Een nieuw ontwerp voor een RFID-laadsysteem

1 Inleiding

RFID (Radio Frequency IDentification) technologie, dat wil zeggen radiofrequentie-identificatietechnologie, is een communicatietechnologie die momenteel veel wordt gebruikt in verschillende laadsituaties, zoals laadsystemen voor het openbaar vervoer, laadsystemen voor parkeerplaatsen, enz. Huidige systemen die RFID-technologie gebruiken, gebruiken meestal RS-485 en pc voor gegevensuitwisseling. RS-485 gebruikt echter één masterknooppunt en maakt gebruik van de polling-modus, dus er zijn problemen met lage realtimeprestaties en lage communicatie-efficiëntie.

Met de voortdurende sprong in het niveau van computerwetenschappen en de behoeften van industriële ontwikkeling, hebben industriële besturingssystemen de transformatie ondergaan van basisinstrumentbesturingssystemen, gecentraliseerde digitale besturingssystemen, gedistribueerde besturingssystemen naar de nu veelgebruikte veldbusbesturingssystemen. CAN (Controller Area Net) bus is een veldbus op basis van een serieel communicatienetwerk. De CAN-bus gebruikt een multi-master-werkmodus en elk knooppunt in het netwerk kan op elk gewenst moment informatie naar andere knooppunten in het netwerk sturen. Tegelijkertijd gebruikt de CAN-bus niet-destructieve arbitragetechnologie. Wanneer twee of meer knooppunten tegelijkertijd gegevens naar het netwerk verzenden, stopt het knooppunt met een lagere prioriteit met verzenden totdat het knooppunt met een hogere prioriteit klaar is met het verzenden van de gegevens. Dit is effectief om busconflicten te voorkomen. De CAN-communicatieafstand kan oplopen tot 10 km/5 kbps en de communicatiesnelheid kan oplopen tot 1 Mbps. Elk frame met CAN-gegevens heeft een CRC-controle of andere detectiemethoden om de betrouwbaarheid van de gegevenscommunicatie te garanderen.

Wanneer er een ernstige fout optreedt in een CAN-knooppunt, wordt het knooppunt automatisch uitgeschakeld, waardoor het normale werk van andere knooppunten niet wordt beïnvloed. Daarom heeft de CAN-bus de voordelen van een hoge betrouwbaarheid, hoge realtimeprestaties en hoge efficiëntie en kan het de RS 485-bus volledig vervangen.

Aangezien in werkelijke toepassingsomgevingen, om een grote hoeveelheid bedradingswerk te verminderen, het 2.4G draadloze netwerk wordt gebruikt als een overdrachtsstation voor gegevensoverdracht van RFID naar de CAN-bus. Draadloze technologie biedt lage kosten, flexibiliteit, betrouwbaarheid en korte installatietijd. Dit ontwerp gebruikt nRF24L01 om een draadloos communicatienetwerk te bouwen. Deze chip ondersteunt multi-point communicatie en kan gegevens ontvangen van 6 verschillende kanalen in de ontvangstmodus.

Dat wil zeggen, het ontvangende uiteinde van het draadloze netwerk kan gegevens ontvangen van 6 verschillende verzendende uiteinden. De gegevens van het verzendende uiteinde worden verkregen via de RFID-module.

Gebaseerd op de bovenstaande discussie, zal dit artikel een nieuw RFID-laadsysteem presenteren op basis van CAN-bus en 2.4G draadloos netwerk.

2 Hardwaresysteemontwerp

2.1 Systeemtopologie en systeemsamenstelling

2.1.1 Systeemtopologie

Zoals weergegeven in Afbeelding 1, worden de relevante gegevens van het RFID-apparaat via het draadloze netwerk naar de CAN-transceiver verzonden, en deze laatste verzendt de gegevens vervolgens via de CAN-bus naar de pc. De pc gebruikt een PCI-E-uitbreidingskaart met een CAN-interface. Bovendien kan de draadloze communicatiechip nRF24L01 gegevens ontvangen van 6 verschillende kanalen in de ontvangstmodus, waardoor een CAN-knooppunt wordt gerealiseerd om de gegevensoverdracht van maximaal 6 RFID-terminalapparaten te regelen. Wanneer zes RFID-laadterminals niet aan de vraag kunnen voldoen, kunnen er meer knooppunten worden toegevoegd. Alle knooppunten worden op de CAN-bus gemonteerd. Via de CAN-bus verzendt elk knooppunt gegevens naar de pc.

2.1.2 Systeemsamenstelling

Dit systeem (CAN-knooppunt) bestaat uit twee subsystemen. Subsysteem B bestaat uit een microcontroller, RFID-module, draadloze module, watchdog, LCD-scherm, klokmodule, knoppen en EEPROM. De microcontroller (MCU) bestuurt de RFID-module om de Mifare 1-kaart te lezen en te schrijven, en de draadloze module verzendt de relevante gegevens naar subsysteem A. Subsysteem A bestaat uit een microcontroller, draadloze module, watchdog en CAN-module. De MCU verzendt de via de draadloze module ontvangen gegevens via de CAN-module naar de pc. Omdat één knooppunt maximaal 6 RFID-apparaatterminals kan besturen, is er in een compleet systeem slechts 1 subsysteem A, terwijl er maximaal 6 subsystemen B kunnen zijn.

