Un nou esquema de disseny del sistema de càrrega RFID

1 Introducció

La tecnologia RFID (Radio Frequency Identification), és a dir, la tecnologia d'identificació per radiofreqüència, és una tecnologia de comunicació que s'utilitza àmpliament actualment en diverses situacions de càrrega, com ara sistemes de càrrega de transport públic, sistemes de càrrega d'aparcaments, etc. Els sistemes actuals que utilitzen tecnologia RFID normalment utilitzar RS-485 i PC per a l'intercanvi de dades. Tanmateix, RS-485 utilitza un únic node mestre i adopta el mode d'enquesta, de manera que hi ha problemes de baix rendiment en temps real i baixa eficiència de comunicació.

Amb el salt continu en el nivell de la informàtica i les necessitats del desenvolupament industrial, els sistemes de control industrial han experimentat la transformació de sistemes de control d'instruments bàsics, sistemes de control digital centralitzats, sistemes de control distribuïts als sistemes de control de bus de camp ara àmpliament utilitzats. El bus CAN (Controller Area Net) és un bus de camp basat en una xarxa de comunicació sèrie. El bus CAN adopta un mode de treball multimaster i qualsevol node de la xarxa pot enviar informació a altres nodes de la xarxa en qualsevol moment. Al mateix temps, el bus CAN utilitza tecnologia d'arbitratge no destructiva. Quan dos o més nodes transmeten dades a la xarxa al mateix temps, el node amb una prioritat més baixa deixarà d'enviar fins que el node amb una prioritat més alta hagi acabat d'enviar les dades. Això és efectiu. per evitar conflictes d'autobusos. La distància de comunicació CAN pot arribar fins a 10 km/5 kbps i la velocitat de comunicació pot arribar fins a 1 Mbps. Cada trama de dades CAN té comprovació CRC o altres mètodes de detecció per garantir la fiabilitat de la comunicació de dades.

Quan es produeix un error greu en un node CAN, el node s'apagarà automàticament, no afectant així el treball normal d'altres nodes. Per tant, el bus CAN té els avantatges d'una gran fiabilitat, un alt rendiment en temps real i una alta eficiència, i pot substituir completament el bus RS 485.

Tenint en compte que en entorns d'aplicació real, per tal de reduir una gran quantitat de treball de cablejat, la xarxa sense fil 2.4G s'utilitza com a estació de transferència per a la transmissió de dades des de RFID al bus CAN. La tecnologia sense fil ofereix baix cost, flexibilitat, fiabilitat i temps d'instal·lació curts. Aquest disseny utilitza nRF24L01 per construir una xarxa de comunicació sense fil. Aquest xip admet la comunicació multipunt i pot rebre dades de 6 canals diferents en mode de recepció.

És a dir, l'extrem receptor de la xarxa sense fil pot rebre dades de 6 extrems d'enviament diferents. Les dades de l'extrem d'enviament s'obtenen mitjançant el Mòdul RFID.

A partir de la discussió anterior, aquest article presentarà un nou sistema de càrrega RFID basat en bus CAN i xarxa sense fil 2.4G.

2 Disseny del sistema de maquinari

2.1 Topologia del sistema i composició del sistema

2.1.1 Topologia del sistema

Com es mostra a la figura 1, les dades rellevants del dispositiu RFID es transmetran al transceptor CAN a través de la xarxa sense fil, i aquesta darrera transmetrà les dades a l'ordinador mitjançant el bus CAN. El PC utilitza una targeta d'expansió PCI-E amb una interfície CAN. A més, el xip de comunicació sense fil nRF24L01 pot rebre dades de 6 canals diferents en el mode de recepció, realitzant així un node CAN per controlar la transmissió de dades de fins a 6 dispositius terminals RFID. Quan sis terminals de càrrega RFID no poden satisfer la demanda, es poden afegir més nodes. Tots els nodes estan muntats al bus CAN. A través del bus CAN, cada node transmet dades al PC.

2.1.2 Composició del sistema

Aquest sistema (node CAN) consta de dos subsistemes. El subsistema B consta de microcontrolador, mòdul RFID, mòdul sense fil, gos de vigilància, pantalla LCD, mòdul de rellotge, botons i EEPROM. El microcontrolador (MCU) controla el mòdul RFID per llegir i escriure la targeta Mifare 1, i el mòdul sense fil envia les dades rellevants al subsistema A. El subsistema A consta d'un microcontrolador, un mòdul sense fil, un gos de vigilància i un mòdul CAN. L'MCU envia les dades rebudes a través del mòdul sense fil a l'ordinador mitjançant el mòdul CAN. Com que un node pot controlar fins a 6 terminals de dispositiu RFID, en un sistema complet només hi ha 1 subsistema A, mentre que hi pot haver fins a 6 subsistemes B.

