Um novo esquema de projeto de sistema de carregamento RFID

1 Introdução

A tecnologia RFID (Radio Frequency IDentification), ou seja, tecnologia de identificação por radiofrequência, é uma tecnologia de comunicação que atualmente é amplamente usada em várias situações de cobrança, como sistemas de cobrança de transporte público, sistemas de cobrança de estacionamento, etc. Os sistemas atuais que usam a tecnologia RFID geralmente usam RS-485 e PC para troca de dados. No entanto, o RS-485 usa um único nó mestre e adota o modo de pesquisa, portanto, há problemas de baixo desempenho em tempo real e baixa eficiência de comunicação.

Com o salto contínuo no nível da ciência da computação e as necessidades do desenvolvimento industrial, os sistemas de controle industrial experimentaram a transformação de sistemas de controle de instrumentos básicos, sistemas de controle digital centralizados, sistemas de controle distribuídos para os sistemas de controle de barramento de campo agora amplamente usados. O barramento CAN (Controller Area Net) é um barramento de campo baseado em rede de comunicação serial. O barramento CAN adota um modo de trabalho multimestre, e qualquer nó na rede pode enviar informações para outros nós na rede a qualquer momento. Ao mesmo tempo, o barramento CAN usa tecnologia de arbitragem não destrutiva. Quando dois ou mais nós transmitem dados para a rede ao mesmo tempo, o nó com prioridade mais baixa para de enviar até que o nó com prioridade mais alta tenha terminado de enviar os dados. Isso é eficaz para evitar contenção de barramento. A distância de comunicação CAN pode atingir até 10 km/5 kbps, e a taxa de comunicação pode atingir até 1 Mbps. Cada quadro de dados CAN tem verificação CRC ou outros métodos de detecção para garantir a confiabilidade da comunicação de dados.

Quando ocorre um erro grave em um nó CAN, o nó é desligado automaticamente, não afetando o trabalho normal de outros nós. Portanto, o barramento CAN tem as vantagens de forte confiabilidade, alto desempenho em tempo real e alta eficiência, e pode substituir completamente o barramento RS 485.

Considerando que em ambientes de aplicação reais, para reduzir uma grande quantidade de trabalho de fiação, a rede sem fio 2.4G é usada como uma estação de transferência para transmissão de dados de RFID para o barramento CAN. A tecnologia sem fio oferece baixo custo, flexibilidade, confiabilidade e curto tempo de instalação. Este projeto usa nRF24L01 para construir uma rede de comunicação sem fio. Este chip suporta comunicação multiponto e pode receber dados de 6 canais diferentes no modo de recepção.

Ou seja, a extremidade receptora da rede sem fio pode receber dados de 6 extremidades de envio diferentes. Os dados da extremidade de envio são obtidos por meio do Módulo RFID.

Com base na discussão acima, este artigo apresentará um novo sistema de cobrança RFID baseado no barramento CAN e na rede sem fio 2.4G.

2 Projeto do sistema de hardware

2.1 Topologia do sistema e composição do sistema

2.1.1 Topologia do sistema

Conforme mostrado na Figura 1, os dados relevantes do dispositivo RFID serão transmitidos ao transceptor CAN por meio da rede sem fio, e este último transmitirá os dados ao PC por meio do barramento CAN. O PC usa uma placa de expansão PCI-E com uma interface CAN. Além disso, o chip de comunicação sem fio nRF24L01 pode receber dados de 6 canais diferentes no modo de recepção, realizando assim um nó CAN para controlar a transmissão de dados de até 6 dispositivos terminais RFID. Quando seis terminais de carregamento RFID não podem atender à demanda, mais nós podem ser adicionados. Todos os nós são montados no barramento CAN. Por meio do barramento CAN, cada nó transmite dados para o PC.

2.1.2 Composição do sistema

Este sistema (nó CAN) consiste em dois subsistemas. O subsistema B consiste em microcontrolador, módulo RFID, módulo sem fio, watchdog, tela LCD, módulo de relógio, botões e EEPROM. O microcontrolador (MCU) controla o módulo RFID para ler e gravar o cartão Mifare 1, e o módulo sem fio envia os dados relevantes para o subsistema A. O subsistema A consiste em microcontrolador, módulo sem fio, watchdog e módulo CAN. O MCU envia os dados recebidos pelo módulo sem fio para o PC por meio do módulo CAN. Como um nó pode controlar até 6 terminais de dispositivos RFID, em um sistema completo, há apenas 1 subsistema A, enquanto pode haver até 6 subsistemas B.

