Nové schéma návrhu nabíjecího systému RFID

1 Úvod

Technologie RFID (Radio Frequency IDentification), tedy technologie radiofrekvenční identifikace, je komunikační technologie, která je v současné době široce využívána v různých situacích zpoplatnění, jako jsou systémy zpoplatnění veřejné dopravy, systémy zpoplatnění parkovišť atd. Současné systémy využívající technologii RFID obvykle využívají pro výměnu dat RS-485 a PC. RS-485 však používá jeden hlavní uzel a přijímá režim dotazování, takže existují problémy s nízkým výkonem v reálném čase a nízkou efektivitou komunikace.

S neustálým skokem na úrovni počítačové vědy a potřebami průmyslového rozvoje zažily průmyslové řídicí systémy transformaci od základních řídicích systémů přístrojů, centralizovaných digitálních řídicích systémů, distribuovaných řídicích systémů až po nyní široce používané řídicí systémy fieldbus. Sběrnice CAN (Controller Area Net) je sběrnice založená na sériové komunikační síti. Sběrnice CAN využívá pracovní režim multimaster a kterýkoli uzel v síti může kdykoli odesílat informace do jiných uzlů v síti. Sběrnice CAN přitom využívá nedestruktivní arbitrážní technologii. Když dva nebo více uzlů přenáší data do sítě současně, uzel s nižší prioritou zastaví odesílání, dokud uzel s vyšší prioritou nedokončí odesílání dat. To je účinné. aby se zabránilo sporům o autobus. Komunikační vzdálenost CAN může dosáhnout až 10 km/5 kbps a rychlost komunikace může dosáhnout až 1 Mbps. Každý rámec dat CAN má kontrolu CRC nebo jiné metody detekce pro zajištění spolehlivosti datové komunikace.

Když dojde k závažné chybě v uzlu CAN, uzel se automaticky vypne, čímž neovlivní normální práci ostatních uzlů. Proto má sběrnice CAN výhody silné spolehlivosti, vysokého výkonu v reálném čase a vysoké účinnosti a může zcela nahradit sběrnici RS 485.

Vzhledem k tomu, že ve skutečných aplikačních prostředích se za účelem snížení velkého množství kabeláže používá bezdrátová síť 2,4G jako přenosová stanice pro přenos dat z RFID na sběrnici CAN. Bezdrátová technologie nabízí nízkou cenu, flexibilitu, spolehlivost a krátkou dobu instalace. Tento návrh využívá nRF24L01 k vybudování bezdrátové komunikační sítě. Tento čip podporuje vícebodovou komunikaci a může přijímat data ze 6 různých kanálů v režimu příjmu.

To znamená, že přijímací konec bezdrátové sítě může přijímat data ze 6 různých odesílacích konců. Data z odesílajícího konce jsou získávána prostřednictvím modulu RFID.

Na základě výše uvedené diskuse tento článek představí nový systém nabíjení RFID založený na sběrnici CAN a bezdrátové síti 2,4G.

2 Návrh hardwarového systému

2.1 Topologie systému a složení systému

2.1.1 Topologie systému

Jak je znázorněno na obrázku 1, příslušná data RFID zařízení budou přenášena do CAN transceiveru přes bezdrátovou síť a ten pak bude přenášet data do PC přes CAN sběrnici. Počítač používá rozšiřující kartu PCI-E s rozhraním CAN. Kromě toho může bezdrátový komunikační čip nRF24L01 přijímat data ze 6 různých kanálů v režimu příjmu, čímž realizuje uzel CAN pro řízení přenosu dat až 6 RFID koncových zařízení. Když šest nabíjecích terminálů RFID nemůže uspokojit poptávku, lze přidat další uzly. Všechny uzly jsou namontovány na sběrnici CAN. Prostřednictvím sběrnice CAN přenáší každý uzel data do PC.

2.1.2 Složení systému

Tento systém (uzel CAN) se skládá ze dvou subsystémů. Subsystém B se skládá z mikrokontroléru, modulu RFID, bezdrátového modulu, hlídacího psa, LCD obrazovky, modulu hodin, tlačítek a EEPROM. Mikrokontrolér (MCU) řídí Modul RFID pro čtení a zápis karty Mifare 1 a bezdrátový modul odesílá příslušná data do subsystému A. Subsystém A se skládá z mikrokontroléru, bezdrátového modulu, watchdogu a modulu CAN. MCU odesílá data přijatá přes bezdrátový modul do PC přes modul CAN. Protože jeden uzel může ovládat až 6 terminálů RFID zařízení, v kompletním systému existuje pouze 1 subsystém A, zatímco subsystémů B může být až 6.

