Ένα νέο σχέδιο σχεδιασμού συστήματος φόρτισης RFID

1. Εισαγωγή

Η τεχνολογία RFID (Radio Frequency IDentification), δηλαδή η τεχνολογία αναγνώρισης ραδιοσυχνοτήτων, είναι μια τεχνολογία επικοινωνίας που χρησιμοποιείται σήμερα ευρέως σε διάφορες καταστάσεις φόρτισης, όπως συστήματα φόρτισης μέσων μαζικής μεταφοράς, συστήματα φόρτισης χώρων στάθμευσης κ.λπ. Τρέχοντα συστήματα που χρησιμοποιούν τεχνολογία RFID συνήθως χρησιμοποιήστε RS-485 και υπολογιστή για ανταλλαγή δεδομένων. Ωστόσο, το RS-485 χρησιμοποιεί έναν μόνο κύριο κόμβο και υιοθετεί τη λειτουργία ψηφοφορίας, επομένως υπάρχουν προβλήματα χαμηλής απόδοσης σε πραγματικό χρόνο και χαμηλής απόδοσης επικοινωνίας.

Με το συνεχές άλμα στο επίπεδο της επιστήμης των υπολογιστών και τις ανάγκες της βιομηχανικής ανάπτυξης, τα βιομηχανικά συστήματα ελέγχου γνώρισαν τη μετατροπή από συστήματα ελέγχου οργάνων βάσης, κεντρικά ψηφιακά συστήματα ελέγχου, κατανεμημένα συστήματα ελέγχου στα πλέον ευρέως χρησιμοποιούμενα συστήματα ελέγχου fieldbus. Ο δίαυλος CAN (Controller Area Net) είναι ένας δίαυλος πεδίου που βασίζεται σε σειριακό δίκτυο επικοινωνίας. Ο δίαυλος CAN υιοθετεί μια λειτουργία πολλαπλής κύριας λειτουργίας και οποιοσδήποτε κόμβος στο δίκτυο μπορεί να στείλει πληροφορίες σε άλλους κόμβους του δικτύου ανά πάσα στιγμή. Ταυτόχρονα, ο δίαυλος CAN χρησιμοποιεί μη καταστροφική τεχνολογία διαιτησίας. Όταν δύο ή περισσότεροι κόμβοι μεταδίδουν δεδομένα στο δίκτυο ταυτόχρονα, ο κόμβος με χαμηλότερη προτεραιότητα θα σταματήσει να στέλνει έως ότου ο κόμβος με υψηλότερη προτεραιότητα ολοκληρώσει την αποστολή των δεδομένων. Αυτό είναι αποτελεσματικό. για να αποφευχθεί η διαμάχη με το λεωφορείο. Η απόσταση επικοινωνίας CAN μπορεί να φτάσει έως και 10km/5kbps και ο ρυθμός επικοινωνίας μπορεί να φτάσει έως και 1Mbps. Κάθε πλαίσιο δεδομένων CAN διαθέτει έλεγχο CRC ή άλλες μεθόδους ανίχνευσης για τη διασφάλιση της αξιοπιστίας της επικοινωνίας δεδομένων.

Όταν παρουσιαστεί ένα σοβαρό σφάλμα σε έναν κόμβο CAN, ο κόμβος θα τερματιστεί αυτόματα, χωρίς να επηρεάσει την κανονική εργασία άλλων κόμβων. Επομένως, ο δίαυλος CAN έχει τα πλεονεκτήματα της ισχυρής αξιοπιστίας, της υψηλής απόδοσης σε πραγματικό χρόνο και της υψηλής απόδοσης, και μπορεί να αντικαταστήσει πλήρως τον δίαυλο RS 485.

Λαμβάνοντας υπόψη ότι σε πραγματικά περιβάλλοντα εφαρμογών, προκειμένου να μειωθεί μεγάλος όγκος εργασιών καλωδίωσης, το ασύρματο δίκτυο 2.4G χρησιμοποιείται ως σταθμός μεταφοράς για τη μετάδοση δεδομένων από το RFID στο δίαυλο CAN. Η ασύρματη τεχνολογία προσφέρει χαμηλό κόστος, ευελιξία, αξιοπιστία και σύντομο χρόνο εγκατάστασης. Αυτός ο σχεδιασμός χρησιμοποιεί το nRF24L01 για τη δημιουργία ενός ασύρματου δικτύου επικοινωνίας. Αυτό το τσιπ υποστηρίζει επικοινωνία πολλών σημείων και μπορεί να λάβει δεδομένα από 6 διαφορετικά κανάλια σε λειτουργία λήψης.

