基于DSP技術的商品電子防竊（EAS）系統設計

　　現代商業經營模式逐漸由傳統的基于框臺的模式轉變為開放的銷售模式。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)系統能有效地抑制商場失竊現象，因而被廣泛地使用。

　　1 EAS系統的結構

　　EAS系統由門道檢測器、示蹤標簽和解碼板或開鎖器等部分構成。

　　1.1 門道檢測器

　　門道檢測器是EAS系統的最關鍵部分，通常由一個發射器和一個接收器組成。它通常放置于商場的出口處，便于監測是否有含標簽的商品通過。門道檢測器的結構如圖1所示。

　　發射器的主要作用是產生在7.7～8.7MHz頻率范圍內周期變化的掃頻信號，并在高頻天線周圍產生相對平均分布的射頻電磁場。其電路結構比較簡單，180Hz正產生掃頻信號，經寬帶放大器和高頻功率放大器放大驅動成型的高頻天線，在一定的范圍內形成射頻電磁場。

　　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，再經過數字信號處理器(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。

　　1.2 解碼板

　　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，變換后的信號再經過A/D轉換，送入DSP;另一路進行調頻檢波，檢測到180Hz信號后產生一個與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據采樣和識別，如果有標簽通過則發聲報警。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、數據及地址總線與A/D轉換器接口。通過I/O輸出口直接控制聲光報警電路，使其產生多種報警聲音和狀態。

　　1.3 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將一導線繞制成圓形環，在導線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。

　　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射器相似。發射部分產生一個大功率的掃頻信號，將標簽靠近解碼板天線時，標簽就會產生一個很高的諧振電壓，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的收銀臺，付款后的商品經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系統工作過程

　　商家根據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生感應變化，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生明顯的變化，從而會對附著在商品上的示蹤標簽發出報警，攔截商品出門。其過程如圖3所示。

　　3 EAS系統設計中的幾個問題

　　3.1 實時性

　　EAS系統對識別的實時性要求比較高，要求系統在顧客通過門道的幾百個毫秒時間內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構，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檢測區時，系統產生的標簽信號強弱不同，通過特定的數字濾波技術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

　　接收器實際接收的信號在受到外界干擾影響時，會發生各種變化。早期的EAS系統對于某些和標簽波形相似的干擾波形，會作出錯誤的判斷，發生誤報。而采用DSP技術的EAS系統，利用標簽信號自相關性比較強的特點，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

　　當標簽通過商場的出口通道處時，由于發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。

　　然而實際的現場環境差別較大，接收到的信號情況復雜。有時表現為環境的整個噪聲水平高，有時又表現為固定頻率的干擾。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分。而當用金屬物體碰撞天線或與天線摩擦時，產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。

　　當現場環境中有特定的電磁干擾時，接收的信號也會發生變化。如果在同一個商場中有幾臺發射天線，接收的信號會體現出兩個特點：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，因而感應的信號會在連續的多個周期中存在。在有標簽通過時，接收的信號首先表現為在連續的數個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、金屬物體磁撞天線時)的信號，雖然感應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，這種信號的自相關性較弱。相關函數的定義如下：

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

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

　　當采樣數據發生幅值上的大變化時，連續采樣數個周期的數據，分別計算每個周期與第一個周期的相關函數，即求出

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

　　如果連續的n個相關函數基本相等則說明有標簽通過門道。即若滿足關系：

　　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。實際系統中取m=N，這時的自相關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。設標準標簽一個周期采樣信號的數據為xs(n)，則其頻譜為：

　　設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

　　針對系統對實時性要求比較高，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。系統中斷脈沖的時間間隔大約5.6ms，所以中斷處理程序必須在這個時間內完成。當微處理器采用TMS320F206(主頻為20MHz)時，一個指令周期為50ns，DSP的結構保證了能在較短的時鐘內完成相關、FFT等復雜運算。