Новая схема проектирования системы зарядки RFID

1 Введение

Технология RFID (Radio Frequency IDentification), то есть технология радиочастотной идентификации, представляет собой технологию связи, которая в настоящее время широко используется в различных ситуациях зарядки, таких как системы зарядки общественного транспорта, системы зарядки парковок и т. д. Современные системы, использующие технологию RFID, обычно используют RS-485 и ПК для обмена данными. Однако RS-485 использует один главный узел и принимает режим опроса, поэтому существуют проблемы низкой производительности в реальном времени и низкой эффективности связи.

Благодаря непрерывному скачку уровня компьютерной науки и потребностям промышленного развития промышленные системы управления претерпели трансформацию из базовых систем управления приборами, централизованных цифровых систем управления, распределенных систем управления в широко используемые в настоящее время системы управления полевой шиной. Шина CAN (Controller Area Net) представляет собой полевую шину, основанную на последовательной коммуникационной сети. Шина CAN принимает режим работы с несколькими главными узлами, и любой узел в сети может отправлять информацию другим узлам в сети в любое время. В то же время шина CAN использует технологию неразрушающего арбитража. Когда два или более узлов передают данные в сеть одновременно, узел с более низким приоритетом прекратит отправку, пока узел с более высоким приоритетом не закончит отправку данных. Это эффективно. для предотвращения конфликта шины. Расстояние связи CAN может достигать 10 км/5 кбит/с, а скорость связи может достигать 1 Мбит/с. Каждый кадр данных CAN имеет проверку CRC или другие методы обнаружения для обеспечения надежности передачи данных.

Когда в узле CAN возникает серьезная ошибка, узел автоматически отключается, тем самым не влияя на нормальную работу других узлов. Таким образом, шина CAN обладает преимуществами высокой надежности, высокой производительности в реальном времени и высокой эффективности и может полностью заменить шину RS 485.

Учитывая, что в реальных прикладных средах, чтобы сократить большой объем работ по прокладке проводов, беспроводная сеть 2.4G используется в качестве станции передачи данных для передачи с RFID на шину CAN. Беспроводная технология обеспечивает низкую стоимость, гибкость, надежность и короткое время установки. Эта конструкция использует nRF24L01 для построения беспроводной сети связи. Этот чип поддерживает многоточечную связь и может принимать данные с 6 различных каналов в режиме приема.

То есть принимающая сторона беспроводной сети может принимать данные с 6 различных отправляющих сторон. Данные с отправляющего конца получаются через модуль RFID.

На основе вышеизложенного обсуждения в этой статье будет представлена ​​новая система зарядки RFID на основе шины CAN и беспроводной сети 2.4G.

2 Проектирование аппаратной системы

2.1 Топология системы и состав системы

2.1.1 Топология системы

Как показано на рисунке 1, соответствующие данные устройства RFID будут передаваться на приемопередатчик CAN через беспроводную сеть, а последний затем будет передавать данные на ПК через шину CAN. ПК использует карту расширения PCI-E с интерфейсом CAN. Кроме того, чип беспроводной связи nRF24L01 может принимать данные с 6 различных каналов в режиме приема, тем самым реализуя узел CAN для управления передачей данных до 6 терминальных устройств RFID. Когда шесть зарядных терминалов RFID не могут удовлетворить спрос, можно добавить больше узлов. Все узлы монтируются на шине CAN. Через шину CAN каждый узел передает данные на ПК.

2.1.2 Состав системы

Эта система (узел CAN) состоит из двух подсистем. Подсистема B состоит из микроконтроллера, модуля RFID, беспроводного модуля, сторожевого таймера, ЖК-экрана, модуля часов, кнопок и EEPROM. Микроконтроллер (MCU) управляет модулем RFID для чтения и записи карты Mifare 1, а беспроводной модуль отправляет соответствующие данные в подсистему A. Подсистема A состоит из микроконтроллера, беспроводного модуля, сторожевого таймера и модуля CAN. MCU отправляет данные, полученные через беспроводной модуль, на ПК через модуль CAN. Поскольку один узел может управлять до 6 терминалами RFID-устройств, в полной системе имеется только 1 подсистема A, в то время как может быть до 6 подсистем B.