2.2 Microcontroller

De microcontroller is STC89LE58RD+, die vier 8-bits parallelle I/O-poorten P0~P3, één 4-bits parallelle poort P4, 32 KB FLASHROM, 1280 bytes RAM, 3 timers, 8 interruptbronnen en 4 interrupts Priority interrupt-systeem heeft. De prestaties voldoen volledig aan de ontwerpvereisten.

2.3 CAN-module

De hardware-implementatie van de CAN-bus maakt gebruik van Philips' SJA1000 en PCA82C250.

2.3.1 Introductie SJA1000-chip

SJA1000 is een onafhankelijke CAN-controller. Het ondersteunt de PeliCAN-modusuitbreidingsfunctie (met behulp van het CAN2.0B-protocol), heeft 11-bits of 29-bits identifiers, 64-byte ontvangende FIFO, arbitragemechanisme en krachtige foutdetectiemogelijkheden, enz.

2.3.2 Introductie PCA82C250-chip

PCA82C250 is een CAN-bustransceiver, die voornamelijk is ontworpen voor communicatietoepassingen met gemiddelde tot hoge snelheid (tot 1 Mbps) in auto's. Het kan een breed scala aan werkmodusinterferentie en elektromagnetische interferentie (EMI) weerstaan, radiofrequentie-interferentie (RFI) verminderen en heeft thermische beschermingsfuncties. Er kunnen maximaal 110 knooppunten worden aangesloten.

2.3.3 Hardware-interfaceverbinding

Zoals weergegeven in Afbeelding 4, wordt de P1-poort gebruikt als een gemultiplexte adres-/databus om verbinding te maken met de AD-poort van SJA1000, en P2.0 is verbonden met de chipselectiesectie CS van SJA1000, waardoor SJA1000 een I/O-apparaat is voor perifere geheugentoewijzing van de microcontroller. Bovendien zijn RX0 en TX0 van SJA1000 verbonden met RXD en TXD van PCA82C250.

2.4 Draadloze module

2.4.1 Introductie nRF24L01-chip

De draadloze chip is nRF24L01. Het is een 2,4GHz draadloze radiofrequentie-transceiverchip met een transmissiesnelheid tot 2 Mbps, ondersteunt 125 optionele werkfrequenties, heeft adres- en CRC-controlefuncties en biedt een SPI-interface.

Het heeft een speciale interrupt-pin, ondersteunt 3 interruptbronnen en kan interruptsignalen naar de MCU sturen. Het heeft een automatische responsfunctie, registreert het adres na bevestiging van de ontvangst van gegevens en stuurt een responssignaal met dit adres als doeladres. Ondersteunt ShockBurstTM-modus, in deze modus kan nRF24L01 worden aangesloten op een MCU met lage snelheid. nRF24L01 kan gegevens ontvangen van 6 verschillende kanalen in de ontvangstmodus.

2.4.2 nRF24L01 hardware-interfaceverbinding

Zoals weergegeven in Afbeelding 5 communiceert de microcontroller met nRF24L01 door SPI-bustiming te simuleren. De externe interrupt-pin IRQ is aangesloten op P3.2 (externe interrupt 0) van de microcontroller.

2.5 RFID-module

2.5.1 MF RC500-chipintroductie

De RFID-module maakt gebruik van Philips' MF RC500, een van de momenteel veelgebruikte RFID-chips. MF RC500 ondersteunt het ISO14443A-protocol en de MIFARE dual interface-kaart. Het heeft een sterk geïntegreerd analoog circuit voor demodulatie en decodering van de responskaart en heeft een 64-byte transceiver FIFO-buffer en niet-vluchtig sleutelgeheugen. Daarnaast is er een speciale interrupt-pin die 6 interrupt-bronnen ondersteunt en interrupt-signalen naar de MCU kan sturen.

2.5.2 MF RC500 hardware-interfaceverbinding

Zoals weergegeven in Afbeelding 6, benadert de MCU de registers in de MF RC500 als extern RAM. De INT-pin blijft zwevend en de interruptfunctie wordt niet gebruikt.

3 Softwaresysteemontwerp

In het initialisatiemicrocontrollerprogramma wordt de externe interrupt van subsysteem A ingesteld op low level trigger. De interruptsignaalbron van subsysteem A wordt geleverd door nRF24L01. Wanneer nRF24L01 de gegevens ontvangt, genereert het een interruptsignaal om de MCU te laten weten dat de gegevens moeten worden gelezen. Subsysteem B gebruikt geen interruptfunctionaliteit.

