Uusi RFID-latausjärjestelmän suunnittelujärjestelmä

1. Esittely

RFID (Radio Frequency IDentification) -Tekniikka eli radiotaajuustunnistustekniikka on viestintätekniikka, jota käytetään tällä hetkellä laajalti erilaisissa lataustilanteissa, kuten joukkoliikenteen latausjärjestelmissä, parkkipaikkojen latausjärjestelmissä jne. Nykyiset RFID-tekniikkaa käyttävät järjestelmät yleensä käytä RS-485:tä ja PC:tä tiedonsiirtoon. RS-485 käyttää kuitenkin yhtä isäntäsolmua ja ottaa kyselyn käyttöön, joten ongelmia on alhainen reaaliaikainen suorituskyky ja alhainen viestintätehokkuus.

Tietojenkäsittelytieteen tason jatkuvan harppauksen ja teollisuuden kehitystarpeiden myötä teollisuuden ohjausjärjestelmät ovat kokeneet muutoksen perusinstrumenttiohjausjärjestelmistä, keskitetyistä digitaalisista ohjausjärjestelmistä, hajautetuista ohjausjärjestelmistä nykyään laajalti käytettyihin kenttäväyläohjausjärjestelmiin. CAN (Controller Area Net) -väylä on sarjaliikenneverkkoon perustuva kenttäväylä. CAN-väylä ottaa käyttöön usean isännän työtilan, ja mikä tahansa verkon solmu voi lähettää tietoa muille verkon solmuille milloin tahansa. Samaan aikaan CAN-väylässä käytetään hajoamatonta sovittelutekniikkaa. Kun kaksi tai useampi solmu lähettää dataa verkkoon samanaikaisesti, matalamman prioriteetin solmu lopettaa lähettämisen, kunnes korkeamman prioriteetin solmu on lopettanut tiedon lähettämisen. Tämä on tehokasta. bussikiistan välttämiseksi. CAN-viestintäetäisyys voi olla jopa 10 km/5 kbps ja tiedonsiirtonopeus jopa 1 Mbps. Jokaisessa CAN-datan kehyksessä on CRC-tarkistus tai muita tunnistusmenetelmiä tiedonsiirron luotettavuuden varmistamiseksi.

Kun CAN-solmussa tapahtuu vakava virhe, solmu sammuu automaattisesti, mikä ei vaikuta muiden solmujen normaaliin toimintaan. Siksi CAN-väylällä on vahva luotettavuus, korkea reaaliaikainen suorituskyky ja korkea hyötysuhde, ja se voi korvata RS 485 -väylän kokonaan.

Ottaen huomioon, että todellisissa sovellusympäristöissä suuren johdotustyön vähentämiseksi 2.4G langatonta verkkoa käytetään tiedonsiirtoasemana RFID:stä CAN-väylään. Langaton tekniikka tarjoaa alhaiset kustannukset, joustavuuden, luotettavuuden ja lyhyen asennusajan. Tämä suunnittelu käyttää nRF24L01:tä langattoman viestintäverkon rakentamiseen. Tämä siru tukee monipisteviestintää ja voi vastaanottaa dataa 6 eri kanavalta vastaanottotilassa.

Toisin sanoen langattoman verkon vastaanottopää voi vastaanottaa dataa 6 eri lähetyspäästä. Lähetyspään tiedot saadaan RFID-moduulin kautta.

Yllä olevan keskustelun pohjalta tämä artikkeli esittelee uuden RFID-latausjärjestelmän, joka perustuu CAN-väylään ja 2.4G langattomaan verkkoon.

2 Laitteistojärjestelmän suunnittelu

2.1 Järjestelmän topologia ja järjestelmän koostumus

2.1.1 Järjestelmän topologia

Kuten kuvassa 1 on esitetty, RFID-laitteen asiaankuuluvat tiedot välitetään langattoman verkon kautta CAN-lähetin-vastaanottimelle, joka lähettää tiedot PC:lle CAN-väylän kautta. PC käyttää PCI-E-laajennuskorttia, jossa on CAN-liitäntä. Lisäksi langaton kommunikaatiosiru nRF24L01 voi vastaanottaa dataa 6 eri kanavalta vastaanottotilassa, jolloin se toteuttaa CAN-solmun ohjaamaan jopa kuuden RFID-päätelaitteen tiedonsiirtoa. Kun kuusi RFID-latauspäätettä ei pysty vastaamaan kysyntään, voidaan lisätä lisää solmuja. Kaikki solmut on asennettu CAN-väylään. CAN-väylän kautta jokainen solmu lähettää dataa PC:lle.