2.2 Микроконтроллер

Микроконтроллер - STC89LE58RD+, который имеет четыре 8-битных параллельных порта ввода-вывода P0~P3, один 4-битный параллельный порт P4, 32 КБ FLASHROM, 1280 байт ОЗУ, 3 таймера, 8 источников прерываний и 4 прерывания Приоритетной системы прерываний. Его производительность полностью соответствует требованиям дизайна.

2.3 Модуль CAN

Аппаратная реализация шины CAN использует Philips' SJA1000 и PCA82C250.

2.3.1 Введение в чип SJA1000

SJA1000 — это независимый CAN-контроллер. Он поддерживает функцию расширения режима PeliCAN (используя протокол CAN2.0B), имеет 11-битные или 29-битные идентификаторы, 64-битныйyte получает FIFO, арбитражный механизм и мощные возможности обнаружения ошибок и т. д.

2.3.2 Введение в чип PCA82C250

PCA82C250 - это приемопередатчик шины CAN, который в основном предназначен для приложений связи со средней и высокой скоростью (до 1 Мбит/с) в автомобилях. Он может противостоять широкому спектру помех рабочего режима и электромагнитных помех (EMI), уменьшать радиочастотные помехи (RFI) и имеет функции тепловой защиты. Можно подключить до 110 узлов.

2.3.3 Подключение аппаратного интерфейса

Как показано на рисунке 4, порт P1 используется как мультиплексная шина адреса/данных для подключения к порту AD SJA1000, а порт P2.0 подключен к секции выбора микросхемы CS SJA1000, что делает SJA1000 устройством ввода-вывода для отображения периферийной памяти микроконтроллера. Кроме того, RX0 и TX0 SJA1000 подключены к RXD и TXD PCA82C250.

2.4 Беспроводной модуль

2.4.1 Введение в чип nRF24L01

Беспроводной чип — nRF24L01. Это микросхема беспроводного радиочастотного приемопередатчика 2,4 ГГц со скоростью передачи данных до 2 Мбит/с, поддерживающая 125 дополнительных рабочих частот, имеющая функции проверки адреса и CRC, а также предоставляющая интерфейс SPI.

Он имеет выделенный вывод прерывания, поддерживает 3 источника прерываний и может отправлять сигналы прерывания в MCU. Он имеет функцию автоматического ответа, записывает адрес после подтверждения получения данных и отправляет ответный сигнал, используя этот адрес в качестве целевого адреса. Поддерживает режим ShockBurstTM, в этом режиме nRF24L01 может быть подключен к низкоскоростному MCU. nRF24L01 может принимать данные с 6 различных каналов в режиме приема.

2.4.2 Подключение аппаратного интерфейса nRF24L01

Как показано на рисунке 5, микроконтроллер взаимодействует с nRF24L01, имитируя синхронизацию шины SPI. Его внешний вывод прерывания IRQ подключен к P3.2 (внешнее прерывание 0) микроконтроллера.

2.5 Модуль RFID

2.5.1 Введение в чип MF RC500

Модуль RFID использует Philips' MF RC500, который является одним из широко используемых в настоящее время чипов RFID. MF RC500 поддерживает протокол ISO14443A и карту двойного интерфейса MIFARE. Он имеет высокоинтегрированную аналоговую схему внутри для демодуляции и декодирования карты ответа, а также имеет 64-байтовый буфер FIFO приемопередатчика и энергонезависимую память ключей. Кроме того, имеется выделенный вывод прерывания, который поддерживает 6 источников прерываний и может отправлять сигналы прерывания в MCU.

2.5.2 Подключение аппаратного интерфейса MF RC500

Как показано на рисунке 6, MCU обращается к регистрам в MF RC500 как к внешней оперативной памяти. Вывод INT остается плавающим, а функция прерывания не используется.

3 Проектирование программной системы

В программе инициализации микроконтроллера внешнее прерывание подсистемы A устанавливается на триггер низкого уровня. Источник сигнала прерывания подсистемы A предоставляется nRF24L01. Когда nRF24L01 получает данные, он генерирует сигнал прерывания, чтобы уведомить MCU о необходимости чтения данных. Подсистема B не использует функцию прерывания.

