Sơ đồ thiết kế hệ thống sạc RFID mới

1. Giới thiệu

Công nghệ RFID (Nhận dạng tần số vô tuyến), nghĩa là công nghệ nhận dạng tần số vô tuyến, là công nghệ truyền thông hiện được sử dụng rộng rãi trong nhiều tình huống sạc khác nhau, chẳng hạn như hệ thống sạc phương tiện giao thông công cộng, hệ thống sạc bãi đậu xe, v.v. Các hệ thống hiện tại thường sử dụng công nghệ RFID sử dụng RS-485 và PC để trao đổi dữ liệu. Tuy nhiên, RS-485 sử dụng một nút chính duy nhất và áp dụng chế độ thăm dò, do đó có vấn đề về hiệu suất thời gian thực thấp và hiệu quả liên lạc thấp.

Với bước nhảy vọt liên tục về trình độ khoa học máy tính và nhu cầu phát triển công nghiệp, các hệ thống điều khiển công nghiệp đã trải qua quá trình chuyển đổi từ hệ thống điều khiển thiết bị cơ bản, hệ thống điều khiển Kỹ thuật số tập trung, hệ thống điều khiển phân tán sang hệ thống điều khiển fieldbus hiện được sử dụng rộng rãi. Bus CAN (Controller Area Net) là bus trường dựa trên mạng truyền thông nối tiếp. Bus CAN áp dụng chế độ làm việc đa chủ và bất kỳ nút nào trên mạng đều có thể gửi thông tin đến các nút khác trên mạng bất kỳ lúc nào. Đồng thời, bus CAN sử dụng công nghệ trọng tài không phá hủy. Khi hai hoặc nhiều nút truyền dữ liệu tới mạng cùng lúc, nút có mức ưu tiên thấp hơn sẽ dừng gửi cho đến khi nút có mức ưu tiên cao hơn gửi xong dữ liệu. Điều này có hiệu quả. để tránh tranh chấp xe buýt. Khoảng cách liên lạc CAN có thể đạt tới 10km/5kbps và tốc độ liên lạc có thể đạt tới 1Mbps. Mỗi khung dữ liệu CAN đều có kiểm tra CRC hoặc các phương pháp phát hiện khác để đảm bảo độ tin cậy của việc truyền dữ liệu.

Khi xảy ra lỗi nghiêm trọng ở nút CAN, nút đó sẽ tự động tắt, do đó không ảnh hưởng đến hoạt động bình thường của các nút khác. Do đó, bus CAN có ưu điểm là độ tin cậy cao, hiệu suất thời gian thực cao và hiệu quả cao và có thể thay thế hoàn toàn bus RS 485.

Xem xét rằng trong môi trường ứng dụng thực tế, để giảm khối lượng lớn công việc nối dây, mạng không dây 2.4G được sử dụng làm trạm trung chuyển để truyền dữ liệu từ RFID sang bus CAN. Công nghệ không dây mang lại chi phí thấp, tính linh hoạt, độ tin cậy và thời gian lắp đặt ngắn. Thiết kế này sử dụng nRF24L01 để xây dựng mạng truyền thông không dây. Con chip này hỗ trợ giao tiếp đa điểm và có thể nhận dữ liệu từ 6 kênh khác nhau ở chế độ nhận.

Nghĩa là, đầu nhận của mạng không dây có thể nhận dữ liệu từ 6 đầu gửi khác nhau. Dữ liệu từ đầu gửi được lấy thông qua Mô-đun RFID.

Dựa trên các cuộc thảo luận ở trên, bài viết này sẽ trình bày một hệ thống sạc RFID mới dựa trên CAN bus và mạng không dây 2.4G.