2.2 Microcontrolador

El microcontrolador és STC89LE58RD+, que té quatre ports d'E/S paral·lels de 8 bits P0~P3, un port paral·lel de 4 bits P4, 32KB FLASHROM, 1280 bytes de RAM, 3 temporitzadors, 8 fonts d'interrupció i 4 interrupcions Sistema d'interrupció prioritari. El seu rendiment compleix totalment els requisits de disseny.

2.3 Mòdul CAN

La implementació de maquinari del bus CAN utilitza Philips' SJA1000 i PCA82C250.

2.3.1 Introducció del xip SJA1000

SJA1000 és un controlador CAN independent. Admet la funció d'extensió del mode PeliCAN (utilitzant el protocol CAN2.0B), té identificadors d'11 o 29 bits, FIFO de recepció de 64 bytes, mecanisme d'arbitratge i potents capacitats de detecció d'errors, etc.

2.3.2 Introducció del xip PCA82C250

PCA82C250 és un transceptor de bus CAN, que està dissenyat principalment per a aplicacions de comunicació de mitjana a alta velocitat (fins a 1 Mbps) en automòbils. Pot resistir una àmplia gamma d'interferències en mode de treball i interferències electromagnètiques (EMI), reduir la interferència de radiofreqüència (RFI) i té funcions de protecció tèrmica. Es poden connectar fins a 110 nodes.

2.3.3 Connexió de la interfície de maquinari

Com es mostra a la figura 4, el port P1 s'utilitza com a bus de dades/adreça multiplexada per connectar-se al port AD de SJA1000, i P2.0 està connectat a la secció de selecció de xip CS de SJA1000, fent que SJA1000 sigui un dispositiu d'E/S per a mapeig de memòria perifèrica del microcontrolador. A més, RX0 i TX0 de SJA1000 estan connectats a RXD i TXD de PCA82C250.

2.4 Mòdul sense fil

2.4.1 Introducció del xip nRF24L01

El xip sense fil és nRF24L01. Es tracta d'un xip transceptor de radiofreqüència sense fil de 2,4 GHz amb una velocitat de transmissió de fins a 2 Mbps, admet 125 freqüències de funcionament opcionals, té funcions de comprovació d'adreces i CRC i proporciona una interfície SPI.

Té un pin d'interrupció dedicat, admet 3 fonts d'interrupció i pot enviar senyals d'interrupció a l'MCU. Té una funció de resposta automàtica, registra l'adreça després de confirmar la recepció de dades i envia un senyal de resposta utilitzant aquesta adreça com a adreça de destinació. Admet el mode ShockBurstTM, en aquest mode, nRF24L01 es pot connectar a MCU de baixa velocitat. nRF24L01 pot rebre dades de 6 canals diferents en mode de recepció.

2.4.2 Connexió d'interfície de maquinari nRF24L01

Com es mostra a la figura 5, el microcontrolador es comunica amb nRF24L01 simulant la temporització del bus SPI. El seu pin d'interrupció extern IRQ està connectat a P3.2 (interrupció externa 0) del microcontrolador.

2.5 Mòdul RFID

2.5.1 Introducció del xip MF RC500

El mòdul RFID utilitza Philips' MF RC500, que és un dels xips RFID més utilitzats actualment. MF RC500 admet el protocol ISO14443A i la targeta d'interfície dual MIFARE. Té un circuit analògic altament integrat a l'interior per a la demodulació i descodificació de la targeta de resposta, i té un buffer FIFO transceptor de 64 bytes i una memòria de clau no volàtil. A més, hi ha un pin d'interrupció dedicat que admet 6 fonts d'interrupció i pot enviar senyals d'interrupció a l'MCU.

2.5.2 Connexió de la interfície de maquinari MF RC500

Com es mostra a la figura 6, l'MCU accedeix als registres de l'MF RC500 com a RAM externa. El pin INT es deixa flotant i no s'utilitza la funció d'interrupció.

3 Disseny de sistemes de programari

Al programa del microcontrolador d'inicialització, la interrupció externa del subsistema A s'estableix en un disparador de baix nivell. La font del senyal d'interrupció del subsistema A la proporciona nRF24L01. Quan nRF24L01 rep les dades, genera un senyal d'interrupció per notificar a l'MCU que llegeixi les dades. El subsistema B no utilitza la funcionalitat d'interrupció.

