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1、一种新型RFID收费系统设计方案针对传统基于RS-485总线的射频识别技术(RFID)收费系统具有实时性差和通讯效率低的缺点,提出了一种基于CAN总线和2.4G无线网络的新型RFID收费系统。该系统采用2.4G无线网络环境,使一个CAN节点能够控制六个RFID收费终端的数据传输。应用温度模块获取的数据的无线传输对该系统进行测试,测试结果表明该方案设计的正确性。1引言RFID(RadioFrequencyIDentification)技术,即射频识别技术,是一种通信技术,目前广泛应用于各种收费场合,例如:公共交通收费系统,停车场收费系统等等。目前使用RFID技术的系统通常使用RS-485和PC端
2、进行数据交互,但是RS-485使用单主节点,采用轮询方式,因此存在实时性较低和通讯效率低的问题。随着计算机科学水平的不断飞跃和工业发展的需要,工业控制系统经历了基地式仪表控制系统、集中式数字控制系统、集散控制系统到现在广泛使用的现场总线控制系统的转变。CAN(ControllerAreaNet)总线是一种基于串行通信网络的现场总线。CAN总线采用多主工作方式,网络上的任意节点可以在任意时刻向网络上的其他节点发送信息。同时,CAN总线采用非破坏性仲裁技术,当两个或者更多的节点同时向网络上传送数据,优先级低的节点将停止发送,直到优先级高的节点发送完数据后再发送,这样有效地避免了总线竞争。CAN通信
3、距离最远可达10km/5kbps,通信速率最高可大1Mbps.CAN的每帧数据都有CRC校验或者其它检测方式,保证了数据通信的可靠性。当一个CAN节点发生严重错误时,该节点会自动关闭,从而不影响其它节点的正常工作。因此,CAN总线具有可靠性强,实时性高和效率高等优势,完全能够取代RS485总线。考虑到在实际应用环境中,为了减少大量的布线工作,使用2.4G无线网络作为数据从RFID到CAN总线之间传输的中转站。无线技术具有成本低、灵活性高、可靠性高和安装时间短等特点。本次设计使用选用nRF24L01组建无线通信网络,该芯片支持多点通信,在接受模式下可以接收6路不同通道的数据。也就是无线网络的接收
4、端可以接收6个不同发送端的数据,发送端的数据是通过RFID模块获得。基于以上的讨论,本文将给出一种基于CAN总线和2.4G无线网络的新型RFID收费系统。2硬件系统设计2.1系统拓扑结构和系统组成2.1.1系统拓扑结构。如图1所示,RFID设备的相关数据将通过无线网络传送至CAN收发器,后者再将数据通过CAN总线传送至PC机,PC机采用带有CAN接口的PCI-E扩展卡。此外,无线通讯芯片nRF24L01在接受模式下可以接收6路不同通道的数据,以此来实现一个CAN节点最多控制6个RFID终端设备的数据传送。在6个RFID收费终端不能满足需求的情况下,可以添加更多的节点,所有节点挂载在CAN总线上
5、,通过CAN总线,每个节点将数据传送至PC端。620)this.style.width=620;border=0alt=一种新型RFID收费系统设计方案src=技术2021/udryxp0gf4q2021.jpg图1系统拓扑结构图2.1.2系统组成。本系统(CAN节点)有两个子系统组成。B子系统由单片机、RFID模块、无线模块、看门狗、液晶屏、时钟模块、按键和EEPROM组成。微控制器(MCU)控制RFID模块对Mifare1卡进行读写操作,无线模块将有关的数据发送给A子系统。A子系统由单片机、无线模块、看门狗和CAN模块组成。MCU将经由无线模块接收到的数据通过CAN模块发送至PC端。由于一
6、个节点最多可以控制6个RFID设备终端,因此在一个完整的系统里,A子系统只有1个,而B子系统最多可以有6个。620)this.style.width=620;border=0alt=一种新型RFID收费系统设计方案src=技术2021/4qms52aux2k2021.jpg图2子系统A组成框图620)this.style.width=620;border=0alt=一种新型RFID收费系统设计方案src=技术2021/lw1tgw2mlxd2021.jpg图3子系统B组成框图。2.2微控制器微控制器选用STC89LE58RD+,它具有4个8位并行I/O端口P0P3,1个4位并行端口P4,32K
7、BFLASHROM,1280字节RAM,3个定时器,8个中断源和4个中断优先级的中断系统。其性能完全满足设计所需。2.3CAN模块CAN总线的硬件实现选用飞利浦公司的SJA1000和PCA82C250.2.3.1SJA1000芯片介绍。SJA1000是一个独立的CAN控制器。它支持PeliCAN模式扩展功能(采用CAN2.0B协议),具有11位或29位标识符,64字节的接收FIFO,具有仲裁机制和强大的检错能力等。2.3.2PCA82C250芯片介绍。PCA82C250是CAN总线收发器,它主要是为汽车中高速通讯(高达1Mbps)应用而设计。它可以抗宽范围的工模干扰和电磁干扰(EMI),降低射
8、频干扰(RFI),具有热保护功能。最多可以连接110个节点。2.3.3硬件接口连接。如图4所示,P1口作为复用的地址/数据总线连接SJA1000的AD口,P2.0和SJA1000的片选段CS相连,使得SJA1000作为单片机外围存储器映射的I/O器件。此外,SJA1000的RX0、TX0和PCA82C250的RXD、TXD相连。620)this.style.width=620;border=0alt=一种新型RFID收费系统设计方案src=技术2021/vgsylbyvbxc2021.jpg图4SJA1000和PCA82C250接口连接示意图2.4无线模块2.4.1nRF24L01芯片介绍。无