2 Thiết kế hệ thống phần cứng

2.1 Cấu trúc liên kết hệ thống và thành phần hệ thống

2.1.1 Cấu trúc liên kết hệ thống

Như được hiển thị trong Hình 1, dữ liệu liên quan của thiết bị RFID sẽ được truyền đến bộ thu phát CAN thông qua mạng không dây và sau đó, bộ thu phát này sẽ truyền dữ liệu đến PC thông qua bus CAN. PC sử dụng thẻ mở rộng PCI-E với giao diện CAN. Ngoài ra, chip giao tiếp không dây nRF24L01 có thể nhận dữ liệu từ 6 kênh khác nhau ở chế độ nhận, từ đó hiện thực hóa nút CAN để điều khiển việc truyền dữ liệu của tối đa 6 Thiết bị đầu cuối RFID. Khi sáu thiết bị đầu cuối sạc RFID không thể đáp ứng nhu cầu, có thể thêm nhiều nút hơn. Tất cả các nút được gắn trên bus CAN. Thông qua bus CAN, mỗi nút truyền dữ liệu đến PC.

2.1.2 Thành phần hệ thống

Hệ thống này (nút CAN) bao gồm hai hệ thống con. Hệ thống con B bao gồm vi điều khiển, mô-đun RFID, mô-đun không dây, cơ quan giám sát, màn hình LCD, mô-đun đồng hồ, các nút và EEPROM. Bộ vi điều khiển (MCU) điều khiển mô-đun RFID để đọc và ghi thẻ Mifare 1 và mô-đun không dây sẽ gửi dữ liệu liên quan đến hệ thống con A. Hệ thống con A bao gồm vi điều khiển, mô-đun không dây, cơ quan giám sát và mô-đun CAN. MCU gửi dữ liệu nhận được qua mô-đun không dây tới PC thông qua mô-đun CAN. Vì một nút có thể điều khiển tối đa 6 thiết bị đầu cuối thiết bị RFID nên trong một hệ thống hoàn chỉnh chỉ có 1 hệ thống con A, trong khi có thể có tới 6 hệ thống con B.

2.2 Vi điều khiển

Bộ vi điều khiển là STC89LE58RD+, có bốn cổng I/O song song 8 bit P0 ~ P3, một cổng song song 4 bit P4, FLASHROM 32KB, RAM 1280 byte, 3 bộ định thời, 8 nguồn ngắt và 4 ngắt Hệ thống ngắt ưu tiên. Hiệu suất của nó đáp ứng đầy đủ các yêu cầu thiết kế.

2.3 Mô-đun CAN

Việc triển khai phần cứng của bus CAN sử dụng Philips' SJA1000 và PCA82C250.

2.3.1 Giới thiệu chip SJA1000

SJA1000 là bộ điều khiển CAN độc lập. Nó hỗ trợ chức năng mở rộng chế độ PeliCAN (sử dụng giao thức CAN2.0B), có mã định danh 11 bit hoặc 29 bit, FIFO nhận 64 byte, cơ chế phân xử và khả năng phát hiện lỗi mạnh mẽ, v.v.

2.3.2 Giới thiệu chip PCA82C250

PCA82C250 là bộ thu phát CAN bus, được thiết kế chủ yếu cho các ứng dụng truyền thông tốc độ trung bình đến cao (lên đến 1Mbps) trong ô tô. Nó có thể chống lại nhiều loại nhiễu ở chế độ làm việc và nhiễu điện từ (EMI), giảm nhiễu tần số vô tuyến (RFI) và có chức năng bảo vệ nhiệt. Có thể kết nối tối đa 110 nút.

2.3.3 Kết nối giao diện phần cứng

Như được hiển thị trong Hình 4, cổng P1 được sử dụng làm bus địa chỉ/dữ liệu đa kênh để kết nối với cổng AD của SJA1000 và P2.0 được kết nối với phần chọn chip CS của SJA1000, biến SJA1000 trở thành thiết bị I/O cho ánh xạ bộ nhớ ngoại vi của vi điều khiển. Ngoài ra, RX0 và TX0 của SJA1000 được kết nối với RXD và TXD của PCA82C250.

2.4 Mô-đun không dây

Giới thiệu chip 2.4.1 nRF24L01

Chip không dây là nRF24L01. Nó là chip thu phát tần số vô tuyến không dây 2,4 GHz với tốc độ truyền lên tới 2Mbps, hỗ trợ 125 tần số hoạt động tùy chọn, có chức năng kiểm tra địa chỉ và CRC, đồng thời cung cấp giao diện SPI.

