Nowy schemat projektu systemu ładowania RFID

1 Wprowadzenie

Technologia RFID (Radio Frequency IDentification), czyli technologia identyfikacji radiowej, jest technologią komunikacyjną, która jest obecnie szeroko stosowana w różnych sytuacjach związanych z pobieraniem opłat, takich jak systemy pobierania opłat za transport publiczny, systemy pobierania opłat za parkingi itp. Obecne systemy wykorzystujące technologię RFID zwykle wykorzystują RS-485 i komputer do wymiany danych. Jednak RS-485 wykorzystuje pojedynczy węzeł główny i przyjmuje tryb odpytywania, więc występują problemy niskiej wydajności w czasie rzeczywistym i niskiej efektywności komunikacji.

Wraz z ciągłym skokiem poziomu informatyki i potrzebami rozwoju przemysłu, przemysłowe systemy sterowania przeszły transformację z podstawowych systemów sterowania instrumentami, scentralizowanych cyfrowych systemów sterowania, rozproszonych systemów sterowania do obecnie szeroko stosowanych systemów sterowania fieldbus. Magistrala CAN (Controller Area Net) jest magistralą polową opartą na szeregowej sieci komunikacyjnej. Magistrala CAN przyjmuje tryb pracy multi-master, a każdy węzeł w sieci może wysyłać informacje do innych węzłów w sieci w dowolnym momencie. Jednocześnie magistrala CAN wykorzystuje technologię arbitrażu nieniszczącego. Gdy dwa lub więcej węzłów przesyła dane do sieci w tym samym czasie, węzeł o niższym priorytecie zatrzyma wysyłanie, dopóki węzeł o wyższym priorytecie nie zakończy wysyłania danych. Jest to skuteczne. w celu uniknięcia rywalizacji o magistralę. Odległość komunikacji CAN może osiągnąć do 10 km/5 kbps, a szybkość komunikacji może osiągnąć do 1 Mb/s. Każda ramka danych CAN ma kontrolę CRC lub inne metody wykrywania w celu zapewnienia niezawodności komunikacji danych.

Gdy w węźle CAN wystąpi poważny błąd, węzeł automatycznie się wyłączy, nie wpływając tym samym na normalną pracę innych węzłów. Dlatego magistrala CAN ma zalety wysokiej niezawodności, wysokiej wydajności w czasie rzeczywistym i wysokiej wydajności i może całkowicie zastąpić magistralę RS 485.

Biorąc pod uwagę, że w rzeczywistych środowiskach aPlikacji, w celu zmniejszenia dużej ilości pracy związanej z okablowaniem, sieć bezprzewodowa 2.4G jest używana jako stacja transferowa do transmisji danych z RFID do magistrali CAN. Technologia bezprzewodowa oferuje niskie koszty, elastyczność, niezawodność i krótki czas instalacji. Ten projekt wykorzystuje nRF24L01 do budowy sieci komunikacji bezprzewodowej. Ten układ obsługuje komunikację wielopunktową i może odbierać dane z 6 różnych kanałów w trybie odbioru.

Oznacza to, że odbierający koniec sieci bezprzewodowej może odbierać dane z 6 różnych końców wysyłających. Dane z końca wysyłającego są uzyskiwane za pośrednictwem modułu RFID.

Na podstawie powyższej dyskusji, niniejszy artykuł przedstawi nowy system ładowania RFID oparty na magistrali CAN i sieci bezprzewodowej 2.4G.

2 Projekt systemu sprzętowego

2.1 Topologia systemu i skład systemu

2.1.1 Topologia systemu

Jak pokazano na rysunku 1, odpowiednie dane urządzenia RFID zostaną przesłane do transceivera CAN za pośrednictwem sieci bezprzewodowej, a ten ostatni prześle dane do komputera za pośrednictwem magistrali CAN. Komputer wykorzystuje kartę rozszerzeń PCI-E z interfejsem CAN. Ponadto układ komunikacji bezprzewodowej nRF24L01 może odbierać dane z 6 różnych kanałów w trybie odbioru, realizując w ten sposób węzeł CAN do sterowania transmisją danych do 6 urządzeń końcowych RFID. Gdy sześć terminali ładowania RFID nie jest w stanie sprostać zapotrzebowaniu, można dodać więcej węzłów. Wszystkie węzły są zamontowane na magistrali CAN. Poprzez magistralę CAN każdy węzeł przesyła dane do komputera.

2.1.2 Skład systemu

Ten system (węzeł CAN) składa się z dwóch podsystemów. Podsystem B składa się z mikrokontrolera, modułu RFID, modułu bezprzewodowego, modułu nadzorującego, ekranu LCD, modułu zegara, przycisków i pamięci EEPROM. Mikrokontroler (MCU) steruje modułem RFID w celu odczytu i zapisu karty Mifare 1, a moduł bezprzewodowy wysyła odpowiednie dane do podsystemu A. Podsystem A składa się z mikrokontrolera, modułu bezprzewodowego, modułu nadzorującego i modułu CAN. MCU wysyła dane otrzymane za pośrednictwem modułu bezprzewodowego do komputera za pośrednictwem modułu CAN. Ponieważ jeden węzeł może kontrolować do 6 terminali urządzeń RFID, w kompletnym systemie jest tylko 1 podsystem A, podczas gdy może być do 6 podsystemów B.

