針對(duì)傳統(tǒng)基于RS-485 總線的射頻識(shí)別技術(shù)（RFID）收費(fèi)系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)性差和通訊效率低的缺點(diǎn)，提出了一種基于CAN 總線和2.4G 無線網(wǎng)絡(luò)的新型RFID 收費(fèi)系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用2.4G 無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，使一個(gè)CAN 節(jié)點(diǎn)能夠控制六個(gè)RFID 收費(fèi)終端的數(shù)據(jù)傳輸。應(yīng)用溫度模塊獲取的數(shù)據(jù)的無線傳輸對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明該方案設(shè)計(jì)的正確性。

1 引言

RFID（Radio Frequency IDentification）技術(shù)，即射頻識(shí)別技術(shù)，是一種通信技術(shù)，目前廣泛應(yīng)用于各種收費(fèi)場(chǎng)合，例如：公共交通收費(fèi)系統(tǒng)，停車場(chǎng)收費(fèi)系統(tǒng)等等。目前使用RFID 技術(shù)的系統(tǒng)通常使用RS-485 和PC 端進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，但是RS-485 使用單主節(jié)點(diǎn)，采用輪詢方式，因此存在實(shí)時(shí)性較低和通訊效率低的問題。

隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)水平的不斷飛躍和工業(yè)發(fā)展的需要，工業(yè)控制系統(tǒng)經(jīng)歷了基地式儀表控制系統(tǒng)、集中式數(shù)字控制系統(tǒng)、集散控制系統(tǒng)到現(xiàn)在廣泛使用的現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變。CAN（Controller Area Net）總線是一種基于串行通信網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)場(chǎng)總線。CAN 總線采用多主工作方式，網(wǎng)絡(luò)上的任意節(jié)點(diǎn)可以在任意時(shí)刻向網(wǎng)絡(luò)上的其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息。同時(shí)，CAN 總線采用非破壞性仲裁技術(shù)，當(dāng)兩個(gè)或者更多的節(jié)點(diǎn)同時(shí)向網(wǎng)絡(luò)上傳送數(shù)據(jù)，優(yōu)先級(jí)低的節(jié)點(diǎn)將停止發(fā)送，直到優(yōu)先級(jí)高的節(jié)點(diǎn)發(fā)送完數(shù)據(jù)后再發(fā)送，這樣有效地避免了總線競(jìng)爭(zhēng)。CAN 通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)10km/5kbps,通信速率最高可大1Mbps.CAN 的每幀數(shù)據(jù)都有CRC校驗(yàn)或者其它檢測(cè)方式，保證了數(shù)據(jù)通信的可靠性。

當(dāng)一個(gè)CAN 節(jié)點(diǎn)發(fā)生嚴(yán)重錯(cuò)誤時(shí)，該節(jié)點(diǎn)會(huì)自動(dòng)關(guān)閉，從而不影響其它節(jié)點(diǎn)的正常工作。因此，CAN 總線具有可靠性強(qiáng)，實(shí)時(shí)性高和效率高等優(yōu)勢(shì)，完全能夠取代RS 485 總線。

考慮到在實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中，為了減少大量的布線工作，使用2.4G 無線網(wǎng)絡(luò)作為數(shù)據(jù)從RFID 到CAN總線之間傳輸?shù)闹修D(zhuǎn)站。無線技術(shù)具有成本低、靈活性高、可靠性高和安裝時(shí)間短等特點(diǎn)。本次設(shè)計(jì)使用選用nRF24L01 組建無線通信網(wǎng)絡(luò)，該芯片支持多點(diǎn)通信，在接受模式下可以接收6 路不同通道的數(shù)據(jù)。也就是無線網(wǎng)絡(luò)的接收端可以接收6 個(gè)不同發(fā)送端的數(shù)據(jù)，發(fā)送端的數(shù)據(jù)是通過RFID 模塊獲得。

基于以上的討論，本文將給出一種基于CAN 總線和2.4G 無線網(wǎng)絡(luò)的新型RFID 收費(fèi)系統(tǒng)。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和系統(tǒng)組成

2.1.1 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

如圖1 所示，RFID設(shè)備的相關(guān)數(shù)據(jù)將通過無線網(wǎng)絡(luò)傳送至CAN收發(fā)器，后者再將數(shù)據(jù)通過CAN總線傳送至PC機(jī)，PC 機(jī)采用帶有CAN接口的PCI-E擴(kuò)展卡。此外，無線通訊芯片nRF24L01在接受模式下可以接收6路不同通道的數(shù)據(jù)，以此來實(shí)現(xiàn)一個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)最多控制6 個(gè)RFID終端設(shè)備的數(shù)據(jù)傳送。在6個(gè)RFID收費(fèi)終端不能滿足需求的情況下，可以添加更多的節(jié)點(diǎn)，所有節(jié)點(diǎn)掛載在CAN總線上，通過CAN總線，每個(gè)節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)傳送至PC端。

