Nová schéma návrhu nabíjacieho systému RFID

1 Úvod

Technológia RFID (Radio Frequency IDentification), čiže rádiofrekvenčná identifikačná technológia, je komunikačná technológia, ktorá je v súčasnosti široko používaná v rôznych nabíjacích situáciách, ako sú systémy spoplatňovania verejnej dopravy, systémy spoplatňovania parkovísk atď. Súčasné systémy využívajúce technológiu RFID zvyčajne na výmenu dát použite RS-485 a PC. RS-485 však používa jeden hlavný uzol a používa režim dopytovania, takže existujú problémy s nízkym výkonom v reálnom čase a nízkou efektivitou komunikácie.

S neustálym skokom na úrovni počítačovej vedy a potrebami priemyselného rozvoja zažili priemyselné riadiace systémy transformáciu zo základných riadiacich systémov prístrojov, centralizovaných digitálnych riadiacich systémov, distribuovaných riadiacich systémov na teraz široko používané riadiace systémy fieldbus. CAN (Controller Area Net) zbernica je prevádzková zbernica založená na sériovej komunikačnej sieti. Zbernica CAN využíva pracovný režim s viacerými mastermi a ktorýkoľvek uzol v sieti môže kedykoľvek posielať informácie do iných uzlov v sieti. CAN zbernica zároveň využíva nedeštruktívnu arbitrážnu technológiu. Keď dva alebo viac uzlov prenáša údaje do siete súčasne, uzol s nižšou prioritou prestane odosielať, kým uzol s vyššou prioritou nedokončí odosielanie údajov. Toto je účinné. aby sa predišlo sporom o autobus. Komunikačná vzdialenosť CAN môže dosiahnuť až 10 km/5 kbps a rýchlosť komunikácie môže dosiahnuť až 1 Mbps. Každý rámec dát CAN má kontrolu CRC alebo iné metódy detekcie na zabezpečenie spoľahlivosti dátovej komunikácie.

Keď sa v uzle CAN vyskytne vážna chyba, uzol sa automaticky vypne, čím neovplyvní normálnu prácu ostatných uzlov. Preto má zbernica CAN výhody silnej spoľahlivosti, vysokého výkonu v reálnom čase a vysokej účinnosti a môže úplne nahradiť zbernicu RS 485.

Vzhľadom na to, že v skutočných aplikačných prostrediach sa s cieľom znížiť veľké množstvo práce s elektroinštaláciou používa bezdrôtová sieť 2,4G ako prenosová stanica na prenos dát z RFID na zbernicu CAN. Bezdrôtová technológia ponúka nízku cenu, flexibilitu, spoľahlivosť a krátky čas inštalácie. Tento dizajn využíva nRF24L01 na vybudovanie bezdrôtovej komunikačnej siete. Tento čip podporuje viacbodovú komunikáciu a môže prijímať dáta zo 6 rôznych kanálov v režime príjmu.

To znamená, že prijímajúci koniec bezdrôtovej siete môže prijímať dáta zo 6 rôznych odosielacích koncov. Údaje z odosielajúceho konca sa získavajú prostredníctvom modulu RFID.

Na základe vyššie uvedenej diskusie tento článok predstaví nový systém nabíjania RFID založený na zbernici CAN a bezdrôtovej sieti 2,4G.

2 Návrh hardvérového systému

2.1 Topológia systému a zloženie systému

2.1.1 Topológia systému

Ako je znázornené na obrázku 1, príslušné údaje zariadenia RFID sa prenesú do vysielača/prijímača CAN cez bezdrôtovú sieť a ten potom prenesie údaje do počítača cez zbernicu CAN. Počítač používa rozširujúcu kartu PCI-E s rozhraním CAN. Okrem toho môže bezdrôtový komunikačný čip nRF24L01 prijímať dáta zo 6 rôznych kanálov v režime príjmu, čím sa realizuje uzol CAN na riadenie prenosu dát až 6 RFID koncových zariadení. Keď šesť nabíjacích terminálov RFID nedokáže uspokojiť dopyt, možno pridať ďalšie uzly. Všetky uzly sú namontované na zbernici CAN. Prostredníctvom zbernice CAN každý uzol prenáša dáta do PC.

2.1.2 Zloženie systému

Tento systém (uzol CAN) pozostáva z dvoch podsystémov. Subsystém B pozostáva z mikrokontroléra, modulu RFID, bezdrôtového modulu, strážneho psa, LCD obrazovky, modulu hodín, tlačidiel a EEPROM. Mikrokontrolér (MCU) riadi Modul RFID na čítanie a zapisovanie karty Mifare 1 a bezdrôtový modul odosiela príslušné údaje do podsystému A. Subsystém A pozostáva z mikrokontroléra, bezdrôtového modulu, watchdogu a modulu CAN. MCU posiela dáta prijaté cez bezdrôtový modul do PC cez CAN modul. Keďže jeden uzol môže ovládať až 6 terminálov RFID zariadení, v kompletnom systéme existuje iba 1 podsystém A, zatiaľ čo podsystémov B môže byť až 6.