2.2 Mikrokontroler

Mikrokontroler to STC89LE58RD+, który ma cztery 8-bitowe równoległe porty I/O P0~P3, jeden 4-bitowy port równoległy P4, 32 KB FLASHROM, 1280 bajtów RAM, 3 timery, 8 źródeł przerwań i 4 przerwania System przerwań priorytetowych. Jego wydajność w pełni spełnia wymagania projektowe.

2.3 Moduł CAN

Sprzętowa implementacja magistrali CAN wykorzystuje Philips' SJA1000 i PCA82C250.

2.3.1 Wprowadzenie do układu scalonego SJA1000

SJA1000 to niezależny kontroler CAN. Obsługuje funkcję rozszerzenia trybu PeliCAN (używając protokołu CAN2.0B), ma 11- lub 29-bitowe identyfikatory, 64-bajtowy FIFO odbiorczy, mechanizm arbitrażu i potężne możliwości wykrywania błędów itp.

2.3.2 Wprowadzenie do układu scalonego PCA82C250

PCA82C250 to transceiver magistrali CAN, który jest przeznaczony głównie do zastosowań komunikacyjnych o średniej i dużej prędkości (do 1 Mb/s) w samochodach. Może on wytrzymać szeroki zakres zakłóceń w trybie pracy i zakłóceń elektromagnetycznych (EMI), zmniejszyć zakłócenia częstotliwości radiowej (RFI) i ma funkcje ochrony termicznej. Można podłączyć do 110 węzłów.

2.3.3 Połączenie interfejsu sprzętowego

Jak pokazano na rysunku 4, port P1 jest używany jako multipleksowana magistrala adresów/danych do łączenia się z portem AD SJA1000, a P2.0 jest podłączony do sekcji wyboru układu CS SJA1000, co czyni SJA1000 urządzeniem wejścia/wyjścia do mapowania pamięci peryferyjnej mikrokontrolera. Ponadto RX0 i TX0 SJA1000 są podłączone do RXD i TXD PCA82C250.

2.4 Moduł bezprzewodowy

2.4.1 Wprowadzenie do układu scalonego nRF24L01

Układem scalonym bezprzewodowym jest nRF24L01. Jest to układ scalony transceivera radiowego 2,4 GHz o szybkości transmisji do 2 Mb/s, obsługuje 125 opcjonalnych częstotliwości roboczych, ma funkcje sprawdzania adresu i CRC oraz zapewnia interfejs SPI.

Posiada dedykowany pin przerwania, obsługuje 3 źródła przerwania i może wysyłać sygnały przerwania do MCU. Posiada funkcję automatycznej odpowiedzi, rejestruje adres po potwierdzeniu odbioru danych i wysyła sygnał odpowiedzi, używając tego adresu jako adresu docelowego. Obsługuje tryb ShockBurstTM, w tym trybie nRF24L01 może być podłączony do mikrokontrolera o niskiej prędkości. nRF24L01 może odbierać dane z 6 różnych kanałów w trybie odbioru.

2.4.2 Połączenie interfejsu sprzętowego nRF24L01

Jak pokazano na rysunku 5, mikrokontroler komunikuje się z nRF24L01, symulując taktowanie magistrali SPI. Jego zewnętrzny pin przerwania IRQ jest podłączony do P3.2 (zewnętrzne przerwanie 0) mikrokontrolera.

2.5 Moduł RFID

2.5.1 Wprowadzenie do układu MF RC500

Moduł RFID wykorzystuje układ MF RC500 firmy Philips, który jest jednym z obecnie powszechnie używanych układów RFID. MF RC500 obsługuje protokół ISO14443A i kartę podwójnego interfejsu MIFARE. Posiada wysoce zintegrowany obwód analogowy wewnątrz do demodulacji i dekodowania karty odpowiedzi, a także 64-bajtowy bufor FIFO transceivera i nieulotną pamięć klucza. Ponadto istnieje dedykowany pin przerwania, który obsługuje 6 źródeł przerwań i może wysyłać sygnały przerwania do MCU.

2.5.2 Połączenie interfejsu sprzętowego MF RC500

Jak pokazano na rysunku 6, MCU uzyskuje dostęp do rejestrów w MF RC500 jako zewnętrznej pamięci RAM. Pin INT pozostaje swobodny, a funkcja przerwania nie jest używana.

3 Projekt systemu oprogramowania

W programie inicjalizacji mikrokontrolera, zewnętrzne przerwanie podsystemu A jest ustawione na wyzwalacz niskiego poziomu. Źródło sygnału przerwania podsystemu A jest dostarczane przez nRF24L01. Gdy nRF24L01 odbiera dane, generuje sygnał przerwania, aby powiadomić MCU o konieczności odczytania danych. Podsystem B nie używa funkcjonalności przerwania.