Δηλαδή, το άκρο λήψης του ασύρματου δικτύου μπορεί να λάβει δεδομένα από 6 διαφορετικά άκρα αποστολής. Τα δεδομένα από το άκρο αποστολής λαμβάνονται μέσω της μονάδας RFID.

Με βάση την παραπάνω συζήτηση, αυτό το άρθρο θα παρουσιάσει ένα νέο σύστημα φόρτισης RFID που βασίζεται σε δίαυλο CAN και ασύρματο δίκτυο 2.4G.

2 Σχεδιασμός συστήματος υλικού

2.1 Τοπολογία και σύνθεση συστήματος

2.1.1 Τοπολογία συστήματος

Όπως φαίνεται στο Σχήμα 1, τα σχετικά δεδομένα της συσκευής RFID θα μεταδοθούν στον πομποδέκτη CAN μέσω του ασύρματου δικτύου και ο τελευταίος θα μεταδώσει τα δεδομένα στον υπολογιστή μέσω του διαύλου CAN. Ο υπολογιστής χρησιμοποιεί μια κάρτα επέκτασης PCI-E με διασύνδεση CAN. Επιπλέον, το τσιπ ασύρματης επικοινωνίας nRF24L01 μπορεί να λάβει δεδομένα από 6 διαφορετικά κανάλια στη λειτουργία λήψης, δημιουργώντας έτσι έναν κόμβο CAN για τον έλεγχο της μετάδοσης δεδομένων έως και 6 τερματικών συσκευών RFID. Όταν έξι τερματικά φόρτισης RFID δεν μπορούν να καλύψουν τη ζήτηση, μπορούν να προστεθούν περισσότεροι κόμβοι. Όλοι οι κόμβοι είναι τοποθετημένοι στον δίαυλο CAN. Μέσω του διαύλου CAN, κάθε κόμβος μεταδίδει δεδομένα στον υπολογιστή.

2.1.2 Σύνθεση συστήματος

Αυτό το σύστημα (κόμβος CAN) αποτελείται από δύο υποσυστήματα. Το υποσύστημα Β αποτελείται από μικροελεγκτή, μονάδα RFID, ασύρματη μονάδα, Watchdog, οθόνη LCD, μονάδα ρολογιού, κουμπιά και EEPROM. Ο μικροελεγκτής (MCU) ελέγχει τη μονάδα RFID για την ανάγνωση και εγγραφή της κάρτας Mifare 1 και η ασύρματη μονάδα στέλνει τα σχετικά δεδομένα στο υποσύστημα A. Το υποσύστημα Α αποτελείται από μικροελεγκτή, ασύρματη μονάδα, φύλακα και μονάδα CAN. Το MCU στέλνει τα δεδομένα που λαμβάνονται μέσω της ασύρματης μονάδας στον υπολογιστή μέσω της μονάδας CAN. Δεδομένου ότι ένας κόμβος μπορεί να ελέγξει έως και 6 τερματικά συσκευών RFID, σε ένα πλήρες σύστημα, υπάρχει μόνο 1 υποσύστημα Α, ενώ μπορεί να υπάρχουν έως και 6 υποσυστήματα Β.

2.2 Μικροελεγκτής

Ο μικροελεγκτής είναι ο STC89LE58RD+, ο οποίος διαθέτει τέσσερις παράλληλες θύρες I/O P0~P3 8 bit, μία παράλληλη θύρα 4 bit P4, 32 KB FLASHROM, 1280 byte RAM, 3 χρονόμετρα, 8 πηγές διακοπών και 4 σύστημα διακοπής προτεραιότητας. Η απόδοσή του ανταποκρίνεται πλήρως στις σχεδιαστικές απαιτήσεις.

2.3 Μονάδα CAN

Η υλοποίηση υλικού του διαύλου CAN χρησιμοποιεί Philips' SJA1000 και PCA82C250.

2.3.1 Εισαγωγή chip SJA1000

Το SJA1000 είναι ένας ανεξάρτητος ελεγκτής CAN. Υποστηρίζει τη λειτουργία επέκτασης λειτουργίας PeliCAN (με χρήση πρωτοκόλλου CAN2.0B), διαθέτει αναγνωριστικά 11-bit ή 29-bit, FIFO λήψης 64 byte, μηχανισμό διαιτησίας και ισχυρές δυνατότητες ανίχνευσης σφαλμάτων κ.λπ.

