适合做数据的处理，从而使程序用较少的时间完成比较复杂的运算；（2）文中的数据分析算法有效地提高了报警的准确性，降低了误报率；（3）由于本系统采用的微机处理器TMS320F206片内集成了足够的RAM和FLASH，不用外部扩展存储器，避免了由外部总线引入的干扰，进一步减少了误报。本系统已在内许多城市的超市中得到应用，在误报、漏报和反应速度上均具有较好的效果。