2.2 Mikrokontrolér

Mikrokontrolér je STC89LE58RD+, který má čtyři 8bitové paralelní I/O porty P0~P3, jeden 4bitový paralelní port P4, 32KB FLASHROM, 1280 bajtů RAM, 3 časovače, 8 zdrojů přerušení a 4 systém prioritních přerušení. Jeho výkon plně odpovídá konstrukčním požadavkům.

2.3 Modul CAN

Hardwarová implementace sběrnice CAN využívá Philips' SJA1000 a PCA82C250.

2.3.1 Představení čipu SJA1000

SJA1000 je nezávislý CAN regulátor. Podporuje funkci rozšíření režimu PeliCAN (pomocí protokolu CAN2.0B), má 11bitové nebo 29bitové identifikátory, 64bajtové přijímací FIFO, arbitrážní mechanismus a výkonné schopnosti detekce chyb atd.

2.3.2 Zavedení čipu PCA82C250

PCA82C250 je CAN bus transceiver, který je určen především pro středně až vysokorychlostní komunikační aplikace (až 1Mbps) v automobilech. Dokáže odolat širokému rozsahu rušení v pracovním režimu a elektromagnetickému rušení (EMI), snižuje vysokofrekvenční rušení (RFI) a má funkce tepelné ochrany. Lze připojit až 110 uzlů.

2.3.3 Připojení hardwarového rozhraní

Jak je znázorněno na obrázku 4, port P1 se používá jako multiplexovaná adresová/datová sběrnice pro připojení k AD portu SJA1000 a P2.0 je připojen k sekci výběru čipu CS u SJA1000, takže SJA1000 je I/O zařízení pro mapování periferní paměti mikrokontroléru. Kromě toho jsou RX0 a TX0 SJA1000 připojeny k RXD a TXD u PCA82C250.

2.4 Bezdrátový modul

2.4.1 Představení čipu nRF24L01

Bezdrátový čip je nRF24L01. Jedná se o 2,4 GHz bezdrátový radiofrekvenční transceiver čip s přenosovou rychlostí až 2 Mbps, podporuje 125 volitelných provozních frekvencí, má funkce kontroly adresy a CRC a poskytuje rozhraní SPI.

Má vyhrazený pin přerušení, podporuje 3 zdroje přerušení a může odesílat signály přerušení do MCU. Má funkci automatické odpovědi, zaznamená adresu po potvrzení příjmu dat a odešle signál odpovědi s použitím této adresy jako cílové adresy. Podporuje režim ShockBurstTM, v tomto režimu lze nRF24L01 připojit k nízkorychlostnímu MCU. nRF24L01 může v režimu příjmu přijímat data ze 6 různých kanálů.

2.4.2 Připojení hardwarového rozhraní nRF24L01

Jak je znázorněno na obrázku 5, mikrokontrolér komunikuje s nRF24L01 pomocí simulace časování sběrnice SPI. Jeho externí pin přerušení IRQ je připojen k P3.2 (externí přerušení 0) mikrokontroléru.

2.5 RFID modul

2.5.1 Představení čipu MF RC500

Modul RFID využívá Philips' MF RC500, což je jeden z aktuálně hojně používaných RFID čipů. MF RC500 podporuje protokol ISO14443A a kartu duálního rozhraní MIFARE. Má uvnitř vysoce integrovaný analogový obvod pro demodulaci a dekódování odpovědní karty a má 64bajtovou vyrovnávací paměť transceiveru FIFO a energeticky nezávislou paměť klíčů. Kromě toho je zde vyhrazený pin přerušení, který podporuje 6 zdrojů přerušení a může odesílat signály přerušení do MCU.

2.5.2 Připojení hardwarového rozhraní MF RC500

Jak je znázorněno na obrázku 6, MCU přistupuje k registrům v MF RC500 jako externí RAM. Pin INT je ponechán plovoucí a funkce přerušení se nepoužívá.

3 Návrh softwarového systému

V programu inicializačního mikrokontroléru je externí přerušení subsystému A nastaveno na spouštění nízké úrovně. Zdroj signálu přerušení subsystému A zajišťuje nRF24L01. Když nRF24L01 přijme data, vygeneruje přerušovací signál, aby upozornil MCU, aby data přečetla. Subsystém B nepoužívá funkci přerušení.