Nó có một chân ngắt chuyên dụng, hỗ trợ 3 nguồn ngắt và có thể gửi tín hiệu ngắt đến MCU. Nó có chức năng phản hồi tự động, ghi lại địa chỉ sau khi xác nhận đã nhận dữ liệu và gửi tín hiệu phản hồi bằng địa chỉ này làm địa chỉ đích. Hỗ trợ chế độ ShockBurstTM, ở chế độ này, nRF24L01 có thể được kết nối với MCU tốc độ thấp. nRF24L01 có thể nhận dữ liệu từ 6 kênh khác nhau ở chế độ nhận.

Kết nối giao diện phần cứng 2.4.2 nRF24L01

Như được hiển thị trong Hình 5, bộ vi điều khiển giao tiếp với nRF24L01 bằng cách mô phỏng thời gian bus SPI. Chân ngắt ngoài IRQ của nó được kết nối với P3.2 (ngắt ngoài 0) của vi điều khiển.

2.5 mô-đun RFID

2.5.1 Giới thiệu chip MF RC500

Mô-đun RFID sử dụng Philips' MF RC500, một trong những chip RFID được sử dụng rộng rãi hiện nay. MF RC500 hỗ trợ giao thức ISO14443A và thẻ giao diện kép MIFARE. Nó có một mạch tương tự tích hợp cao bên trong để giải điều chế và giải mã thẻ phản hồi, đồng thời có bộ đệm FIFO thu phát 64 byte và bộ nhớ khóa cố định. Ngoài ra còn có một chân ngắt chuyên dụng hỗ trợ 6 nguồn ngắt và có thể gửi tín hiệu ngắt đến MCU.

2.5.2 Kết nối giao diện phần cứng MF RC500

Như được hiển thị trong Hình 6, MCU truy cập các thanh ghi trong MF RC500 dưới dạng RAM ngoài. Chân INT được thả nổi và chức năng ngắt không được sử dụng.

3 Thiết kế hệ thống phần mềm

Trong chương trình vi điều khiển khởi tạo, ngắt ngoài của hệ thống con A được đặt ở mức kích hoạt thấp. Nguồn tín hiệu ngắt của hệ thống con A được cung cấp bởi nRF24L01. Khi nRF24L01 nhận được dữ liệu, nó sẽ tạo ra tín hiệu ngắt để thông báo cho MCU đọc dữ liệu. Hệ thống con B không sử dụng chức năng ngắt.

Trong chương trình khởi tạo nRF24L01, hệ thống con B được cấu hình ở chế độ truyền và sử dụng kiểm tra CRC 16 bit. Để sử dụng chức năng phản hồi tự động, kênh dữ liệu 0 được đặt để nhận tín hiệu phản hồi và địa chỉ nhận của kênh dữ liệu 0 phải bằng địa chỉ của người gửi để đảm bảo có thể nhận được tín hiệu phản hồi chính xác. Một hệ thống có thể bao gồm tối đa sáu hệ thống con A và địa chỉ gửi của sáu hệ thống con này không thể lặp lại. Hệ thống con A được cấu hình ở chế độ nhận, sử dụng kiểm tra CRC 16 bit và có thể nhận tối đa 6 kênh dữ liệu. 6 địa chỉ nhận này bằng với địa chỉ gửi trong mỗi hệ thống con B. Trong thử nghiệm ban đầu của SJA1000, chế độ PliCAN được sử dụng, tốc độ truyền là 125Kbps và các ngắt nhận và gửi đều bị cấm; cấu hình thanh ghi điều khiển đầu ra như sau: chế độ bình thường, kéo xuống TX và cực điều khiển đầu ra. Ngoài ra, thanh ghi mã chấp nhận và thanh ghi mặt nạ chấp nhận cần phải được cấu hình chính xác. Cấu hình này được sử dụng để thực hiện chức năng phân xử CAN bus.

