Ett nytt designschema för RFID-laddningssystem

1. Introduktion

RFID-Teknik (Radio Frequency IDentification), det vill säga radiofrekvensidentifieringsteknik, är en kommunikationsteknik som för närvarande används flitigt i olika laddningssituationer, såsom laddningssystem för kollektivtrafik, laddningssystem för parkeringsplatser etc. Nuvarande system som använder RFID-teknik vanligtvis använd RS-485 och PC för datautbyte. RS-485 använder dock en enda huvudnod och använder pollingläge, så det finns problem med låg realtidsprestanda och låg kommunikationseffektivitet.

Med det kontinuerliga steget i datavetenskapens nivå och behoven av industriell utveckling har industriella styrsystem upplevt transformationen från basinstrumentstyrsystem, centraliserade digitala styrsystem, distribuerade styrsystem till de nu allmänt använda fältbusstyrsystemen. CAN-buss (Controller Area Net) är en fältbuss baserad på seriellt kommunikationsnätverk. CAN-bussen använder ett multi-master-arbetsläge, och vilken nod som helst i nätverket kan när som helst skicka information till andra noder i nätverket. Samtidigt använder CAN-bussen oförstörande skiljeteknik. När två eller flera noder sänder data till nätverket samtidigt, kommer noden med lägre prioritet att sluta skicka tills noden med högre prioritet har skickat klart data. Detta är effektivt. för att undvika busstvister. CAN-kommunikationsavståndet kan nå upp till 10 km/5 kbps, och kommunikationshastigheten kan nå upp till 1 Mbps. Varje ram med CAN-data har CRC-kontroll eller andra detekteringsmetoder för att säkerställa tillförlitligheten för datakommunikation.

När ett allvarligt fel uppstår i en CAN-nod kommer noden automatiskt att stängas av, vilket inte påverkar det normala arbetet för andra noder. Därför har CAN-bussen fördelarna med stark tillförlitlighet, hög realtidsprestanda och hög effektivitet, och kan helt ersätta RS 485-bussen.

Med tanke på att i faktiska applikationsmiljöer, för att minska en stor mängd ledningsarbete, används det trådlösa 2.4G-nätverket som en överföringsstation för dataöverföring från RFID till CAN-bussen. Trådlös teknologi erbjuder låg kostnad, flexibilitet, tillförlitlighet och kort installationstid. Denna design använder nRF24L01 för att bygga ett trådlöst kommunikationsnätverk. Detta chip stöder flerpunktskommunikation och kan ta emot data från 6 olika kanaler i mottagningsläge.

Det vill säga att den mottagande delen av det trådlösa nätverket kan ta emot data från 6 olika sändningsändar. Data från sändningsänden erhålls genom RFID-modulen.

Baserat på ovanstående diskussion kommer denna artikel att presentera ett nytt RFID-laddningssystem baserat på CAN-buss och 2.4G trådlöst nätverk.

2 Hårdvarusystemdesign

2.1 Systemtopologi och systemsammansättning

2.1.1 Systemtopologi

Som visas i figur 1 kommer relevanta data från RFID-enheten att överföras till CAN-sändtagaren via det trådlösa nätverket, och det senare kommer sedan att överföra data till PC:n via CAN-bussen. Datorn använder ett PCI-E expansionskort med ett CAN-gränssnitt. Dessutom kan det trådlösa kommunikationschippet nRF24L01 ta emot data från 6 olika kanaler i mottagningsläget, och därigenom realisera en CAN-nod för att styra dataöverföringen av upp till 6 RFID-terminalenheter. När sex RFID-laddningsterminaler inte kan möta efterfrågan kan fler noder läggas till. Alla noder är monterade på CAN-bussen. Genom CAN-bussen överför varje nod data till PC:n.

2.1.2 Systemsammansättning

Detta system (CAN-nod) består av två delsystem. Delsystem B består av mikrokontroller, RFID-modul, trådlös modul, watchdog, LCD-skärm, klockmodul, knappar och EEPROM. Mikrokontrollern (MCU) styr RFID-modulen för att läsa och skriva Mifare 1-kortet, och den trådlösa modulen skickar relevant data till A-delsystemet. Delsystem A består av mikrokontroller, trådlös modul, watchdog och CAN-modul. MCU:n skickar data som tas emot via den trådlösa modulen till PC:n via CAN-modulen. Eftersom en nod kan styra upp till 6 RFID-enhetsterminaler, i ett komplett system, finns det bara 1 delsystem A, medan det kan finnas upp till 6 delsystem B.

