針對傳統基于RS-485 總線(xiàn)的射頻識別技術(shù)（RFID）收費系統具有實(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(xiàn)和2.4G 無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的新型RFID 收費系統。該系統采用2.4G 無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )環(huán)境，使一個(gè)CAN 節點(diǎn)能夠控制六個(gè)RFID 收費終端的數據傳輸。應用溫度模塊獲取的數據的無(wú)線(xiàn)傳輸對該系統進(jìn)行測試，測試結果表明該方案設計的正確性。

1 引言

RFID（Radio Frequency IDentification）技術(shù)，即射頻識別技術(shù)，是一種通信技術(shù)，目前廣泛應用于各種收費場(chǎng)合，例如：公共交通收費系統，停車(chē)場(chǎng)收費系統等等。目前使用RFID 技術(shù)的系統通常使用RS-485 和PC 端進(jìn)行數據交互，但是RS-485 使用單主節點(diǎn)，采用輪詢(xún)方式，因此存在實(shí)時(shí)性較低和通訊效率低的問(wèn)題。

隨著(zhù)計算機科學(xué)水平的不斷飛躍和工業(yè)發(fā)展的需要，工業(yè)控制系統經(jīng)歷了基地式儀表控制系統、集中式數字控制系統、集散控制系統到現在廣泛使用的現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統的轉變。CAN（Controller Area Net）總線(xiàn)是一種基于串行通信網(wǎng)絡(luò )的現場(chǎng)總線(xiàn)。CAN 總線(xiàn)采用多主工作方式，網(wǎng)絡(luò )上的任意節點(diǎn)可以在任意時(shí)刻向網(wǎng)絡(luò )上的其他節點(diǎn)發(fā)送信息。同時(shí)，CAN 總線(xiàn)采用非破壞性仲裁技術(shù)，當兩個(gè)或者更多的節點(diǎn)同時(shí)向網(wǎng)絡(luò )上傳送數據，優(yōu)先級低的節點(diǎn)將停止發(fā)送，直到優(yōu)先級高的節點(diǎn)發(fā)送完數據后再發(fā)送，這樣有效地避免了總線(xiàn)競爭。CAN 通信距離最遠可達10km/5kbps,通信速率最高可大1Mbps.CAN 的每幀數據都有CRC校驗或者其它檢測方式，保證了數據通信的可靠性。

當一個(gè)CAN 節點(diǎn)發(fā)生嚴重錯誤時(shí)，該節點(diǎn)會(huì )自動(dòng)關(guān)閉，從而不影響其它節點(diǎn)的正常工作。因此，CAN 總線(xiàn)具有可靠性強，實(shí)時(shí)性高和效率高等優(yōu)勢，完全能夠取代RS 485 總線(xiàn)。

考慮到在實(shí)際應用環(huán)境中，為了減少大量的布線(xiàn)工作，使用2.4G 無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )作為數據從RFID 到CAN總線(xiàn)之間傳輸的中轉站。無(wú)線(xiàn)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)。本次設計使用選用nRF24L01 組建無(wú)線(xiàn)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 路不同通道的數據。也就是無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的接收端可以接收6 個(gè)不同發(fā)送端的數據，發(fā)送端的數據是通過(guò)RFID 模塊獲得。

基于以上的討論，本文將給出一種基于CAN 總線(xiàn)和2.4G 無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的新型RFID 收費系統。

2 硬件系統設計

2.1 系統拓撲結構和系統組成

2.1.1 系統拓撲結構

如圖1 所示，RFID設備的相關(guān)數據將通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )傳送至CAN收發(fā)器，后者再將數據通過(guò)CAN總線(xiàn)傳送至PC機，PC 機采用帶有CAN接口的PCI-E擴展卡。此外，無(wú)線(xiàn)通訊芯片nRF24L01在接受模式下可以接收6路不同通道的數據，以此來(lái)實(shí)現一個(gè)CAN節點(diǎn)最多控制6 個(gè)RFID終端設備的數據傳送。在6個(gè)RFID收費終端不能滿(mǎn)足需求的情況下，可以添加更多的節點(diǎn)，所有節點(diǎn)掛載在CAN總線(xiàn)上，通過(guò)CAN總線(xiàn)，每個(gè)節點(diǎn)將數據傳送至PC端。

本系統（CAN 節點(diǎn)）有兩個(gè)子系統組成。B 子系統由單片機、RFID 模塊、無(wú)線(xiàn)模塊、看門(mén)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Mifare 1 卡進(jìn)行讀寫(xiě)操作，無(wú)線(xiàn)模塊將有關(guān)的數據發(fā)送給A 子系統。A 子系統由單片機、無(wú)線(xiàn)模塊、看門(mén)狗和CAN 模塊組成。MCU 將經(jīng)由無(wú)線(xiàn)模塊接收到的數據通過(guò)CAN 模塊發(fā)送至PC 端。由于一個(gè)節點(diǎn)最多可以控制6 個(gè)RFID 設備終端，因此在一個(gè)完整的系統里，A 子系統只有1 個(gè)，而B(niǎo) 子系統最多可以有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RAM,3 個(gè)定時(shí)器，8 個(gè)中斷源和4個(gè)中斷優(yōu)先級的中斷系統。其性能完全滿(mǎn)足設計所需。
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2.3 CAN 模塊

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

2.3.1 SJA1000 芯片介紹

SJA1000 是一個(gè)獨立的 CAN 控制器。它支持PeliCAN 模式擴展功能（采用CAN2.0B 協(xié)議），具有11 位或 29 位標識符，64 字節的接收FIFO,具有仲裁機制和強大的檢錯能力等。