Khi khởi tạo MF RC500, các cài đặt chính của nó như sau: đầu ra của TX1 và TX2 được cấu hình là 13.sóng mang năng lượng 56 MHz; nguồn đầu vào của bộ giải mã là bộ giải điều chế bên trong; sử dụng đồng hồ Q làm đồng hồ thu; vô hiệu hóa các ngắt truyền và nhận; đặt RxThreshold Giá trị thanh ghi là 0xFF, giá trị thanh ghi BitPhase là 0xAD, v.v.

Chức năng yêu cầu đặt lại sẽ tìm kiếm thẻ Mifare1 trong phạm vi hiệu quả của ăng-ten. Nếu thẻ tồn tại, kết nối liên lạc sẽ được thiết lập và số loại thẻ TAGTYPE trên thẻ sẽ được đọc. Chức năng chống va chạm cho phép MF RC500 chọn một trong nhiều thẻ Mifare 1. mở. Chức năng lựa chọn thẻ có thể giao tiếp với các thẻ có số sê-ri đã biết. Chức năng xác thực khớp mật khẩu trên thẻ Mifare 1 với khóa trong EEPROM của MF RC500.

Chỉ sau khi khớp chính xác, thao tác đọc và ghi mới có thể được thực hiện. Gửi lệnh tắt máy để đặt thẻ Mifare 1 ở CHẾ ĐỘ HALT.

Chức năng CAN được sử dụng để gửi dữ liệu liên quan đến PC. Thiết kế này sử dụng chế độ truy vấn để đảm bảo rằng dữ liệu đã được gửi. Bạn có thể xác nhận việc truyền dữ liệu đã hoàn thành hay chưa bằng cách truy vấn các bit cờ TBS, TCS và TS trong thanh ghi trạng thái. Tương tự, trong chức năng không dây, để đảm bảo dữ liệu đã được gửi, chỉ cần truy vấn TX_DS trong thanh ghi trạng thái.

4 Kiểm tra hệ thống

Đầu tiên, mô-đun RFID đã được thử nghiệm. Đặt thẻ MIFARE 1 trong phạm vi hiệu quả của ăng-ten, thực hiện các thao tác đọc và ghi trên thẻ và hiển thị dữ liệu liên quan trên màn hình LCD. Sau lần kiểm tra này, mô-đun RFID đọc và ghi bình thường. Sau đó, hiệu suất thời gian thực của mạng truyền dẫn của hệ thống được kiểm tra. Bài viết này sử dụng truyền dữ liệu nhiệt độ không dây để thử nghiệm. Thiết bị đo nhiệt độ là cảm biến nhiệt độ một dây DS18B20. Kết nối cảm biến nhiệt độ với hệ thống con B. Cảm biến nhiệt độ lấy mẫu nhiệt độ trong nhà mỗi giây. Bộ vi điều khiển đọc dữ liệu nhiệt độ và gửi nó đến hệ thống con A thông qua mạng không dây. Hệ thống con A nhận dữ liệu và gửi nó qua bus CAN. tới máy tính.

Về phía PC, Visual Basic 6.0 được sử dụng để viết chương trình máy chủ. Máy tính chủ vẽ dữ liệu nhiệt độ thành một đường cong và ghi nó vào văn bản. Đường cong nhiệt độ được thể hiện trong Hình 8, trong đó độ chính xác của các giá trị nhiệt độ là 1 độ C. Thông qua quan sát so sánh biểu đồ đường cong nhiệt độ và dữ liệu văn bản, người ta thấy rằng không có sự bất thường trong dữ liệu nhiệt độ và không bị mất dữ liệu.

  5. Kết luận

Bài viết này sử dụng bus CAN để thay thế bus RS-485, khắc phục những nhược điểm sau này. Công nghệ không dây cũng được sử dụng để tận dụng tối đa chức năng giao tiếp đa điểm của nRF24L01 đồng thời giảm thiểu nhiều công việc đi dây. Sau khi hệ thống được xây dựng, tác giả đã thử nghiệm hệ thống trong một thời gian dài. Kết quả thử nghiệm cho thấy việc truyền dữ liệu ổn định, đáng tin cậy và có hiệu suất thời gian thực cao. Nó khắc phục những thiếu sót của hệ thống thu phí RFID truyền thống dựa trên thiết kế xe buýt RS485 và có giá trị sử dụng cao.