W programie inicjującym nRF24L01 podsystem B jest skonfigurowany w trybie transmisji i używa 16-bitowej kontroli CRC. Aby użyć funkcji automatycznej odpowiedzi, kanał danych 0 jest ustawiony do odbioru sygnału odpowiedzi, a adres odbioru kanału danych 0 musi być równy adresowi nadawcy, aby zapewnić, że sygnał odpowiedzi może zostać odebrany poprawnie. System może składać się z maksymalnie sześciu podsystemów A, a adresy wysyłania tych sześciu podsystemów nie mogą się powtarzać. Podsystem A jest skonfigurowany w trybie odbioru, używa 16-bitowej kontroli CRC i może odbierać do 6 kanałów danych. Te 6 adresów odbioru jest równych adresom wysyłania w każdym podsystemie B. W początkowym teście SJA1000 używany jest tryb PliCAN, szybkość transmisji wynosi 125 kbps, a przerwania odbioru i wysyłania są zabronione; konfiguracja rejestru sterowania wyjściem jest następująca: tryb normalny, TX pull-down i polaryzacja sterowania wyjściem. Ponadto rejestr kodu akceptacji i rejestr maski akceptacji muszą być poprawnie skonfigurowane. Ta konfiguracja jest używana do implementacji funkcji arbitrażu magistrali CAN.

Podczas inicjalizacji MF RC500 jego główne ustawienia są następujące: wyjścia TX1 i TX2 są skonfigurowane jako 13.Nośniki energii 56MHz; źródłem wejściowym dekodera jest wewnętrzny demodulator; użyj zegara Q jako zegara odbiornika; wyłącz przerwania nadawania i odbioru; ustaw RxThreshold Wartość rejestru wynosi 0xFF, wartość rejestru BitPhase wynosi 0xAD itd.

Funkcja żądania resetu wyszuka kartę Mifare1 w efektywnym zasięgu anteny. Jeśli karta istnieje, zostanie nawiązane połączenie komunikacyjne i odczytany zostanie numer typu karty TAGTYPE na karcie. Funkcja antykolizyjna umożliwia MF RC500 wybranie jednej z wielu kart Mifare 1. otwórz. Funkcja wyboru karty może komunikować się z kartami o znanych numerach seryjnych. Funkcja uwierzytelniania dopasowuje hasło na karcie Mifare 1 do klucza w pamięci EEPROM MF RC500.

Dopiero po poprawnym dopasowaniu można wykonać operacje odczytu i zapisu. Wyślij polecenie wyłączenia, aby ustawić kartę Mifare 1 w trybie HALT MODE.

Funkcja CAN służy do wysyłania odpowiednich danych do komputera. Ten projekt wykorzystuje tryb zapytania, aby upewnić się, że dane zostały wysłane. Możesz potwierdzić, czy transmisja danych została ukończona, sprawdzając bity flag TBS, TCS i TS w rejestrze stanu. Podobnie w funkcji bezprzewodowej, aby upewnić się, że dane zostały wysłane, po prostu zapytaj TX_DS w rejestrze stanu.

4 Testowanie systemu

Najpierw przetestowano moduł RFID. Umieść kartę MIFARE 1 w zasięgu anteny, wykonaj operacje odczytu i zapisu na karcie i wyświetl odpowiednie dane na ekranie LCD. Po tym teście moduł RFID odczytuje i zapisuje normalnie. Następnie testowana jest wydajność sieci transmisyjnej systemu w czasie rzeczywistym. W tym artykule wykorzystano bezprzewodową transmisję danych o temperaturze do testów. Urządzeniem do pomiaru temperatury jest jednoprzewodowy czujnik temperatury DS18B20. Podłącz czujnik temperatury do podsystemu B. Czujnik temperatury pobiera próbki temperatury wewnętrznej co sekundę. Mikrokontroler odczytuje dane o temperaturze i wysyła je do podsystemu A za pośrednictwem sieci bezprzewodowej. Podsystem A odbiera dane i wysyła je za pośrednictwem magistrali CAN. do komputera PC.

Po stronie komputera PC do napisania programu komputera hosta używa się języka Visual Basic 6.0. Komputer hosta rysuje dane o temperaturze na krzywej i zapisuje je w postaci tekstu. Krzywa temperatury jest pokazana na rysunku 8, gdzie dokładność wartości temperatury wynosi 1 stopień Celsjusza. Poprzez porównawczą obserwację wykresu krzywej temperatury i danych tekstowych stwierdzono, że nie było żadnych nieprawidłowości w danych dotyczących temperatury ani utraty danych.

  5 Wniosek

W tym artykule wykorzystano magistralę CAN w celu zastąpienia magistrali RS-485, przezwyciężając jej niedociągnięcia. Technologia bezprzewodowa jest również wykorzystywana do pełnego wykorzystania funkcji komunikacji wielopunktowej nRF24L01, przy jednoczesnym zmniejszeniu ilości prac związanych z okablowaniem. Po zbudowaniu systemu autor testował go przez długi czas. Wyniki testów pokazują, że transmisja danych jest stabilna, niezawodna i ma wysoką wydajność w czasie rzeczywistym. Pokonuje niedociągnięcia tradycyjnego systemu poboru opłat RFID opartego na konstrukcji magistrali RS485 i ma dużą wartość użytkową.