2.2 Mikrokontrolér

Mikrokontrolér je STC89LE58RD+, ktorý má štyri 8-bitové paralelné I/O porty P0~P3, jeden 4-bitový paralelný port P4, 32 KB FLASHROM, 1280 bajtov RAM, 3 časovače, 8 zdrojov prerušení a 4 systém prioritných prerušení. Jeho výkon plne spĺňa konštrukčné požiadavky.

2.3 Modul CAN

Hardvérová implementácia zbernice CAN využíva Philips' SJA1000 a PCA82C250.

2.3.1 Zavedenie čipu SJA1000

SJA1000 je nezávislý CAN ovládač. Podporuje funkciu rozšírenia režimu PeliCAN (pomocou protokolu CAN2.0B), má 11-bitové alebo 29-bitové identifikátory, 64-bajtové prijímacie FIFO, arbitrážny mechanizmus a výkonné možnosti detekcie chýb atď.

2.3.2 Zavedenie čipu PCA82C250

PCA82C250 je CAN bus transceiver, ktorý je určený hlavne pre aplikácie strednej až vysokej rýchlosti (do 1Mbps) v automobiloch. Dokáže odolávať širokému spektru rušenia v pracovnom režime a elektromagnetickému rušeniu (EMI), znižuje vysokofrekvenčné rušenie (RFI) a má funkcie tepelnej ochrany. Je možné pripojiť až 110 uzlov.

2.3.3 Pripojenie hardvérového rozhrania

Ako je znázornené na obrázku 4, port P1 sa používa ako multiplexná adresová/dátová zbernica na pripojenie k AD portu SJA1000 a P2.0 je pripojený k sekcii výberu čipu CS SJA1000, vďaka čomu je SJA1000 I/O zariadením pre mapovanie periférnej pamäte mikrokontroléra. Okrem toho sú RX0 a TX0 SJA1000 pripojené k RXD a TXD na PCA82C250.

2.4 Bezdrôtový modul

2.4.1 Zavedenie čipu nRF24L01

Bezdrôtový čip je nRF24L01. Ide o 2,4 GHz bezdrôtový rádiofrekvenčný transceiver čip s prenosovou rýchlosťou až 2 Mbps, podporuje 125 voliteľných prevádzkových frekvencií, má funkcie kontroly adresy a CRC a poskytuje rozhranie SPI.

Má vyhradený prerušovací kolík, podporuje 3 zdroje prerušenia a môže posielať prerušovacie signály do MCU. Má funkciu automatickej odpovede, zaznamená adresu po potvrdení prijatia údajov a odošle signál odpovede s použitím tejto adresy ako cieľovej adresy. Podporuje režim ShockBurstTM, v tomto režime môže byť nRF24L01 pripojený k nízkorýchlostnému MCU. nRF24L01 môže v režime príjmu prijímať dáta zo 6 rôznych kanálov.

2.4.2 Pripojenie hardvérového rozhrania nRF24L01

Ako je znázornené na obrázku 5, mikrokontrolér komunikuje s nRF24L01 simuláciou časovania zbernice SPI. Jeho externý prerušovací kolík IRQ je pripojený k P3.2 (externé prerušenie 0) mikrokontroléra.

2.5 RFID modul

2.5.1 Predstavenie čipu MF RC500

Modul RFID využíva Philips' MF RC500, ktorý patrí medzi v súčasnosti veľmi používané RFID čipy. MF RC500 podporuje protokol ISO14443A a kartu s dvojitým rozhraním MIFARE. Má vo vnútri vysoko integrovaný analógový obvod na demoduláciu a dekódovanie odpovedacej karty a má 64-bajtovú vyrovnávaciu pamäť transceiveru FIFO a energetickú pamäť kľúča. Okrem toho existuje vyhradený prerušovací kolík, ktorý podporuje 6 zdrojov prerušenia a môže posielať signály prerušenia do MCU.

2.5.2 Pripojenie hardvérového rozhrania MF RC500

Ako je znázornené na obrázku 6, MCU pristupuje k registrom v MF RC500 ako externá RAM. Pin INT je ponechaný plávajúci a funkcia prerušenia sa nepoužíva.

3 Návrh softvérového systému

V programe inicializačného mikrokontroléra je externé prerušenie subsystému A nastavené na spúšťanie nízkej úrovne. Zdroj signálu prerušenia subsystému A poskytuje nRF24L01. Keď nRF24L01 prijme dáta, vygeneruje prerušovací signál, ktorý upozorní MCU na prečítanie dát. Subsystém B nepoužíva funkciu prerušenia.