2.3.2 Εισαγωγή chip PCA82C250

Ο PCA82C250 είναι ένας πομποδέκτης διαύλου CAN, ο οποίος έχει σχεδιαστεί κυρίως για εφαρμογές επικοινωνίας μεσαίας προς υψηλή ταχύτητα (έως 1Mbps) σε αυτοκίνητα. Μπορεί να αντισταθεί σε ένα ευρύ φάσμα παρεμβολών λειτουργίας και ηλεκτρομαγνητικών παρεμβολών (EMI), να μειώσει τις παρεμβολές ραδιοσυχνοτήτων (RFI) και διαθέτει λειτουργίες θερμικής προστασίας. Μπορούν να συνδεθούν έως και 110 κόμβοι.

2.3.3 Σύνδεση διεπαφής υλικού

Όπως φαίνεται στο σχήμα 4, η θύρα P1 χρησιμοποιείται ως πολυπλεγμένος δίαυλος διευθύνσεων/δεδομένων για σύνδεση στη θύρα AD του SJA1000 και το P2.0 συνδέεται με το τμήμα επιλογής chip CS του SJA1000, καθιστώντας το SJA1000 μια συσκευή εισόδου/εξόδου για αντιστοίχιση περιφερειακής μνήμης του μικροελεγκτή. Επιπλέον, τα RX0 και TX0 του SJA1000 συνδέονται με τα RXD και TXD του PCA82C250.

2.4 Ασύρματη μονάδα

2.4.1 Εισαγωγή τσιπ nRF24L01

Το ασύρματο τσιπ είναι nRF24L01. Είναι ένα τσιπ ασύρματου πομποδέκτη ραδιοσυχνοτήτων 2,4 GHz με ρυθμό μετάδοσης έως 2 Mbps, υποστηρίζει 125 προαιρετικές συχνότητες λειτουργίας, διαθέτει λειτουργίες ελέγχου διεύθυνσης και CRC και παρέχει διεπαφή SPI.

Διαθέτει ειδική ακίδα διακοπής, υποστηρίζει 3 πηγές διακοπής και μπορεί να στείλει σήματα διακοπής στο MCU. Διαθέτει λειτουργία αυτόματης απόκρισης, καταγράφει τη διεύθυνση αφού επιβεβαιώσει τη λήψη των δεδομένων και στέλνει ένα σήμα απόκρισης χρησιμοποιώντας αυτή τη διεύθυνση ως διεύθυνση στόχο. Υποστηρίζει τη λειτουργία ShockBurstTM, σε αυτήν τη λειτουργία, το nRF24L01 μπορεί να συνδεθεί σε MCU χαμηλής ταχύτητας. Το nRF24L01 μπορεί να λάβει δεδομένα από 6 διαφορετικά κανάλια σε λειτουργία λήψης.

2.4.2 Σύνδεση διεπαφής υλικού nRF24L01

Όπως φαίνεται στο Σχήμα 5, ο μικροελεγκτής επικοινωνεί με το nRF24L01 προσομοιώνοντας το χρονισμό του διαύλου SPI. Ο εξωτερικός ακροδέκτης διακοπής IRQ συνδέεται στο P3.2 (εξωτερική διακοπή 0) του μικροελεγκτή.

2.5 Μονάδα RFID

2.5.1 Εισαγωγή chip MF RC500

Η μονάδα RFID χρησιμοποιεί Philips' MF RC500, το οποίο είναι ένα από τα ευρέως χρησιμοποιούμενα τσιπ RFID. Το MF RC500 υποστηρίζει πρωτόκολλο ISO14443A και κάρτα διπλής διασύνδεσης MIFARE. Διαθέτει ένα εξαιρετικά ενσωματωμένο αναλογικό κύκλωμα στο εσωτερικό του για αποδιαμόρφωση και αποκωδικοποίηση της κάρτας απόκρισης και διαθέτει buffer FIFO πομποδέκτη 64 byte και μη πτητική μνήμη κλειδιού. Επιπλέον, υπάρχει μια ειδική ακίδα διακοπής που υποστηρίζει 6 πηγές διακοπής και μπορεί να στείλει σήματα διακοπής στο MCU.

2.5.2 Σύνδεση διεπαφής υλικού MF RC500

Όπως φαίνεται στο Σχήμα 6, η MCU έχει πρόσβαση στους καταχωρητές στο MF RC500 ως εξωτερική μνήμη RAM. Η ακίδα INT παραμένει αιωρούμενη και η συνάρτηση διακοπής δεν χρησιμοποιείται.