本系統(tǒng)（CAN 節(jié)點(diǎn)）有兩個(gè)子系統(tǒng)組成。B 子系統(tǒng)由單片機(jī)、RFID 模塊、無線模塊、看門狗、液晶屏、時(shí)鐘模塊、按鍵和EEPROM 組成。微控制器（MCU）控制RFID 模塊對(duì)Mifare 1 卡進(jìn)行讀寫操作，無線模塊將有關(guān)的數(shù)據(jù)發(fā)送給A 子系統(tǒng)。A 子系統(tǒng)由單片機(jī)、無線模塊、看門狗和CAN 模塊組成。MCU 將經(jīng)由無線模塊接收到的數(shù)據(jù)通過CAN 模塊發(fā)送至PC 端。由于一個(gè)節(jié)點(diǎn)最多可以控制6 個(gè)RFID 設(shè)備終端，因此在一個(gè)完整的系統(tǒng)里，A 子系統(tǒng)只有1 個(gè)，而B 子系統(tǒng)最多可以有6 個(gè)。

2.2 微控制器

微控制器選用STC89LE58RD+,它具有4 個(gè)8 位并行I/O 端口P0~P3,1 個(gè)4 位并行端口P4,32KB FLASHROM,1280 字節(jié)RAM,3 個(gè)定時(shí)器，8 個(gè)中斷源和4個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)的中斷系統(tǒng)。其性能完全滿足設(shè)計(jì)所需。
[page]
2.3 CAN 模塊

CAN 總線的硬件實(shí)現(xiàn)選用飛利浦公司的SJA1000和PCA82C250。

2.3.1 SJA1000 芯片介紹

SJA1000 是一個(gè)獨(dú)立的 CAN 控制器。它支持PeliCAN 模式擴(kuò)展功能（采用CAN2.0B 協(xié)議），具有11 位或 29 位標(biāo)識(shí)符，64 字節(jié)的接收FIFO,具有仲裁機(jī)制和強(qiáng)大的檢錯(cuò)能力等。

2.3.2 PCA82C250 芯片介紹

PCA82C250 是CAN 總線收發(fā)器，它主要是為汽車中高速通訊（高達(dá) 1Mbps）應(yīng)用而設(shè)計(jì)。它可以抗寬范圍的工模干擾和電磁干擾（EMI），降低射頻干擾（RFI），具有熱保護(hù)功能。最多可以連接110 個(gè)節(jié)點(diǎn)。

2.3.3 硬件接口連接

如圖4，P1口作為復(fù)用的地址/數(shù)據(jù)總線連接SJA1000的AD口，P2.0和SJA1000的片選段CS相連，使得SJA1000作為單片機(jī)外圍存儲(chǔ)器映射的I/O器件。此外，SJA1000的RX0、TX0和PCA82C250的RXD、TXD相連。
2.4 無線模塊

2.4.1 nRF24L01 芯片介紹

無線芯片選用nRF24L01.它是2.4GHz 無線射頻收發(fā)芯片，傳送速率高達(dá)2Mbps,支持125 個(gè)可選工作頻率，具有地址和CRC 校驗(yàn)功能，提供SPI 接口。

有專用的中斷管腳，支持3 個(gè)中斷源，可向MCU 發(fā)出中斷信號(hào)。具有自動(dòng)應(yīng)答功能，在確認(rèn)收到數(shù)據(jù)后記錄地址，并以此地址為目標(biāo)地址發(fā)送應(yīng)答信號(hào)。支持ShockBurstTM 模式，在此模式下，nRF24L01 可以與低速M(fèi)CU 相連。nRF24L01 在接收模式下可以接收6 路不同通道的數(shù)據(jù)。

2.4.2 nRF24L01 硬件接口連接

如圖5 所示，單片機(jī)通過模擬SPI 總線時(shí)序和nRF24L01 進(jìn)行通信。其外部中斷管腳IRQ 和單片機(jī)的P3.2（外部中斷0）相連。

2.5.2 MF RC500 硬件接口連接。

由圖6 所示， MCU 將MF RC500 中的寄存器作為外部RAM進(jìn)行訪問。INT 管腳懸空，不使用中斷功能。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在初始化單片機(jī)程序中，子系統(tǒng)A 外部中斷設(shè)置為低電平觸發(fā)，子系統(tǒng)A 的中斷信號(hào)源由nRF24L01提供，當(dāng)nRF24L01 收到數(shù)據(jù)后產(chǎn)生中斷信號(hào)，通知MCU 來讀取數(shù)據(jù)。子系統(tǒng)B 不使用中斷功能。
[page]
在初始化nRF24L01 程序中，子系統(tǒng)B 配置為發(fā)送模式，使用16 位CRC 校驗(yàn)。使用自動(dòng)應(yīng)答功能，數(shù)據(jù)通道0 被設(shè)置為接收應(yīng)答信號(hào)，其數(shù)據(jù)通道0 的接收地址必須與發(fā)送端的地址相等，以此來保證能正確的收到應(yīng)答信號(hào)。一個(gè)系統(tǒng)最多可以有六個(gè)子系統(tǒng)A 組成，這6 個(gè)子系統(tǒng)的發(fā)送地址不能重復(fù)。子系統(tǒng)A 配置為接收模式，使用16 位CRC 校驗(yàn)，最多接收6 個(gè)通道的數(shù)據(jù)。這6 個(gè)接收地址和各子系統(tǒng)B 中的發(fā)送地址相等。