2.2 Microcontrolador

O microcontrolador é o STC89LE58RD+, que tem quatro portas de E/S paralelas de 8 bits P0~P3, uma porta paralela de 4 bits P4, 32 KB FLASHROM, 1280 bytes de RAM, 3 temporizadores, 8 fontes de interrupção e 4 interrupções Sistema de interrupção prioritária. Seu desempenho atende totalmente aos requisitos de design.

2.3 Módulo CAN

A implementação de hardware do barramento CAN usa o Philips' SJA1000 e PCA82C250.

2.3.1 Introdução ao chip SJA1000

O SJA1000 é um controlador CAN independente. Ele suporta a função de extensão do modo PeliCAN (usando o protocolo CAN2.0B), tem identificadores de 11 ou 29 bits, FIFO de recebimento de 64 bytes, mecanismo de arbitragem e poderosos recursos de detecção de erros, etc.

2.3.2 Introdução ao chip PCA82C250

O PCA82C250 é um transceptor de barramento CAN, projetado principalmente para aplicações de comunicação de média a alta velocidade (até 1 Mbps) em automóveis. Ele pode resistir a uma ampla gama de interferências de modo de trabalho e interferência eletromagnética (EMI), reduzir a interferência de radiofrequência (RFI) e tem funções de proteção térmica. Até 110 nós podem ser conectados.

2.3.3 Conexão de interface de hardware

Conforme mostrado na Figura 4, a porta P1 é usada como um barramento de endereço/dados multiplexado para conectar à porta AD do SJA1000, e P2.0 é conectado à seção de seleção de chip CS do SJA1000, tornando o SJA1000 um dispositivo de E/S para mapeamento de memória periférica do microcontrolador. Além disso, RX0 e TX0 do SJA1000 são conectados a RXD e TXD do PCA82C250.

2.4 Módulo sem fio

2.4.1 Introdução ao chip nRF24L01

O chip sem fio é o nRF24L01. É um chip transceptor de radiofrequência sem fio de 2,4 GHz com uma taxa de transmissão de até 2 Mbps, suporta 125 frequências operacionais opcionais, tem funções de verificação de endereço e CRC e fornece uma interface SPI.

Ele tem um pino de interrupção dedicado, suporta 3 fontes de interrupção e pode enviar sinais de interrupção para o MCU. Ele tem uma função de resposta automática, registra o endereço após confirmar o recebimento de dados e envia um sinal de resposta usando este endereço como o endereço de destino. Suporta o modo ShockBurstTM, neste modo, o nRF24L01 pode ser conectado a um MCU de baixa velocidade. O nRF24L01 pode receber dados de 6 canais diferentes no modo de recepção.

2.4.2 Conexão da interface de hardware do nRF24L01

Conforme mostrado na Figura 5, o microcontrolador se comunica com o nRF24L01 simulando o tempo do barramento SPI. Seu pino de interrupção externo IRQ é conectado ao P3.2 (interrupção externa 0) do microcontrolador.

2.5 Módulo RFID

2.5.1 Introdução ao chip MF RC500

O módulo RFID usa o Philips' MF RC500, que é um dos chips RFID mais usados atualmente. O MF RC500 suporta o protocolo ISO14443A e a placa de interface dupla MIFARE. Ele tem um circuito analógico altamente integrado para demodulação e decodificação da placa de resposta e tem um buffer FIFO transceptor de 64 bytes e memória de chave não volátil. Além disso, há um pino de interrupção dedicado que suporta 6 fontes de interrupção e pode enviar sinais de interrupção para o MCU.

2.5.2 Conexão de interface de hardware MF RC500

Conforme mostrado na Figura 6, o MCU acessa os registradores no MF RC500 como RAM externa. O pino INT é deixado flutuante e a função de interrupção não é usada.

3 Projeto do sistema de software

No programa do microcontrolador de inicialização, a interrupção externa do subsistema A é definida como gatilho de baixo nível. A fonte do sinal de interrupção do subsistema A é fornecida pelo nRF24L01. Quando o nRF24L01 recebe os dados, ele gera um sinal de interrupção para notificar o MCU para ler os dados. O subsistema B não usa a funcionalidade de interrupção.

