مخطط تصميم نظام شحن RFID جديد

1 المقدمة

تقنية RFID (تحديد ترددات الراديو)، أي تقنية تحديد ترددات الراديو، هي تقنية اتصالات تستخدم حاليًا على نطاق واسع في مواقف الشحن المختلفة، مثل أنظمة شحن وسائل النقل العام، وأنظمة شحن مواقف السيارات، وما إلى ذلك. الأنظمة الحالية التي تستخدم تقنية RFID عادة استخدم RS-485 والكمبيوتر الشخصي لتبادل البيانات. ومع ذلك، يستخدم RS-485 عقدة رئيسية واحدة ويعتمد وضع الاستقصاء، لذلك هناك مشاكل انخفاض الأداء في الوقت الحقيقي وانخفاض كفاءة الاتصال.

مع القفزة المستمرة في مستوى علوم الكمبيوتر واحتياجات التنمية الصناعية، شهدت أنظمة التحكم الصناعية التحول من أنظمة التحكم في الأدوات الأساسية، وأنظمة التحكم الرقمية المركزية، وأنظمة التحكم الموزعة إلى أنظمة التحكم في ناقل المجال المستخدمة الآن على نطاق واسع. حافلة CAN (شبكة منطقة التحكم) هي حافلة ميدانية تعتمد على شبكة الاتصالات التسلسلية. يعتمد ناقل CAN وضع العمل متعدد الماجستير، ويمكن لأي عقدة على الشبكة إرسال المعلومات إلى العقد الأخرى على الشبكة في أي وقت. وفي الوقت نفسه، تستخدم حافلة CAN تقنية التحكيم غير المدمرة. عندما تقوم عقدتان أو أكثر بنقل البيانات إلى الشبكة في نفس الوقت، ستتوقف العقدة ذات الأولوية الأقل عن الإرسال حتى تنتهي العقدة ذات الأولوية الأعلى من إرسال البيانات. هذا فعال. لتجنب خلاف الحافلة. يمكن أن تصل مسافة الاتصال CAN إلى 10 كم/5 كيلوبت في الثانية، ويمكن أن يصل معدل الاتصال إلى 1 ميجابت في الثانية. يحتوي كل إطار من بيانات CAN على فحص CRC أو طرق كشف أخرى لضمان موثوقية اتصال البيانات.

عندما يحدث خطأ خطير في عقدة CAN، سيتم إغلاق العقدة تلقائيًا، وبالتالي لا يؤثر على العمل الطبيعي للعقد الأخرى. لذلك، تتمتع حافلة CAN بمزايا الموثوقية القوية والأداء العالي في الوقت الفعلي والكفاءة العالية، ويمكن أن تحل محل الحافلة RS 485 بالكامل.

مع الأخذ في الاعتبار أنه في بيئات التطبيق الفعلية، من أجل تقليل كمية كبيرة من أعمال الأسلاك، يتم استخدام الشبكة اللاسلكية 2.4G كمحطة نقل لنقل البيانات من RFID إلى ناقل CAN. توفر التكنولوجيا اللاسلكية تكلفة منخفضة ومرونة وموثوقية ووقت تركيب قصير. يستخدم هذا التصميم nRF24L01 لبناء شبكة اتصالات لاسلكية. تدعم هذه الشريحة الاتصال متعدد النقاط ويمكنها استقبال البيانات من 6 قنوات مختلفة في وضع الاستقبال.

وهذا يعني أن الطرف المتلقي للشبكة اللاسلكية يمكنه استقبال البيانات من 6 أطراف إرسال مختلفة. يتم الحصول على البيانات من الطرف المرسل من خلال وحدة RFID.

بناءً على المناقشة أعلاه، ستقدم هذه المقالة نظام شحن RFID جديدًا يعتمد على ناقل CAN والشبكة اللاسلكية 2.4G.

2 تصميم نظام الأجهزة

2.1 طوبولوجيا النظام وتكوين النظام

2.1.1 طوبولوجيا النظام

كما هو موضح في الشكل 1، سيتم إرسال البيانات ذات الصلة بجهاز RFID إلى جهاز الإرسال والاستقبال CAN من خلال الشبكة اللاسلكية، وسيقوم الأخير بعد ذلك بنقل البيانات إلى جهاز الكمبيوتر من خلال ناقل CAN. يستخدم الكمبيوتر بطاقة توسيع PCI-E مع واجهة CAN. بالإضافة إلى ذلك، يمكن لشريحة الاتصال اللاسلكية nRF24L01 استقبال البيانات من 6 قنوات مختلفة في وضع الاستقبال، وبالتالي تحقيق عقدة CAN للتحكم في نقل البيانات لما يصل إلى 6 أجهزة طرفية RFID. عندما لا تتمكن ستة محطات شحن RFID من تلبية الطلب، يمكن إضافة المزيد من العقد. يتم تثبيت جميع العقد على ناقل CAN. من خلال ناقل CAN، تقوم كل عقدة بنقل البيانات إلى جهاز الكمبيوتر.