在初試化SJA1000 中，使用PliCAN 模式，波特率125Kbps,禁止接受和發(fā)送中斷；輸出控制寄存器配置如下：正常模式，TX 下拉，輸出控制極性。此外，需正確配置驗(yàn)收代碼寄存器和驗(yàn)收屏蔽寄存器，此配置用于CAN 總線仲裁功能的實(shí)現(xiàn)。

在初始化MF RC500 中，其主要設(shè)置如下：TX1和TX2 的輸出配置為13.56MHz 能量載波；解碼器的輸入源為內(nèi)部解調(diào)器；使用Q 時(shí)鐘作為接收器時(shí)鐘；禁止發(fā)送和接收中斷；設(shè)置RxThreshold 寄存器值為0xFF,BitPhase 寄存器值為0xAD 等。

復(fù)位請(qǐng)求函數(shù)將在天線的有效范圍內(nèi)搜索Mifare1 卡，如果有卡存在，將建立通信連接并讀取卡上的卡片類型號(hào)TAGTYPE.防碰撞函數(shù)使MF RC500 在多張Mifare 1 卡選擇其中的一張?？ㄟx擇函數(shù)能夠和已知序列號(hào)的卡進(jìn)行通信。認(rèn)證函數(shù)將Mifare 1 卡上的密碼和MF RC500 的EEPROM 中的密鑰進(jìn)行匹配。

只有匹配正確后，才能進(jìn)行對(duì)卡的讀寫操作。發(fā)送停機(jī)指令設(shè)置Mifare 1 卡為HALT MODE.CAN 函數(shù)用于將有關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)送至PC 機(jī)。本次設(shè)計(jì)采用查詢方式以確保數(shù)據(jù)已經(jīng)發(fā)送。通過查詢狀態(tài)寄存器中的標(biāo)志位TBS、TCS 和TS 即可確認(rèn)是否數(shù)據(jù)發(fā)送完畢。類似的，在無線函數(shù)中為確保數(shù)據(jù)已經(jīng)發(fā)送，通過查詢狀態(tài)寄存器中的TX_DS 即可。
4 系統(tǒng)測(cè)試

首先，對(duì)RFID 模塊進(jìn)行了測(cè)試。將MIFARE 1卡放入天線有效范圍內(nèi)，對(duì)該卡進(jìn)行讀寫操作，并將相關(guān)數(shù)據(jù)顯示在液晶屏上。經(jīng)過該測(cè)試，RFID 模塊讀寫正常。 隨后，測(cè)試該系統(tǒng)傳輸網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性，本文以溫度數(shù)據(jù)的無線傳輸進(jìn)行測(cè)試。測(cè)量溫度的裝置為DS18B20 單線溫度傳感器。將該溫度傳感器連接至子系統(tǒng)B 中，溫度傳感器每隔一秒對(duì)室內(nèi)溫度采樣一次，微控制器讀取溫度數(shù)據(jù)并通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給A 子系統(tǒng)，A 子系統(tǒng)接收數(shù)據(jù)并通過CAN 總線發(fā)送至PC 端。

PC 端使用Visual Basic 6.0 編寫上位機(jī)程序，上位機(jī)將溫度數(shù)據(jù)繪制成曲線并寫入文本。溫度曲線如圖8 所示，其中溫度值的精度為1 攝氏度。通過對(duì)溫度曲線圖和文本數(shù)據(jù)的對(duì)比觀察，發(fā)現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)無異常， 數(shù)據(jù)沒有出現(xiàn)丟失情況。

5 結(jié)語

本文利用了CAN 總線取代RS-485 總線，克服了后者存在的缺點(diǎn)。同時(shí)還使用了無線技術(shù)，在減少大量布線工作的同時(shí)，充分利用了nRF24L01 多點(diǎn)通訊的功能。在系統(tǒng)搭建完成后，筆者對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了長時(shí)間測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明：數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，可靠，實(shí)時(shí)性高，克服了傳統(tǒng)基于RS485 總線設(shè)計(jì)的RFID 收費(fèi)系統(tǒng)的缺陷，具有較強(qiáng)的使用價(jià)值。

相關(guān)閱讀：
RFID技術(shù)原理及其射頻天線設(shè)計(jì)
http://www.me3buy.cn/rf-art/80005888
設(shè)計(jì)RFID系統(tǒng)需選擇合適的頻率
http://www.me3buy.cn/emc-art/80019199
射頻識(shí)別技術(shù)原理分析
http://www.me3buy.cn/rf-art/80013359