2.2 Mikrokontroller

Mikrokontrollern är STC89LE58RD+, som har fyra 8-bitars parallella I/O-portar P0~P3, en 4-bitars parallellport P4, 32KB FLASHROM, 1280 byte RAM, 3 timers, 8 avbrottskällor och 4 avbrott Priority interrupt system. Dess prestanda uppfyller till fullo designkraven.

2.3 CAN-modul

Hårdvaruimplementeringen av CAN-bussen använder Philips' SJA1000 och PCA82C250.

2.3.1 SJA1000-chipintroduktion

SJA1000 är en oberoende CAN-styrenhet. Den stöder PeliCAN-lägesförlängningsfunktion (med CAN2.0B-protokoll), har 11-bitars eller 29-bitars identifierare, 64-byte mottagande FIFO, skiljemekanism och kraftfulla feldetekteringsmöjligheter, etc.

2.3.2 PCA82C250-chipintroduktion

PCA82C250 är en CAN-busstransceiver, som huvudsakligen är designad för kommunikationsapplikationer med medelhög till hög hastighet (upp till 1 Mbps) i bilar. Den kan motstå ett brett utbud av interferens i arbetsläge och elektromagnetisk störning (EMI), minska radiofrekvensstörningar (RFI) och har termiska skyddsfunktioner. Upp till 110 noder kan anslutas.

2.3.3 Anslutning av hårdvarugränssnitt

Som visas i figur 4 används P1-porten som en multiplexerad adress/databuss för att ansluta till AD-porten på SJA1000, och P2.0 är ansluten till chipväljarsektionen CS i SJA1000, vilket gör SJA1000 till en I/O-enhet för kartläggning av perifert minne av mikrokontrollern. Dessutom är RX0 och TX0 på SJA1000 anslutna till RXD och TXD på PCA82C250.

2.4 Trådlös modul

2.4.1 nRF24L01-chipintroduktion

Det trådlösa chippet är nRF24L01. Det är ett 2,4 GHz trådlöst radiofrekvenssändtagarechip med en överföringshastighet på upp till 2 Mbps, stöder 125 valfria driftsfrekvenser, har adress- och CRC-kontrollfunktioner och har ett SPI-gränssnitt.

Den har ett dedikerat avbrottsstift, stöder 3 avbrottskällor och kan skicka avbrottssignaler till MCU:n. Den har en automatisk svarsfunktion, registrerar adressen efter att ha bekräftat mottagandet av data och skickar en svarssignal med denna adress som måladress. Stöder ShockBurstTM-läge, i detta läge kan nRF24L01 anslutas till låghastighets MCU. nRF24L01 kan ta emot data från 6 olika kanaler i mottagningsläge.

2.4.2 nRF24L01 hårdvarugränssnittsanslutning

Som visas i figur 5 kommunicerar mikrokontrollern med nRF24L01 genom att simulera SPI-busstid. Dess externa avbrottsstift IRQ är anslutet till P3.2 (externt avbrott 0) på mikrokontrollern.

2.5 RFID-modul

2.5.1 MF RC500-chipintroduktion

RFID-modulen använder Philips' MF RC500, som är ett av de för närvarande allmänt använda RFID-chipsen. MF RC500 stöder ISO14443A-protokoll och MIFARE dubbla gränssnittskort. Den har en mycket integrerad analog krets inuti för demodulering och avkodning av svarskortet, och har en 64-byte transceiver FIFO-buffert och icke-flyktigt nyckelminne. Dessutom finns det ett dedikerat avbrottsstift som stöder 6 avbrottskällor och kan skicka avbrottssignaler till MCU:n.

2.5.2 MF RC500 hårdvarugränssnittsanslutning

Såsom visas i figur 6, accessar MCU:n registren i MF RC500 som externt RAM. INT-stiftet lämnas flytande och avbrottsfunktionen används inte.

3 Programvarusystemdesign

I initieringsmikrokontrollerprogrammet är det externa avbrottet för delsystem A inställt på utlösare på låg nivå. Avbrottssignalkällan för delsystem A tillhandahålls av nRF24L01. När nRF24L01 tar emot data genererar den en avbrottssignal för att meddela MCU att läsa data. Delsystem B använder inte avbrottsfunktionalitet.