2.1.2 Järjestelmän kokoonpano

Tämä järjestelmä (CAN-solmu) koostuu kahdesta alijärjestelmästä. Alijärjestelmä B koostuu mikro-ohjaimesta, RFID-moduulista, langattomasta moduulista, vahtikoirasta, LCD-näytöstä, kellomoduulista, painikkeista ja EEPROM-muistista. Mikro-ohjain (MCU) ohjaa RFID-moduulia lukemaan ja kirjoittamaan Mifare 1 -korttia, ja langaton moduuli lähettää tarvittavat tiedot A-alijärjestelmään. Alajärjestelmä A koostuu mikrokontrollerista, langattomasta moduulista, vahtikoirasta ja CAN-moduulista. MCU lähettää langattoman moduulin kautta vastaanotetut tiedot PC:lle CAN-moduulin kautta. Koska yksi solmu voi ohjata jopa kuutta RFID-laitepäätettä, täydellisessä järjestelmässä on vain 1 alijärjestelmä A, kun taas alijärjestelmiä B voi olla enintään 6.

2.2 Mikro-ohjain

Mikro-ohjain on STC89LE58RD+, jossa on neljä 8-bittistä rinnakkais-I/O-porttia P0-P3, yksi 4-bittinen rinnakkaisportti P4, 32KB FLASHROM, 1280 tavua RAM-muistia, 3 ajastinta, 8 keskeytyslähdettä ja 4 keskeytystä Priority keskeytysjärjestelmä. Sen suorituskyky täyttää täysin suunnitteluvaatimukset.

2.3 CAN-moduuli

CAN-väylän laitteistototeutus käyttää Philipsin' SJA1000 ja PCA82C250.

2.3.1 SJA1000-sirun esittely

SJA1000 on itsenäinen CAN-ohjain. Se tukee PeliCAN-tilan laajennustoimintoa (käyttäen CAN2.0B-protokollaa), siinä on 11-bittiset tai 29-bittiset tunnisteet, 64-tavuinen FIFO-vastaanotto, sovittelumekanismi ja tehokkaat virheiden havaitsemisominaisuudet jne.

2.3.2 PCA82C250-sirun esittely

PCA82C250 on CAN-väylälähetin-vastaanotin, joka on suunniteltu pääasiassa keskinopeisiin ja nopeisiin tietoliikennesovelluksiin (jopa 1 Mbps) autoissa. Se kestää monenlaisia työtilan häiriöitä ja sähkömagneettisia häiriöitä (EMI), vähentää radiotaajuushäiriöitä (RFI) ja siinä on lämpösuojaustoimintoja. Jopa 110 solmua voidaan yhdistää.

2.3.3 Laitteistoliitäntä

Kuten kuvassa 4 näkyy, P1-porttia käytetään multipleksoituna osoite-/dataväylänä muodostamaan yhteys SJA1000:n AD-porttiin, ja P2.0 on kytketty SJA1000:n siruvalintaosaan CS, mikä tekee SJA1000:sta I/O-laitteen mikro-ohjaimen oheismuistin kartoitus. Lisäksi SJA1000:n RX0 ja TX0 on kytketty PCA82C250:n RXD- ja TXD-liitäntöihin.

2.4 Langaton moduuli

2.4.1 nRF24L01-sirun esittely

Langaton siru on nRF24L01. Se on 2,4 GHz:n langaton radiotaajuuslähetin-vastaanotinpiiri, jonka siirtonopeus on jopa 2 Mbps, se tukee 125 valinnaista toimintataajuutta, siinä on osoite- ja CRC-tarkistustoiminnot ja SPI-liitäntä.