3 Σχεδιασμός συστήματος λογισμικού

Στο πρόγραμμα αρχικοποίησης μικροελεγκτή, η εξωτερική διακοπή του υποσυστήματος Α ρυθμίζεται σε χαμηλή στάθμη ενεργοποίησης. Η πηγή σήματος διακοπής του υποσυστήματος Α παρέχεται από το nRF24L01. Όταν το nRF24L01 λαμβάνει τα δεδομένα, δημιουργεί ένα σήμα διακοπής για να ειδοποιήσει το MCU να διαβάσει τα δεδομένα. Το υποσύστημα Β δεν χρησιμοποιεί λειτουργία διακοπής.

Στο πρόγραμμα προετοιμασίας nRF24L01, το υποσύστημα Β έχει ρυθμιστεί σε λειτουργία μετάδοσης και χρησιμοποιεί έλεγχο CRC 16-bit. Για να χρησιμοποιήσετε τη λειτουργία αυτόματης απόκρισης, το κανάλι δεδομένων 0 έχει ρυθμιστεί να λαμβάνει το σήμα απόκρισης και η διεύθυνση λήψης του καναλιού δεδομένων 0 πρέπει να είναι ίση με τη διεύθυνση του αποστολέα για να διασφαλιστεί ότι το σήμα απόκρισης μπορεί να ληφθεί σωστά. Ένα σύστημα μπορεί να αποτελείται από έως και έξι υποσυστήματα Α και οι διευθύνσεις αποστολής αυτών των έξι υποσυστημάτων δεν μπορούν να επαναληφθούν. Το υποσύστημα Α έχει ρυθμιστεί σε λειτουργία λήψης, χρησιμοποιεί έλεγχο CRC 16-bit και μπορεί να λάβει έως και 6 κανάλια δεδομένων. Αυτές οι 6 διευθύνσεις λήψης είναι ίσες με τις διευθύνσεις αποστολής σε κάθε υποσύστημα Β. Στην αρχική δοκιμή του SJA1000, χρησιμοποιείται η λειτουργία PliCAN, ο ρυθμός baud είναι 125 Kbps και οι διακοπές λήψης και αποστολής απαγορεύονται. η διαμόρφωση του μητρώου ελέγχου εξόδου είναι η εξής: κανονική λειτουργία, αναδυόμενο TX και πολικότητα ελέγχου εξόδου. Επιπλέον, ο καταχωρητής κωδικών αποδοχής και ο καταχωρητής μάσκας αποδοχής πρέπει να διαμορφωθούν σωστά. Αυτή η διαμόρφωση χρησιμοποιείται για την υλοποίηση της συνάρτησης διαιτησίας διαύλου CAN.

Κατά την προετοιμασία του MF RC500, οι κύριες ρυθμίσεις του είναι οι εξής: οι έξοδοι των TX1 και TX2 έχουν διαμορφωθεί ως 13.Φορείς ενέργειας 56MHz. η πηγή εισόδου του αποκωδικοποιητή είναι ο εσωτερικός αποδιαμορφωτής. χρησιμοποιήστε το ρολόι Q ως ρολόι δέκτη. απενεργοποιήστε τις διακοπές μετάδοσης και λήψης. set RxThreshold Η τιμή καταχωρητή είναι 0xFF, η τιμή καταχωρητή BitPhase είναι 0xAD, κ.λπ.

Η λειτουργία αιτήματος επαναφοράς θα αναζητήσει την κάρτα Mifare1 εντός του ενεργού εύρους της κεραίας. Εάν υπάρχει κάρτα, θα δημιουργηθεί μια σύνδεση επικοινωνίας και θα διαβαστεί ο αριθμός τύπου κάρτας TAGTYPE στην κάρτα. Η λειτουργία κατά της σύγκρουσης επιτρέπει στο MF RC500 να επιλέξει μία από τις πολλαπλές κάρτες Mifare 1. Άνοιξε. Η λειτουργία επιλογής κάρτας μπορεί να επικοινωνήσει με κάρτες με γνωστούς σειριακούς αριθμούς. Η λειτουργία ελέγχου ταυτότητας ταιριάζει με τον κωδικό πρόσβασης στην κάρτα Mifare 1 με το κλειδί στην EEPROM του MF RC500.