Al programa d'inicialització nRF24L01, el subsistema B està configurat en mode de transmissió i utilitza la comprovació CRC de 16 bits. Per utilitzar la funció de resposta automàtica, el canal de dades 0 està configurat per rebre el senyal de resposta i l'adreça de recepció del canal de dades 0 ha de ser igual a l'adreça de l'emissor per garantir que el senyal de resposta es pugui rebre correctament. Un sistema pot estar compost de fins a sis subsistemes A i les adreces d'enviament d'aquests sis subsistemes no es poden repetir. El subsistema A està configurat en mode de recepció, utilitza comprovació CRC de 16 bits i pot rebre fins a 6 canals de dades. Aquestes 6 adreces de recepció són iguals a les adreces d'enviament de cada subsistema B. A la prova inicial de SJA1000, s'utilitza el mode PliCAN, la velocitat de transmissió és de 125 Kbps i es prohibeix rebre i enviar interrupcions; la configuració del registre de control de sortida és la següent: mode normal, desplegable TX i polaritat de control de sortida. A més, el registre del codi d'acceptació i el registre de la màscara d'acceptació s'han de configurar correctament. Aquesta configuració s'utilitza per implementar la funció d'arbitratge del bus CAN.

En inicialitzar l'MF RC500, els seus paràmetres principals són els següents: les sortides de TX1 i TX2 es configuren com a 13.portadors d'energia de 56 MHz; la font d'entrada del descodificador és el demodulador intern; utilitzar el rellotge Q com a rellotge receptor; desactivar les interrupcions de transmissió i recepció; set RxThreshold El valor del registre és 0xFF, el valor del registre BitPhase és 0xAD, etc.

La funció de sol·licitud de restabliment buscarà la targeta Mifare1 dins del rang efectiu de l'antena. Si existeix una targeta, s'establirà una connexió de comunicació i es llegirà el número de tipus de targeta TAGTYPE de la targeta. La funció anticolisió permet a l'MF RC500 seleccionar una de les múltiples targetes Mifare 1. obert. La funció de selecció de targetes es pot comunicar amb targetes amb números de sèrie coneguts. La funció d'autenticació coincideix amb la contrasenya de la targeta Mifare 1 amb la clau de l'EEPROM de l'MF RC500.

Només després que la concordança sigui correcta, es poden dur a terme les operacions de lectura i escriptura. Envieu una ordre d'apagada per establir la targeta Mifare 1 en MODE ATURA.

La funció CAN s'utilitza per enviar dades rellevants a l'ordinador. Aquest disseny utilitza el mode de consulta per assegurar-se que les dades s'han enviat. Podeu confirmar si la transmissió de dades s'ha completat consultant els bits de bandera TBS, TCS i TS al registre d'estat. De la mateixa manera, a la funció sense fil, per assegurar-se que les dades s'han enviat, només cal consultar el TX_DS al registre d'estat.

4 Proves del sistema

Primer, es va provar el mòdul RFID. Col·loqueu la targeta MIFARE 1 dins del rang efectiu de l'antena, realitzeu operacions de lectura i escriptura a la targeta i visualitzeu les dades rellevants a la pantalla LCD. Després d'aquesta prova, el mòdul RFID llegeix i escriu normalment. Posteriorment, es prova el rendiment en temps real de la xarxa de transmissió del sistema. Aquest article utilitza la transmissió sense fil de dades de temperatura per a les proves. El dispositiu per mesurar la temperatura és un sensor de temperatura d'un sol cable DS18B20. Connecteu el sensor de temperatura al subsistema B. El sensor de temperatura mostra la temperatura interior cada segon. El microcontrolador llegeix les dades de temperatura i les envia al subsistema A a través de la xarxa sense fil. El subsistema A rep les dades i les envia a través del bus CAN. al PC.

A l'ordinador, s'utilitza Visual Basic 6.0 per escriure el programa de l'ordinador amfitrió. L'ordinador amfitrió dibuixa les dades de temperatura en una corba i les escriu en text. La corba de temperatura es mostra a la figura 8, on la precisió dels valors de temperatura és d'1 grau centígrad. Mitjançant l'observació comparativa del gràfic de la corba de temperatura i les dades de text, es va trobar que no hi havia cap anomalia en les dades de temperatura ni pèrdua de dades.

  5 Conclusió

Aquest article utilitza el bus CAN per substituir el bus RS-485, superant les deficiències d'aquest últim. La tecnologia sense fil també s'utilitza per utilitzar plenament la funció de comunicació multipunt de nRF24L01 alhora que redueix molt el treball de cablejat. Un cop construït el sistema, l'autor va provar el sistema durant molt de temps. Els resultats de la prova mostren que la transmissió de dades és estable, fiable i té un alt rendiment en temps real. Supera les deficiències del sistema tradicional de cobrament de peatge RFID basat en el disseny del bus RS485 i té un fort valor d'ús.