In het initialisatieprogramma nRF24L01 is subsysteem B geconfigureerd in de verzendmodus en gebruikt het 16-bits CRC-controle. Om de automatische responsfunctie te gebruiken, wordt datakanaal 0 ingesteld om het responssignaal te ontvangen en moet het ontvangstadres van datakanaal 0 gelijk zijn aan het adres van de verzender om ervoor te zorgen dat het responssignaal correct kan worden ontvangen. Een systeem kan bestaan uit maximaal zes subsystemen A en de verzendadressen van deze zes subsystemen kunnen niet worden herhaald. Subsysteem A is geconfigureerd in de ontvangstmodus, gebruikt 16-bits CRC-controle en kan maximaal 6 kanalen met data ontvangen. Deze 6 ontvangstadressen zijn gelijk aan de verzendadressen in elk subsysteem B. In de initiële test van SJA1000 wordt de PliCAN-modus gebruikt, is de baudrate 125 Kbps en zijn ontvangende en verzendende interrupts verboden; de configuratie van het uitvoercontroleregister is als volgt: normale modus, TX pull-down en uitvoercontrolepolariteit. Bovendien moeten het acceptatiecoderegister en het acceptatiemaskerregister correct worden geconfigureerd. Deze configuratie wordt gebruikt om de CAN-busarbitragefunctie te implementeren.

Bij het initialiseren van de MF RC500 zijn de belangrijkste instellingen als volgt: de uitgangen van TX1 en TX2 worden geconfigureerd als 13.56MHz energiedragers; de invoerbron van de decoder is de interne demodulator; gebruik de Q-klok als de ontvangerklok; schakel verzend- en ontvangstinterrupts uit; stel RxThreshold in De registerwaarde is 0xFF, de BitPhase-registerwaarde is 0xAD, enz.

De resetverzoekfunctie zoekt naar de Mifare1-kaart binnen het effectieve bereik van de antenne. Als er een kaart bestaat, wordt er een communicatieverbinding tot stand gebracht en wordt het kaarttypenummer TAGTYPE op de kaart gelezen. De antibotsingsfunctie stelt de MF RC500 in staat om een van meerdere Mifare 1-kaarten te selecteren. openen. De kaartselectiefunctie kan communiceren met kaarten met bekende serienummers. De authenticatiefunctie vergelijkt het wachtwoord op de Mifare 1-kaart met de sleutel in het EEPROM van de MF RC500.

Pas nadat de matching correct is, kunnen de lees- en schrijfbewerkingen worden uitgevoerd. Stuur een shutdown-opdracht om de Mifare 1-kaart in de HALT MODE te zetten.

De CAN-functie wordt gebruikt om relevante gegevens naar de pc te sturen. Dit ontwerp gebruikt de querymodus om ervoor te zorgen dat de gegevens zijn verzonden. U kunt bevestigen of de gegevensoverdracht is voltooid door de vlagbits TBS, TCS en TS in het statusregister te raadplegen. Op dezelfde manier kunt u in de draadloze functie gewoon de TX_DS in het statusregister raadplegen om ervoor te zorgen dat de gegevens zijn verzonden.

4 Systeemtesten

Eerst werd de RFID-module getest. Plaats de MIFARE 1-kaart binnen het effectieve bereik van de antenne, voer lees- en schrijfbewerkingen uit op de kaart en geef de relevante gegevens weer op het LCD-scherm. Na deze test leest en schrijft de RFID-module normaal. Vervolgens worden de realtimeprestaties van het transmissienetwerk van het systeem getest. Dit artikel gebruikt draadloze transmissie van temperatuurgegevens voor testen. Het apparaat voor het meten van de temperatuur is een DS18B20 single-wire temperatuursensor. Sluit de temperatuursensor aan op subsysteem B. De temperatuursensor bemonstert elke seconde de binnentemperatuur. De microcontroller leest de temperatuurgegevens en stuurt deze via het draadloze netwerk naar subsysteem A. Subsysteem A ontvangt de gegevens en stuurt deze via de CAN-bus. naar pc.

Aan de pc-kant wordt Visual Basic 6.0 gebruikt om het hostcomputerprogramma te schrijven. De hostcomputer tekent de temperatuurgegevens in een curve en schrijft deze in tekst. De temperatuurcurve wordt weergegeven in Afbeelding 8, waarbij de nauwkeurigheid van de temperatuurwaarden 1 graad Celsius is. Door vergelijkende observatie van de grafiek van de temperatuurcurve en tekstgegevens werd vastgesteld dat er geen afwijkingen waren in de temperatuurgegevens en geen gegevensverlies.

  5 Conclusie

Dit artikel gebruikt de CAN-bus om de RS-485-bus te vervangen, waardoor de tekortkomingen van de laatste worden overwonnen. Draadloze technologie wordt ook gebruikt om de multi-point communicatiefunctie van nRF24L01 volledig te benutten en tegelijkertijd veel bedradingswerk te verminderen. Nadat het systeem was gebouwd, testte de auteur het systeem lange tijd. De testresultaten tonen aan dat de gegevensoverdracht stabiel, betrouwbaar is en hoge realtimeprestaties heeft. Het overwint de tekortkomingen van het traditionele RFID-tolsysteem op basis van RS485-busontwerp en heeft een sterke gebruikswaarde.