2.1.2 تكوين النظام

يتكون هذا النظام (عقدة CAN) من نظامين فرعيين. يتكون النظام الفرعي B من وحدة التحكم الدقيقة، ووحدة RFID، والوحدة اللاسلكية، والمراقبة، وشاشة LCD، ووحدة الساعة، والأزرار، وEEPROM. يتحكم جهاز التحكم الدقيق (MCU) في وحدة RFID لقراءة وكتابة بطاقة Mifare 1، وترسل الوحدة اللاسلكية البيانات ذات الصلة إلى النظام الفرعي A. يتكون النظام الفرعي A من وحدة تحكم دقيقة ووحدة لاسلكية وهيئة مراقبة ووحدة CAN. ترسل وحدة MCU البيانات المستلمة عبر الوحدة اللاسلكية إلى جهاز الكمبيوتر من خلال وحدة CAN. نظرًا لأن عقدة واحدة يمكنها التحكم في ما يصل إلى 6 محطات طرفية لجهاز RFID، في النظام الكامل، يوجد نظام فرعي واحد فقط A، بينما يمكن أن يكون هناك ما يصل إلى 6 أنظمة فرعية B.

2.2 المتحكم الدقيق

وحدة التحكم الدقيقة هي STC89LE58RD+، والتي تحتوي على أربعة منافذ إدخال/إخراج متوازية 8 بت P0~P3، ومنفذ متوازي 4 بت P4، وذاكرة فلاش 32 كيلو بايت، وذاكرة الوصول العشوائي 1280 بايت، و3 مؤقتات، و8 مصادر مقاطعة و4 مقاطعات نظام المقاطعة ذات الأولوية. أدائها يلبي تماما متطلبات التصميم.

2.3 يمكن الوحدة

يستخدم تنفيذ الأجهزة لحافلة CAN SJA1000 وPCA82C250 من Philips.

2.3.1 مقدمة شريحة SJA1000

SJA1000 هي وحدة تحكم CAN مستقلة. وهو يدعم وظيفة تمديد وضع PeliCAN (باستخدام بروتوكول CAN2.0B)، ويحتوي على معرفات 11 بت أو 29 بت، واستقبال FIFO 64 بايت، وآلية تحكيم وقدرات قوية للكشف عن الأخطاء، وما إلى ذلك.

2.3.2 مقدمة رقاقة PCA82C250

PCA82C250 هو جهاز إرسال واستقبال لحافلة CAN، والذي تم تصميمه بشكل أساسي لتطبيقات الاتصالات متوسطة إلى عالية السرعة (حتى 1 ميجابت في الثانية) في السيارات. يمكن أن تقاوم

مجموعة واسعة من التداخل في وضع العمل والتداخل الكهرومغناطيسي (EMI)، وتقليل تداخل الترددات الراديوية (RFI)، ولها وظائف الحماية الحرارية. يمكن توصيل ما يصل إلى 110 عقدة.

2.3.3 اتصال واجهة الأجهزة

كما هو موضح في الشكل 4، يتم استخدام منفذ P1 كناقل عنوان/بيانات متعدد الإرسال للاتصال بمنفذ AD الخاص بـ SJA1000، ويتم توصيل P2.0 بقسم تحديد الشريحة CS في SJA1000، مما يجعل SJA1000 جهاز إدخال/إخراج لـ رسم خرائط الذاكرة المحيطية للمتحكم الدقيق. بالإضافة إلى ذلك، يتم توصيل RX0 وTX0 لـ SJA1000 بـ RXD وTXD لـ PCA82C250.

2.4 الوحدة اللاسلكية

2.4.1 مقدمة رقاقة nRF24L01

الشريحة اللاسلكية هي nRF24L01. إنها شريحة إرسال واستقبال بتردد لاسلكي 2.4 جيجا هرتز مع معدل نقل يصل إلى 2 ميجا بايت في الثانية، وتدعم 125 تردد تشغيل اختياري، ولها وظائف فحص العنوان وCRC، وتوفر واجهة SPI.