V inicializačním programu nRF24L01 je subsystém B nakonfigurován v režimu vysílání a používá 16bitovou kontrolu CRC. Pro použití funkce automatické odezvy je datový kanál 0 nastaven na příjem signálu odezvy a přijímací adresa datového kanálu 0 se musí rovnat adrese odesílatele, aby bylo zajištěno správné přijetí signálu odezvy. Systém může být složen až ze šesti podsystémů A a odesílací adresy těchto šesti podsystémů nelze opakovat. Subsystém A je nakonfigurován v režimu příjmu, používá 16bitovou kontrolu CRC a může přijímat až 6 kanálů dat. Těchto 6 přijímacích adres se rovná odesílacím adresám v každém subsystému B. V počátečním testu SJA1000 je použit režim PliCAN, přenosová rychlost je 125 Kbps a přerušení příjmu a odesílání je zakázáno; konfigurace výstupního řídicího registru je následující: normální režim, stahování TX a polarita řízení výstupu. Kromě toho je třeba správně nakonfigurovat registr akceptačních kódů a registr akceptačních masek. Tato konfigurace se používá k implementaci funkce rozhodování sběrnice CAN.

Při inicializaci MF RC500 jsou jeho hlavní nastavení následující: výstupy TX1 a TX2 jsou nakonfigurovány jako 13.56MHz nosiče energie; vstupním zdrojem dekodéru je vnitřní demodulátor; použijte hodiny Q jako hodiny přijímače; deaktivovat přerušení vysílání a příjmu; set RxThreshold Hodnota registru je 0xFF, hodnota registru BitPhase je 0xAD atd.

Funkce požadavku na reset vyhledá kartu Mifare1 v efektivním dosahu antény. Pokud karta existuje, naváže se komunikační spojení a načte se číslo typu karty TAGTYPE na kartě. Funkce proti kolizi umožňuje MF RC500 vybrat jednu z více karet Mifare 1. OTEVŘENO. Funkce výběru karty může komunikovat s kartami se známými sériovými čísly. Funkce ověřování porovnává heslo na kartě Mifare 1 s klíčem v EEPROM MF RC500.

Teprve poté, co je spárování správné, lze provádět operace čtení a zápisu. Odešlete příkaz k vypnutí pro nastavení karty Mifare 1 do režimu HALT MODE.

Funkce CAN slouží k odesílání příslušných dat do PC. Tento návrh používá režim dotazu k zajištění odeslání dat. Zda je přenos dat dokončen, můžete potvrdit dotazem na příznakové bity TBS, TCS a TS ve stavovém registru. Podobně v bezdrátové funkci, abyste se ujistili, že byla data odeslána, stačí dotaz na TX_DS ve stavovém registru.

4 Testování systému

Nejprve byl testován modul RFID. Umístěte kartu MIFARE 1 do efektivního dosahu antény, provádějte operace čtení a zápisu na kartu a zobrazte příslušná data na LCD obrazovce. Po tomto testu RFID modul normálně čte a zapisuje. Následně je testován výkon přenosové sítě systému v reálném čase. Tento článek používá k testování bezdrátový přenos teplotních dat. Zařízení pro měření teploty je jednodrátové teplotní čidlo DS18B20. Připojte teplotní čidlo k subsystému B. Teplotní čidlo každou sekundu měří vnitřní teplotu. Mikrokontrolér čte údaje o teplotě a odesílá je do subsystému A prostřednictvím bezdrátové sítě. Subsystém A přijímá data a odesílá je prostřednictvím sběrnice CAN. do PC.

Na straně PC se k psaní programu hostitelského počítače používá Visual Basic 6.0. Hostitelský počítač vykreslí údaje o teplotě do křivky a zapíše je do textu. Teplotní křivka je na obrázku 8, kde přesnost teplotních hodnot je 1 stupeň Celsia. Prostřednictvím srovnávacího pozorování grafu teplotní křivky a textových dat bylo zjištěno, že nedošlo k žádné abnormalitě v údajích o teplotě a ke ztrátě dat.

  5 Závěr

Tento článek používá sběrnici CAN k nahrazení sběrnice RS-485 a překonává její nedostatky. Bezdrátová technologie se také používá k plnému využití vícebodové komunikační funkce nRF24L01 a zároveň snižuje množství práce s kabeláží. Poté, co byl systém postaven, autor systém dlouho testoval. Výsledky testů ukazují, že přenos dat je stabilní, spolehlivý a má vysoký výkon v reálném čase. Překonává nedostatky tradičního systému výběru mýtného RFID založeného na konstrukci sběrnice RS485 a má vysokou užitnou hodnotu.