Siinä on erillinen keskeytysnasta, se tukee 3 keskeytyslähdettä ja voi lähettää keskeytyssignaaleja MCU:lle. Siinä on automaattinen vastaustoiminto, se tallentaa osoitteen vahvistuksen jälkeen tietojen vastaanottamisesta ja lähettää vastaussignaalin käyttämällä tätä osoitetta kohdeosoitteena. Tukee ShockBurstTM-tilaa, tässä tilassa nRF24L01 voidaan liittää hidaskäyntiseen MCU:hun. nRF24L01 voi vastaanottaa dataa 6 eri kanavalta vastaanottotilassa.

2.4.2 nRF24L01-laitteistoliitäntä

Kuten kuvassa 5 näkyy, mikro-ohjain kommunikoi nRF24L01:n kanssa simuloimalla SPI-väylän ajoitusta. Sen ulkoinen keskeytysnasta IRQ on kytketty mikro-ohjaimen P3.2:een (ulkoinen keskeytys 0).

2.5 RFID-moduuli

2.5.1 MF RC500 -sirun esittely

RFID-moduuli käyttää Philipsin' MF RC500, joka on yksi tällä hetkellä laajalti käytetyistä RFID-siruista. MF RC500 tukee ISO14443A-protokollaa ja MIFARE-kaksoisliitäntäkorttia. Sen sisällä on erittäin integroitu analoginen piiri vastauskortin demodulointia ja dekoodausta varten, ja siinä on 64-tavuinen lähetin-vastaanottimen FIFO-puskuri ja haihtumaton avainmuisti. Lisäksi siinä on erillinen keskeytysnasta, joka tukee 6 keskeytyslähdettä ja voi lähettää keskeytyssignaaleja MCU:lle.

2.5.2 MF RC500 -laitteistoliitäntä

Kuten kuvassa 6 näkyy, MCU käyttää MF RC500:n rekistereitä ulkoisena RAM-muistina. INT-nasta jätetään kellumaan eikä keskeytystoimintoa käytetä.

3 Ohjelmistojärjestelmän suunnittelu

Alustusmikrokontrolleriohjelmassa alijärjestelmän A ulkoinen keskeytys asetetaan matalan tason liipaisuun. Osajärjestelmän A keskeytyssignaalilähteen tarjoaa nRF24L01. Kun nRF24L01 vastaanottaa tiedot, se luo keskeytyssignaalin, joka kehottaa MCU:ta lukemaan tiedot. Alijärjestelmä B ei käytä keskeytystoimintoa.

Alustusohjelmassa nRF24L01 alijärjestelmä B on konfiguroitu lähetysmoodiin ja käyttää 16-bittistä CRC-tarkistusta. Automaattisen vastaustoiminnon käyttämiseksi datakanava 0 on asetettu vastaanottamaan vastaussignaali ja datakanavan 0 vastaanottoosoitteen on oltava sama kuin lähettäjän osoite, jotta vastaussignaali voidaan vastaanottaa oikein. Järjestelmä voi koostua jopa kuudesta osajärjestelmästä A, eikä näiden kuuden alijärjestelmän lähetysosoitteita voi toistaa. Alajärjestelmä A on määritetty vastaanottotilaan, se käyttää 16-bittistä CRC-tarkistusta ja voi vastaanottaa jopa 6 kanavaa dataa. Nämä 6 vastaanottoosoitetta ovat yhtä suuria kuin kunkin alijärjestelmän B lähetysosoitteet. SJA1000:n alkutestissä käytetään PliCAN-tilaa, tiedonsiirtonopeus on 125 kbps ja vastaanotto- ja lähetyskeskeytykset ovat kiellettyjä; lähtöohjausrekisterin konfiguraatio on seuraava: normaalitila, TX-alasveto ja lähdön ohjausnapaisuus. Lisäksi hyväksymiskoodirekisteri ja hyväksymismaskirekisteri on konfiguroitava oikein. Tätä kokoonpanoa käytetään CAN-väylän sovittelutoiminnon toteuttamiseen.