يحتوي على دبوس مقاطعة مخصص، ويدعم 3 مصادر مقاطعة، ويمكنه إرسال إشارات المقاطعة إلى MCU. يحتوي على وظيفة الاستجابة التلقائية، ويسجل العنوان بعد تأكيد استلام البيانات، ويرسل إشارة استجابة باستخدام هذا العنوان كعنوان مستهدف. يدعم وضع ShockBurstTM، في هذا الوضع، يمكن توصيل nRF24L01 بوحدة MCU منخفضة السرعة. يمكن لـ nRF24L01 استقبال البيانات من 6 قنوات مختلفة في وضع الاستقبال.

2.4.2 اتصال واجهة الأجهزة nRF24L01

كما هو موضح في الشكل 5، يتصل المتحكم الدقيق مع nRF24L01 عن طريق محاكاة توقيت ناقل SPI. يتم توصيل دبوس المقاطعة الخارجية IRQ بـ P3.2 (المقاطعة الخارجية 0) للمتحكم الدقيق.

2.5 وحدة رفيد

2.5.1 مقدمة شريحة MF RC500

تستخدم وحدة RFID MF RC500 من Philips، وهي إحدى شرائح RFID المستخدمة حاليًا على نطاق واسع. يدعم MF RC500 بروتوكول ISO14443A وبطاقة الواجهة المزدوجة MIFARE. يحتوي على دائرة تناظرية متكاملة للغاية بالداخل لإزالة التشكيل وفك تشفير بطاقة الاستجابة، ويحتوي على مخزن مؤقت FIFO لجهاز الإرسال والاستقبال سعة 64 بايت وذاكرة مفاتيح غير متطايرة. بالإضافة إلى ذلك، يوجد دبوس مقاطعة مخصص يدعم 6 مصادر مقاطعة ويمكنه إرسال إشارات المقاطعة إلى وحدة MCU.

2.5.2 اتصال واجهة الأجهزة MF RC500

كما هو موضح في الشكل 6، تصل وحدة MCU إلى السجلات الموجودة في MF RC500 كذاكرة الوصول العشوائي الخارجية. يتم ترك طرف INT عائمًا ولا يتم استخدام وظيفة المقاطعة.

3 تصميم الأنظمة البرمجية

في برنامج التهيئة لوحدة التحكم الدقيقة، يتم تعيين المقاطعة الخارجية للنظام الفرعي A على مشغل منخفض المستوى. يتم توفير مصدر إشارة المقاطعة للنظام الفرعي A بواسطة nRF24L01. عندما يستقبل nRF24L01 البيانات، فإنه يقوم بإنشاء إشارة مقاطعة لإعلام وحدة MCU بقراءة البيانات. لا يستخدم النظام الفرعي B وظيفة المقاطعة.

في برنامج التهيئة nRF24L01، يتم تكوين النظام الفرعي B في وضع الإرسال ويستخدم فحص CRC ذو 16 بت. لاستخدام وظيفة الاستجابة التلقائية، يتم ضبط قناة البيانات 0 لاستقبال إشارة الاستجابة، ويجب أن يكون عنوان استقبال قناة البيانات 0 مساويًا لعنوان المرسل لضمان إمكانية استلام إشارة الاستجابة بشكل صحيح. يمكن أن يتكون النظام مما يصل إلى ستة أنظمة فرعية A، ولا يمكن تكرار عناوين الإرسال لهذه الأنظمة الفرعية الستة. تم تكوين النظام الفرعي A في وضع الاستلام، ويستخدم فحص CRC 16 بت، ويمكنه استقبال ما يصل إلى 6 قنوات من البيانات. عناوين الاستقبال الستة هذه تساوي عناوين الإرسال في كل نظام فرعي B. في الاختبار الأولي لـ SJA1000، يتم استخدام وضع PliCAN، ومعدل الباود هو 125 كيلوبت في الثانية، ويحظر استقبال وإرسال المقاطعات؛ تكوين سجل التحكم في الإخراج هو كما يلي: الوضع العادي، TX المنسدلة، وقطبية التحكم في الإخراج. بالإضافة إلى ذلك، يجب تكوين سجل رمز القبول وسجل قناع القبول بشكل صحيح. يتم استخدام هذا التكوين لتنفيذ وظيفة تحكيم ناقل CAN.