9、线芯片选用nRF24L01.它是2.4GHz无线射频收发芯片,传送速率高达2Mbps,支持125个可选工作频率,具有地址和CRC校验功能,提供SPI接口。有专用的中断管脚,支持3个中断源,可向MCU发出中断信号。具有自动应答功能,在确认收到数据后记录地址,并以此地址为目标地址发送应答信号。支持ShockBurstTM模式,在此模式下,nRF24L01可以与低速MCU相连。nRF24L01在接收模式下可以接收6路不同通道的数据。2.4.2nRF24L01硬件接口连接。如图5所示,单片机通过模拟SPI总线时序和nRF24L01进行通信。其外部中断管脚IRQ和单片机的P3.2(外部中断0)相连。62
10、0)this.style.width=620;border=0alt=一种新型RFID收费系统设计方案src=技术2021/gz2yj4eubxn2021.jpg图5nRF24L01接口连接示意图2.5RFID模块2.5.1MFRC500芯片介绍。RFID模块选用飞利浦公司的MFRC500,它是目前广泛使用的RFID芯片之一。MFRC500支持ISO14443A协议,支持MIFARE双接口卡,内部有高集成度模拟电路用于应答卡的解调和解码,具有64字节收发FIFO缓冲区和非易失性密钥存储器。此外,有专用的中断管脚,支持6个中断源,可向MCU发出中断信号。2.5.2MFRC500硬件接口连接。由图
11、6所示,MCU将MFRC500中的寄存器作为外部RAM进行访问。INT管脚悬空,不使用中断功能。620)this.style.width=620;border=0alt=一种新型RFID收费系统设计方案src=技术2021/xldetmzhvls2021.jpg图6MFRC500接口连接示意图3软件系统设计在初始化单片机程序中,子系统A外部中断设置为低电平触发,子系统A的中断信号源由nRF24L01提供,当nRF24L01收到数据后产生中断信号,通知MCU来读取数据。子系统B不使用中断功能。在初始化nRF24L01程序中,子系统B配置为发送模式,使用16位CRC校验。使用自动应答功能,数据通道
12、0被设置为接收应答信号,其数据通道0的接收地址必须与发送端的地址相等,以此来保证能正确的收到应答信号。一个系统最多可以有六个子系统A组成,这6个子系统的发送地址不能重复。子系统A配置为接收模式,使用16位CRC校验,最多接收6个通道的数据。这6个接收地址和各子系统B中的发送地址相等。在初试化SJA1000中,使用PliCAN模式,波特率125Kbps,禁止接受和发送中断;输出控制寄存器配置如下:正常模式,TX下拉,输出控制极性。此外,需正确配置验收代码寄存器和验收屏蔽寄存器,此配置用于CAN总线仲裁功能的实现。在初始化MFRC500中,其主要设置如下:TX1和TX2的输出配置为13.56MHz
13、能量载波;解码器的输入源为内部解调器;使用Q时钟作为接收器时钟;禁止发送和接收中断;设置RxThreshold寄存器值为0xFF,BitPhase寄存器值为0xAD等。复位请求函数将在天线的有效范围内搜索Mifare1卡,如果有卡存在,将建立通信连接并读取卡上的卡片类型号TAGTYPE.防碰撞函数使MFRC500在多张Mifare1卡选择其中的一张。卡选择函数能够和已知序列号的卡进行通信。认证函数将Mifare1卡上的密码和MFRC500的EEPROM中的密钥进行匹配。只有匹配正确后,才能进行对卡的读写操作。发送停机指令设置Mifare1卡为HALTMODE.CAN函数用于将有关数据发送至PC
14、机。本次设计采用查询方式以确保数据已经发送。通过查询状态寄存器中的标志位TBS、TCS和TS即可确认是否数据发送完毕。类似的,在无线函数中为确保数据已经发送,通过查询状态寄存器中的TX_DS即可。620)this.style.width=620;border=0alt=一种新型RFID收费系统设计方案src=技术2021/453lvqlmwae2021.jpg图7子系统A软件流程620)this.style.width=620;border=0alt=一种新型RFID收费系统设计方案src=技术2021/fzvea5qrtmv2021.jpg图8子系统B软件流程图4系统测试首先,对RFID模块
15、进行了测试。将MIFARE1卡放入天线有效范围内,对该卡进行读写操作,并将相关数据显示在液晶屏上。经过该测试,RFID模块读写正常。随后,测试该系统传输网络的实时性,本文以温度数据的无线传输进行测试。测量温度的装置为DS18B20单线温度传感器。将该温度传感器连接至子系统B中,温度传感器每隔一秒对室内温度采样一次,微控制器读取温度数据并通过无线网络发送给A子系统,A子系统接收数据并通过CAN总线发送至PC端。PC端使用VisualBasic6.0编写上位机程序,上位机将温度数据绘制成曲线并写入文本。温度曲线如图8所示,其中温度值的精度为1摄氏度。通过对温度曲线图和文本数据的对比观察,发现温度数据无异常,数据没有出现丢失情况。620)this.style.width=620;border=0alt=一种新型RFID收费系统设计方案src=技术2021/sddht2arxa02021.jpg图9温度曲线图5结语本文利用了CAN总线取代RS-485总线,克服了后者存在的缺点。同时还使用了无线技术,在减少大量布线工作的同时,充分利用了nRF24L01多点通讯的功能。在系统搭建完成后,笔者对系统进行了长时间测试。测试结果表明:数据传输稳定,可靠,实时性高,克服了传统基于RS485总线设计的RFID收费系统的缺陷,具有较强的使用价值。1