2.3.2 PCA82C250 芯片介紹

PCA82C250 是CAN 總線(xiàn)收發(fā)器，它主要是為汽車(chē)中高速通訊（高達 1Mbps）應用而設計。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），具有熱保護功能。最多可以連接110 個(gè)節點(diǎn)。

2.3.3 硬件接口連接

如圖4，P1口作為復用的地址/數據總線(xiàn)連接SJA1000的AD口，P2.0和SJA1000的片選段CS相連，使得SJA1000作為單片機外圍存儲器映射的I/O器件。此外，SJA1000的RX0、TX0和PCA82C250的RXD、TXD相連。
2.4 無(wú)線(xiàn)模塊

2.4.1 nRF24L01 芯片介紹

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

有專(zhuān)用的中斷管腳，支持3 個(gè)中斷源，可向MCU 發(fā)出中斷信號。具有自動(dòng)應答功能，在確認收到數據后記錄地址，并以此地址為目標地址發(fā)送應答信號。支持ShockBurstTM 模式，在此模式下，nRF24L01 可以與低速MCU 相連。nRF24L01 在接收模式下可以接收6 路不同通道的數據。

2.4.2 nRF24L01 硬件接口連接

如圖5 所示，單片機通過(guò)模擬SPI 總線(xiàn)時(shí)序和nRF24L01 進(jìn)行通信。其外部中斷管腳IRQ 和單片機的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(fǎng)問(wèn)。INT 管腳懸空，不使用中斷功能。

3 軟件系統設計

在初始化單片機程序中，子系統A 外部中斷設置為低電平觸發(fā)，子系統A 的中斷信號源由nRF24L01提供，當nRF24L01 收到數據后產(chǎn)生中斷信號，通知MCU 來(lái)讀取數據。子系統B 不使用中斷功能。
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在初始化nRF24L01 程序中，子系統B 配置為發(fā)送模式，使用16 位CRC 校驗。使用自動(dòng)應答功能，數據通道0 被設置為接收應答信號，其數據通道0 的接收地址必須與發(fā)送端的地址相等，以此來(lái)保證能正確的收到應答信號。一個(gè)系統最多可以有六個(gè)子系統A 組成，這6 個(gè)子系統的發(fā)送地址不能重復。子系統A 配置為接收模式，使用16 位CRC 校驗，最多接收6 個(gè)通道的數據。這6 個(gè)接收地址和各子系統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，需正確配置驗收代碼寄存器和驗收屏蔽寄存器，此配置用于CAN 總線(xiàn)仲裁功能的實(shí)現。

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

復位請求函數將在天線(xiàn)的有效范圍內搜索Mifare1 卡，如果有卡存在，將建立通信連接并讀取卡上的卡片類(lèi)型號TAGTYPE.防碰撞函數使MF RC500 在多張Mifare 1 卡選擇其中的一張?？ㄟx擇函數能夠和已知序列號的卡進(jìn)行通信。認證函數將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)行對卡的讀寫(xiě)操作。發(fā)送停機指令設置Mifare 1 卡為HALT MODE.CAN 函數用于將有關(guān)數據發(fā)送至PC 機。本次設計采用查詢(xún)方式以確保數據已經(jīng)發(fā)送。通過(guò)查詢(xún)狀態(tài)寄存器中的標志位TBS、TCS 和TS 即可確認是否數據發(fā)送完畢。類(lèi)似的，在無(wú)線(xiàn)函數中為確保數據已經(jīng)發(fā)送，通過(guò)查詢(xún)狀態(tài)寄存器中的TX_DS 即可。
4 系統測試

首先，對RFID 模塊進(jìn)行了測試。將MIFARE 1卡放入天線(xiàn)有效范圍內，對該卡進(jìn)行讀寫(xiě)操作，并將相關(guān)數據顯示在液晶屏上。經(jīng)過(guò)該測試，RFID 模塊讀寫(xiě)正常。 隨后，測試該系統傳輸網(wǎng)絡(luò )的實(shí)時(shí)性，本文以溫度數據的無(wú)線(xiàn)傳輸進(jìn)行測試。測量溫度的裝置為DS18B20 單線(xiàn)溫度傳感器。將該溫度傳感器連接至子系統B 中，溫度傳感器每隔一秒對室內溫度采樣一次，微控制器讀取溫度數據并通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )發(fā)送給A 子系統，A 子系統接收數據并通過(guò)CAN 總線(xiàn)發(fā)送至PC 端。

PC 端使用Visual Basic 6.0 編寫(xiě)上位機程序，上位機將溫度數據繪制成曲線(xiàn)并寫(xiě)入文本。溫度曲線(xiàn)如圖8 所示，其中溫度值的精度為1 攝氏度。通過(guò)對溫度曲線(xiàn)圖和文本數據的對比觀(guān)察，發(fā)現溫度數據無(wú)異常， 數據沒(méi)有出現丟失情況。

5 結語(yǔ)

本文利用了CAN 總線(xiàn)取代RS-485 總線(xiàn)，克服了后者存在的缺點(diǎn)。同時(shí)還使用了無(wú)線(xiàn)技術(shù)，在減少大量布線(xiàn)工作的同時(shí)，充分利用了nRF24L01 多點(diǎn)通訊的功能。在系統搭建完成后，筆者對系統進(jìn)行了長(cháng)時(shí)間測試。測試結果表明：數據傳輸穩定，可靠，實(shí)時(shí)性高，克服了傳統基于RS485 總線(xiàn)設計的RFID 收費系統的缺陷，具有較強的使用價(jià)值。

相關(guān)閱讀：
RFID技術(shù)原理及其射頻天線(xiàn)設計
http://www.zzmyjiv.cn/rf-art/80005888
設計RFID系統需選擇合適的頻率
http://www.zzmyjiv.cn/emc-art/80019199
射頻識別技術(shù)原理分析
http://www.zzmyjiv.cn/rf-art/80013359