عند تهيئة MF RC500، تكون إعداداته الرئيسية كما يلي: يتم تكوين مخرجات TX1 وTX2 كحاملات طاقة بتردد 13.56 ميجاهرتز؛ مصدر الإدخال لجهاز فك التشفير هو مزيل التشكيل الداخلي؛ استخدم ساعة Q كساعة جهاز الاستقبال؛ تعطيل مقاطعات الإرسال والاستقبال؛ تعيين RxThreshold قيمة التسجيل هي 0xFF، وقيمة تسجيل BitPhase هي 0xAD، وما إلى ذلك.

ستقوم وظيفة طلب إعادة الضبط بالبحث عن بطاقة Mifare1 ضمن النطاق الفعال للهوائي. في حالة وجود بطاقة، سيتم إنشاء اتصال اتصال وسيتم قراءة رقم نوع البطاقة TAGTYPE الموجود على البطاقة. تعمل وظيفة منع الاصطدام على تمكين MF RC500 من اختيار واحدة من بطاقات Mifare 1 المتعددة. يفتح. يمكن لوظيفة اختيار البطاقة التواصل مع البطاقات ذات الأرقام التسلسلية المعروفة. تقوم وظيفة المصادقة بمطابقة كلمة المرور الموجودة على بطاقة Mifare 1 مع المفتاح الموجود في EEPROM لجهاز MF RC500.

فقط بعد أن تكون المطابقة صحيحة، يمكن تنفيذ عمليات القراءة والكتابة. أرسل أمر إيقاف التشغيل لضبط بطاقة Mifare 1 على HALT MODE.

يتم استخدام وظيفة CAN لإرسال البيانات ذات الصلة إلى جهاز الكمبيوتر. يستخدم هذا التصميم وضع الاستعلام للتأكد من إرسال البيانات. يمكنك تأكيد ما إذا كان إرسال البيانات قد اكتمل عن طريق الاستعلام عن بتات العلم TB

S، TCS وTS في سجل الحالة. وبالمثل، في الوظيفة اللاسلكية، للتأكد من إرسال البيانات، ما عليك سوى الاستعلام عن TX_DS في سجل الحالة.

4 اختبار النظام

أولاً، تم اختبار وحدة RFID. ضع بطاقة MIFARE 1 ضمن النطاق الفعال للهوائي، وقم بإجراء عمليات القراءة والكتابة على البطاقة، وعرض البيانات ذات الصلة على شاشة LCD. بعد هذا الاختبار، تقرأ وحدة RFID وتكتب بشكل طبيعي. وبعد ذلك، يتم اختبار الأداء في الوقت الحقيقي لشبكة النقل الخاصة بالنظام. تستخدم هذه المقالة الإرسال اللاسلكي لبيانات درجة الحرارة للاختبار. جهاز قياس درجة الحرارة هو جهاز استشعار درجة الحرارة بسلك واحد DS18B20. قم بتوصيل مستشعر درجة الحرارة بالنظام الفرعي B. يقوم مستشعر درجة الحرارة باختبار درجة الحرارة الداخلية كل ثانية. يقرأ المتحكم الدقيق بيانات درجة الحرارة ويرسلها إلى النظام الفرعي A عبر الشبكة اللاسلكية. يتلقى النظام الفرعي A البيانات ويرسلها عبر ناقل CAN. إلى جهاز الكمبيوتر.

على جانب الكمبيوتر الشخصي، يتم استخدام Visual Basic 6.0 لكتابة برنامج الكمبيوتر المضيف. يقوم الكمبيوتر المضيف برسم بيانات درجة الحرارة في منحنى ويكتبها في النص. يظهر منحنى درجة الحرارة في الشكل 8، حيث دقة قيم درجة الحرارة هي 1 درجة مئوية. من خلال المراقبة المقارنة للرسم البياني لمنحنى درجة الحرارة والبيانات النصية، وجد أنه لا يوجد أي خلل في بيانات درجة الحرارة ولا فقدان للبيانات.

   5. الخلاصة

تستخدم هذه المقالة ناقل CAN ليحل محل ناقل RS-485، والتغلب على عيوب الأخير. تُستخدم التكنولوجيا اللاسلكية أيضًا للاستفادة الكاملة من وظيفة الاتصال متعدد النقاط لـ nRF24L01 مع تقليل الكثير من أعمال الأسلاك. بعد بناء النظام، قام المؤلف باختبار النظام لفترة طويلة. تظهر نتائج الاختبار أن نقل البيانات مستقر وموثوق به وأداء عالي في الوقت الفعلي. إنه يتغلب على أوجه القصور في نظام تحصيل رسوم RFID التقليدي المعتمد على تصميم حافلة RS485 وله قيمة استخدام قوية.