Kun MF RC500 alustetaan, sen pääasetukset ovat seuraavat: TX1:n ja TX2:n lähdöt on määritetty 13:ksi.56MHz:n energiankantajat; dekooderin tulolähde on sisäinen demodulaattori; käytä Q-kelloa vastaanottimen kellona; poistaa lähetys- ja vastaanottokeskeytykset käytöstä; aseta RxThreshold Rekisterin arvo on 0xFF, BitPhase-rekisterin arvo on 0xAD jne.

Nollauspyyntötoiminto etsii Mifare1-korttia antennin teholliselta kantamalta. Jos kortti on olemassa, tietoliikenneyhteys muodostetaan ja kortilla oleva korttityyppinumero TAGTYPE luetaan. Törmäyksenestotoiminnon avulla MF RC500 voi valita yhden useista Mifare 1 -korteista. avata. Kortinvalintatoiminto voi kommunikoida korttien kanssa, joiden sarjanumerot tunnetaan. Todennustoiminto vastaa Mifare 1 -kortin salasanaa MF RC500:n EEPROMissa olevaan avaimeen.

Vasta kun sovitus on oikea, luku- ja kirjoitustoiminnot voidaan suorittaa. Lähetä sammutuskomento asettaaksesi Mifare 1 -kortin PYSÄYTYSTILAAN.

CAN-toimintoa käytetään asianmukaisten tietojen lähettämiseen PC:lle. Tämä suunnittelu käyttää kyselytilaa varmistaakseen, että tiedot on lähetetty. Voit varmistaa, onko tiedonsiirto valmis, kysymällä tilarekisterin lippubittejä TBS, TCS ja TS. Vastaavasti langattomassa toiminnossa varmistaaksesi, että tiedot on lähetetty, kysy vain TX_DS tilarekisteristä.

4 Järjestelmän testaus

Ensin testattiin RFID-moduuli. Aseta MIFARE 1 -kortti antennin tehokkaalle alueelle, suorita kortin luku- ja kirjoitustoiminnot ja näytä tarvittavat tiedot LCD-näytöllä. Tämän testin jälkeen RFID-moduuli lukee ja kirjoittaa normaalisti. Tämän jälkeen testataan järjestelmän siirtoverkon reaaliaikainen suorituskyky. Tämä artikkeli käyttää lämpötilatietojen langatonta siirtoa testaukseen. Lämpötilan mittauslaite on DS18B20 yksijohtiminen lämpötila-anturi. Liitä lämpötila-anturi osajärjestelmään B. Lämpötila-anturi ottaa näytteitä sisälämpötilasta sekunti. Mikrokontrolleri lukee lämpötilatiedot ja lähettää ne alajärjestelmään A langattoman verkon kautta. Alijärjestelmä A vastaanottaa tiedot ja lähettää sen CAN-väylän kautta. PC:lle.

PC-puolella Visual Basic 6.0:aa käytetään isäntätietokoneohjelman kirjoittamiseen. Isäntätietokone piirtää lämpötilatiedot käyräksi ja kirjoittaa ne tekstiksi. Lämpötilakäyrä on esitetty kuvassa 8, jossa lämpötila-arvojen tarkkuus on 1 celsiusastetta. Lämpötilakäyrän kaavion ja tekstidatan vertailevan havainnoinnin avulla havaittiin, että lämpötilatiedoissa ei ollut poikkeavuuksia eikä tietojen menetystä.

  5. Päätelmät

Tässä artikkelissa käytetään CAN-väylää korvaamaan RS-485-väylän, mikä poistaa jälkimmäisen puutteet. Langatonta tekniikkaa käytetään myös nRF24L01:n monipisteviestintätoiminnon täysimääräiseen hyödyntämiseen ja vähentäen samalla paljon johdotustyötä. Järjestelmän rakentamisen jälkeen kirjoittaja testasi järjestelmää pitkään. Testitulokset osoittavat, että tiedonsiirto on vakaata, luotettavaa ja sillä on korkea reaaliaikainen suorituskyky. Se voittaa perinteisen RS485-väyläsuunnitteluun perustuvan RFID-maksujärjestelmän puutteet ja sillä on vahva käyttöarvo.