V inicializačnom programe nRF24L01 je subsystém B nakonfigurovaný vo vysielacom režime a používa 16-bitovú kontrolu CRC. Ak chcete použiť funkciu automatickej odpovede, dátový kanál 0 je nastavený na príjem signálu odpovede a prijímacia adresa dátového kanála 0 sa musí rovnať adrese odosielateľa, aby sa zabezpečilo správne prijatie signálu odpovede. Systém môže byť zložený až zo šiestich podsystémov A a odosielacie adresy týchto šiestich podsystémov sa nemôžu opakovať. Subsystém A je nakonfigurovaný v režime príjmu, používa 16-bitovú kontrolu CRC a môže prijímať až 6 kanálov údajov. Týchto 6 prijímacích adries sa zhoduje s odosielacími adresami v každom podsystéme B. V počiatočnom teste SJA1000 sa používa režim PliCAN, prenosová rýchlosť je 125 Kbps a prerušenia prijímania a odosielania sú zakázané; konfigurácia výstupného riadiaceho registra je nasledovná: normálny režim, TX pull-down a polarita riadenia výstupu. Okrem toho je potrebné správne nakonfigurovať register akceptačných kódov a register akceptačných masiek. Táto konfigurácia sa používa na implementáciu funkcie rozhodovania zbernice CAN.

Pri inicializácii MF RC500 sú jeho hlavné nastavenia nasledovné: výstupy TX1 a TX2 sú nakonfigurované ako 13.56MHz nosiče energie; vstupným zdrojom dekodéra je interný demodulátor; použite hodiny Q ako hodiny prijímača; zakázať prerušenia vysielania a prijímania; set RxThreshold Hodnota registra je 0xFF, hodnota registra BitPhase je 0xAD atď.

Funkcia resetovania vyhľadá kartu Mifare1 v efektívnom dosahu antény. Ak karta existuje, nadviaže sa komunikačné spojenie a načíta sa číslo typu karty TAGTYPE na karte. Funkcia proti kolízii umožňuje MF RC500 vybrať jednu z viacerých kariet Mifare 1. OTVORENÉ. Funkcia výberu karty môže komunikovať s kartami so známymi sériovými číslami. Funkcia autentifikácie zhoduje heslo na karte Mifare 1 s kľúčom v EEPROM MF RC500.

Operácie čítania a zápisu je možné vykonať až po správnom priradení. Vyslaním príkazu na vypnutie nastavte kartu Mifare 1 do režimu HALT MODE.

Funkcia CAN sa používa na odosielanie relevantných údajov do PC. Tento návrh používa režim dotazu na zabezpečenie odoslania údajov. Či je prenos údajov dokončený, môžete potvrdiť dotazovaním na príznakové bity TBS, TCS a TS v stavovom registri. Podobne v bezdrôtovej funkcii, aby ste sa uistili, že údaje boli odoslané, stačí zadať dotaz na TX_DS v stavovom registri.

4 Testovanie systému

Najprv sa otestoval modul RFID. Vložte kartu MIFARE 1 do účinného dosahu antény, vykonajte operácie čítania a zápisu na kartu a zobrazte príslušné údaje na obrazovke LCD. Po tomto teste modul RFID normálne číta a zapisuje. Následne sa testuje výkon prenosovej siete systému v reálnom čase. Tento článok používa na testovanie bezdrôtový prenos údajov o teplote. Prístroj na meranie teploty je jednovodičový teplotný snímač DS18B20. Pripojte snímač teploty k podsystému B. Snímač teploty sníma vnútornú teplotu každú sekundu. Mikrokontrolér načíta údaje o teplote a odošle ich do podsystému A prostredníctvom bezdrôtovej siete. Subsystém A prijíma dáta a odosiela ich cez zbernicu CAN. do PC.

Na strane PC sa na písanie programu hostiteľského počítača používa Visual Basic 6.0. Hostiteľský počítač nakreslí údaje o teplote do krivky a zapíše ich do textu. Teplotná krivka je znázornená na obrázku 8, kde presnosť hodnôt teploty je 1 stupeň Celzia. Prostredníctvom porovnávacieho pozorovania grafu teplotnej krivky a textových údajov sa zistilo, že nedošlo k žiadnej abnormalite v údajoch o teplote a k strate údajov.

  5 Záver

Tento článok používa zbernicu CAN na nahradenie zbernice RS-485, čím sa prekonávajú jej nedostatky. Bezdrôtová technológia sa tiež používa na plné využitie viacbodovej komunikačnej funkcie nRF24L01 a zároveň znižuje množstvo práce s elektroinštaláciou. Po zostavení systému autor dlho testoval systém. Výsledky testov ukazujú, že prenos dát je stabilný, spoľahlivý a má vysoký výkon v reálnom čase. Prekonáva nedostatky tradičného systému výberu mýta RFID založeného na dizajne zbernice RS485 a má veľkú úžitkovú hodnotu.