No programa de inicialização nRF24L01, o subsistema B é configurado no modo de transmissão e usa verificação CRC de 16 bits. Para usar a função de resposta automática, o canal de dados 0 é definido para receber o sinal de resposta, e o endereço de recebimento do canal de dados 0 deve ser igual ao endereço do remetente para garantir que o sinal de resposta possa ser recebido corretamente. Um sistema pode ser composto de até seis subsistemas A, e os endereços de envio desses seis subsistemas não podem ser repetidos. O subsistema A é configurado no modo de recebimento, usa verificação CRC de 16 bits e pode receber até 6 canais de dados. Esses 6 endereços de recebimento são iguais aos endereços de envio em cada subsistema B. No teste inicial do SJA1000, o modo PliCAN é usado, a taxa de transmissão é de 125 Kbps e interrupções de recebimento e envio são proibidas; a configuração do registro de controle de saída é a seguinte: modo normal, pull-down TX e polaridade de controle de saída. Além disso, o registro de código de aceitação e o registro de máscara de aceitação precisam ser configurados corretamente. Esta configuração é usada para implementar a função de arbitragem do barramento CAN.

Ao inicializar o MF RC500, suas principais configurações são as seguintes: as saídas de TX1 e TX2 são configuradas como 13.Portadores de energia de 56 MHz; a fonte de entrada do decodificador é o demodulador interno; use o relógio Q como o relógio do receptor; desabilite interrupções de transmissão e recepção; defina RxThreshold O valor do registro é 0xFF, o valor do registro BitPhase é 0xAD, etc.

A função de solicitação de reinicialização buscará o cartão Mifare1 dentro do alcance efetivo da antena. Se um cartão existir, uma conexão de comunicação será estabelecida e o número do tipo de cartão TAGTYPE no cartão será lido. A função anticolisão permite que o MF RC500 selecione um dos vários cartões Mifare 1. aberto. A função de seleção de cartão pode se comunicar com cartões com números de série conhecidos. A função de autenticação corresponde a senha no cartão Mifare 1 com a chave na EEPROM do MF RC500.

Somente após a correspondência estar correta, as operações de leitura e gravação podem ser realizadas. Envie um comando de desligamento para definir o cartão Mifare 1 para o MODO HALT.

A função CAN é usada para enviar dados relevantes para o PC. Este design usa o modo de consulta para garantir que os dados foram enviados. Você pode confirmar se a transmissão de dados foi concluída consultando os bits de sinalização TBS, TCS e TS no registro de status. Da mesma forma, na função sem fio, para garantir que os dados foram enviados, basta consultar o TX_DS no registro de status.

4 Teste do sistema

Primeiro, o módulo RFID foi testado. Coloque o cartão MIFARE 1 dentro do alcance efetivo da antena, execute operações de leitura e gravação no cartão e exiba os dados relevantes na tela LCD. Após esse teste, o módulo RFID lê e grava normalmente. Posteriormente, o desempenho em tempo real da rede de transmissão do sistema é testado. Este artigo usa transmissão sem fio de dados de temperatura para teste. O dispositivo para medir temperatura é um sensor de temperatura de fio único DS18B20. Conecte o sensor de temperatura ao subsistema B. O sensor de temperatura coleta amostras da temperatura interna a cada segundo. O microcontrolador lê os dados de temperatura e os envia ao subsistema A por meio da rede sem fio. O subsistema A recebe os dados e os envia pelo barramento CAN. para o PC.

No lado do PC, o Visual Basic 6.0 é usado para escrever o programa do computador host. O computador host desenha os dados de temperatura em uma curva e os escreve em texto. A curva de temperatura é mostrada na Figura 8, onde a precisão dos valores de temperatura é de 1 grau Celsius. Por meio da observação comparativa do gráfico da curva de temperatura e dos dados de texto, foi descoberto que não houve anormalidade nos dados de temperatura e nenhuma perda de dados.

  5 Conclusão

Este artigo usa o barramento CAN para substituir o barramento RS-485, superando as deficiências deste último. A tecnologia sem fio também é usada para utilizar totalmente a função de comunicação multiponto do nRF24L01, reduzindo muito o trabalho de fiação. Depois que o sistema foi construído, o autor testou o sistema por um longo tempo. Os resultados do teste mostram que a transmissão de dados é estável, confiável e tem alto desempenho em tempo real. Ele supera as deficiências do sistema tradicional de cobrança de pedágio RFID com base no design do barramento RS485 e tem forte valor de uso.