Μόνο αφού η αντιστοίχιση είναι σωστή, μπορούν να εκτελεστούν οι λειτουργίες ανάγνωσης και εγγραφής. Στείλτε μια εντολή τερματισμού λειτουργίας για να ρυθμίσετε την κάρτα Mifare 1 στη ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΑΠΑΞΗΣ.

Η λειτουργία CAN χρησιμοποιείται για την αποστολή σχετικών δεδομένων στον υπολογιστή. Αυτός ο σχεδιασμός χρησιμοποιεί τη λειτουργία ερωτήματος για να διασφαλίσει ότι τα δεδομένα έχουν σταλεί. Μπορείτε να επιβεβαιώσετε εάν η μετάδοση δεδομένων ολοκληρώθηκε υποβάλλοντας ερώτημα στα bit σημαίας TBS, TCS και TS στον καταχωρητή κατάστασης. Ομοίως, στην ασύρματη λειτουργία, για να βεβαιωθείτε ότι έχουν σταλεί τα δεδομένα, απλώς υποβάλετε ερώτημα στο TX_DS στο μητρώο κατάστασης.

4 Δοκιμή συστήματος

Πρώτα, δοκιμάστηκε η μονάδα RFID. Τοποθετήστε την κάρτα MIFARE 1 εντός του ενεργού εύρους της κεραίας, εκτελέστε λειτουργίες ανάγνωσης και εγγραφής στην κάρτα και εμφανίστε τα σχετικά δεδομένα στην οθόνη LCD. Μετά από αυτή τη δοκιμή, η μονάδα RFID διαβάζει και γράφει κανονικά. Στη συνέχεια, ελέγχεται η απόδοση του δικτύου μεταφοράς του συστήματος σε πραγματικό χρόνο. Αυτό το άρθρο χρησιμοποιεί ασύρματη μετάδοση δεδομένων θερμοκρασίας για δοκιμές. Η συσκευή μέτρησης θερμοκρασίας είναι ένας αισθητήρας θερμοκρασίας μονού καλωδίου DS18B20. Συνδέστε τον αισθητήρα θερμοκρασίας στο υποσύστημα Β. Ο αισθητήρας θερμοκρασίας λαμβάνει δείγματα της εσωτερικής θερμοκρασίας κάθε δευτερόλεπτο. Ο μικροελεγκτής διαβάζει τα δεδομένα θερμοκρασίας και τα στέλνει στο υποσύστημα Α μέσω του ασύρματου δικτύου. Το υποσύστημα Α λαμβάνει τα δεδομένα και τα στέλνει μέσω του διαύλου CAN. στον υπολογιστή.

Στην πλευρά του υπολογιστή, η Visual Basic 6.0 χρησιμοποιείται για τη σύνταξη του προγράμματος του κεντρικού υπολογιστή. Ο κεντρικός υπολογιστής αντλεί τα δεδομένα θερμοκρασίας σε μια καμπύλη και τα γράφει σε κείμενο. Η καμπύλη θερμοκρασίας φαίνεται στο Σχήμα 8, όπου η ακρίβεια των τιμών θερμοκρασίας είναι 1 βαθμός Κελσίου. Μέσω της συγκριτικής παρατήρησης του γραφήματος της καμπύλης θερμοκρασίας και των δεδομένων κειμένου, διαπιστώθηκε ότι δεν υπήρχε καμία ανωμαλία στα δεδομένα θερμοκρασίας και καμία απώλεια δεδομένων.

  5. Συμπέρασμα

Αυτό το άρθρο χρησιμοποιεί το δίαυλο CAN για να αντικαταστήσει το δίαυλο RS-485, ξεπερνώντας τις αδυναμίες του τελευταίου. Η ασύρματη τεχνολογία χρησιμοποιείται επίσης για την πλήρη αξιοποίηση της λειτουργίας επικοινωνίας πολλαπλών σημείων του nRF24L01, ενώ μειώνεται η πολλή εργασία καλωδίωσης. Μετά την κατασκευή του συστήματος, ο συγγραφέας δοκίμασε το σύστημα για μεγάλο χρονικό διάστημα. Τα αποτελέσματα των δοκιμών δείχνουν ότι η μετάδοση δεδομένων είναι σταθερή, αξιόπιστη και έχει υψηλή απόδοση σε πραγματικό χρόνο. Ξεπερνά τις ελλείψεις του παραδοσιακού συστήματος είσπραξης διοδίων RFID που βασίζεται στη σχεδίαση του διαύλου RS485 και έχει ισχυρή αξία χρήσης.