В программе инициализации nRF24L01 подсистема B настроена в режиме передачи и использует 16-битную проверку CRC. Для использования функции автоматического ответа канал данных 0 настроен на прием ответного сигнала, а адрес приема канала данных 0 должен быть равен адресу отправителя, чтобы гарантировать, что ответный сигнал может быть получен правильно. Система может состоять из до шести подсистем A, и адреса отправки этих шести подсистем не могут повторяться. Подсистема A настроена в режиме приема, использует 16-битную проверку CRC и может принимать до 6 каналов данных. Эти 6 адресов приема равны адресам отправки в каждой подсистеме B. В начальном тесте SJA1000 используется режим PliCAN, скорость передачи составляет 125 Кбит/с, а прерывания приема и отправки запрещены; конфигурация регистра управления выходом следующая: нормальный режим, понижение TX и полярность управления выходом. Кроме того, необходимо правильно настроить регистр кода приема и регистр маски приема. Эта конфигурация используется для реализации функции арбитража шины CAN.

При инициализации MF RC500 его основные настройки следующие: выходы TX1 и TX2 настроены как носители энергии 13,56 МГц; входным источником декодера является внутренний демодулятор; использовать тактовую частоту Q в качестве тактовой частоты приемника; отключить прерывания передачи и приема; установить RxThreshold. Значение регистра равно 0xFF, значение регистра BitPhase равно 0xAD и т. д.

Функция запроса сброса будет искать карту Mifare1 в пределах эффективного диапазона антенны. Если карта существует, будет установлено соединение связи и будет считан номер типа карты TAGTYPE на карте. Функция предотвращения столкновений позволяет MF RC500для выбора одной из нескольких карт Mifare 1. открыть. Функция выбора карты может взаимодействовать с картами с известными серийными номерами. Функция аутентификации сопоставляет пароль на карте Mifare 1 с ключом в EEPROM MF RC500.

Только после того, как сопоставление будет верным, можно выполнять операции чтения и записи. Отправьте команду выключения, чтобы перевести карту Mifare 1 в РЕЖИМ ОСТАНОВКИ.

Функция CAN используется для отправки соответствующих данных на ПК. Эта конструкция использует режим запроса, чтобы убедиться, что данные были отправлены. Вы можете подтвердить, завершена ли передача данных, запросив биты флагов TBS, TCS и TS в регистре состояния. Аналогично, в беспроводной функции, чтобы убедиться, что данные были отправлены, просто запросите TX_DS в регистре состояния.

4 Тестирование системы

Сначала был протестирован модуль RFID. Поместите карту MIFARE 1 в зону действия антенны, выполните операции чтения и записи на карте и отобразите соответствующие данные на ЖК-экране. После этого теста модуль RFID нормально считывает и записывает данные. Затем тестируется производительность сети передачи системы в реальном времени. В этой статье для тестирования используется беспроводная передача данных о температуре. Устройство для измерения температуры представляет собой однопроводной датчик температуры DS18B20. Подключите датчик температуры к подсистеме B. Датчик температуры каждую секунду измеряет температуру в помещении. Микроконтроллер считывает данные о температуре и отправляет их в подсистему A через беспроводную сеть. Подсистема A получает данные и отправляет их через шину CAN. на ПК.

На стороне ПК Visual Basic 6.0 используется для написания программы главного компьютера. Главный компьютер рисует данные о температуре в кривую и записывает ее в текст. Температурная кривая показана на рисунке 8, где точность значений температуры составляет 1 градус Цельсия. Путем сравнительного наблюдения графика температурной кривой и текстовых данных было обнаружено, что не было никаких отклонений в данных о температуре и никакой потери данных.

  5 Заключение

В этой статье шина CAN используется для замены шины RS-485, преодолевая недостатки последней. Беспроводная технология также используется для полного использования функции многоточечной связи nRF24L01, одновременно сокращая объем работ по прокладке проводов. После того, как система была построена, автор тестировал ее в течение длительного времени. Результаты испытаний показывают, что передача данных стабильна, надежна и имеет высокую производительность в реальном времени. Он устраняет недостатки традиционной системы взимания платы RFID, основанной на шине RS485, и имеет высокую потребительскую ценность.