I initieringsprogrammet nRF24L01 är delsystem B konfigurerat i sändningsläge och använder 16-bitars CRC-kontroll. För att använda den automatiska svarsfunktionen är datakanal 0 inställd för att ta emot svarssignalen, och mottagningsadressen för datakanal 0 måste vara lika med sändarens adress för att säkerställa att svarssignalen kan tas emot korrekt. Ett system kan bestå av upp till sex delsystem A, och sändningsadresserna för dessa sex delsystem kan inte upprepas. Delsystem A är konfigurerat i mottagningsläge, använder 16-bitars CRC-kontroll och kan ta emot upp till 6 kanaler med data. Dessa 6 mottagningsadresser är lika med sändningsadresserna i varje delsystem B. I det initiala testet av SJA1000 används PliCAN-läge, överföringshastigheten är 125 Kbps, och mottagnings- och sändningsavbrott är förbjudna; konfigurationen av utgångskontrollregistret är som följer: normalläge, TX-neddragning och utgångskontrollpolaritet. Dessutom måste acceptanskodregistret och acceptansmaskregistret konfigureras korrekt. Denna konfiguration används för att implementera CAN-bussarbitreringsfunktionen.

Vid initialisering av MF RC500 är dess huvudinställningar följande: utgångarna på TX1 och TX2 är konfigurerade som 13.56MHz energibärare; ingångskällan för avkodaren är den interna demodulatorn; använd Q-klockan som mottagarklocka; inaktivera sändnings- och mottagningsavbrott; set RxThreshold Registervärdet är 0xFF, BitPhase registervärdet är 0xAD, etc.

Funktionen för återställningsbegäran söker efter Mifare1-kortet inom antennens effektiva räckvidd. Om det finns ett kort kommer en kommunikationsanslutning att upprättas och korttypnumret TAGTYPE på kortet kommer att läsas. Antikollisionsfunktionen gör det möjligt för MF RC500 att välja ett av flera Mifare 1-kort. öppen. Kortvalsfunktionen kan kommunicera med kort med kända serienummer. Autentiseringsfunktionen matchar lösenordet på Mifare 1-kortet med nyckeln i EEPROM på MF RC500.

Först efter att matchningen är korrekt kan läs- och skrivoperationerna utföras. Skicka ett avstängningskommando för att ställa in Mifare 1-kortet på HALT-LÄGE.

CAN-funktionen används för att skicka relevant data till PC:n. Denna design använder frågeläge för att säkerställa att data har skickats. Du kan bekräfta om dataöverföringen är slutförd genom att fråga flaggbitarna TBS, TCS och TS i statusregistret. På samma sätt, i den trådlösa funktionen, för att säkerställa att data har skickats, fråga bara TX_DS i statusregistret.

4 Systemtestning

Först testades RFID-modulen. Placera MIFARE 1-kortet inom antennens effektiva räckvidd, utför läs- och skrivoperationer på kortet och visa relevant data på LCD-skärmen. Efter detta test läser och skriver RFID-modulen normalt. Därefter testas realtidsprestandan för systemets transmissionsnätverk. Den här artikeln använder trådlös överföring av temperaturdata för testning. Enheten för att mäta temperatur är en DS18B20 enkeltråds temperaturgivare. Anslut temperaturgivaren till delsystem B. Temperaturgivaren provar inomhustemperaturen varje sekund. Mikrokontrollern läser temperaturdata och skickar den till delsystem A via det trådlösa nätverket. Delsystem A tar emot data och skickar den via CAN-bussen. till PC.

På PC-sidan används Visual Basic 6.0 för att skriva värddatorprogrammet. Värddatorn ritar temperaturdata i en kurva och skriver in den i text. Temperaturkurvan visas i figur 8, där noggrannheten för temperaturvärdena är 1 grad Celsius. Genom jämförande observation av temperaturkurvans graf och textdata fann man att det inte fanns några abnormiteter i temperaturdata och ingen dataförlust.

  5. Sammanfattning

Den här artikeln använder CAN-bussen för att ersätta RS-485-bussen och övervinna bristerna hos den senare. Trådlös teknik används också för att fullt ut utnyttja flerpunktskommunikationsfunktionen hos nRF24L01 samtidigt som det minskar mycket kabelarbete. Efter att systemet byggts testade författaren systemet under lång tid. Testresultaten visar att dataöverföringen är stabil, pålitlig och har hög realtidsprestanda. Det övervinner bristerna i det traditionella RFID-avgiftsuppbördssystemet baserat på RS485-bussdesign och har ett starkt användningsvärde.