一種新型RFID收費系統(tǒng)設計方案

摘 要：針對傳統(tǒng)基于RS-485 總線的射頻識別技術（RFID）收費系統(tǒng)具有實時性差和通訊效率低的缺點，提出了一種基于CAN 總線和2.4G 無線網(wǎng)絡的新型RFID 收費系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用2.4G 無線網(wǎng)絡環(huán)境，使一個CAN 節(jié)點能夠控制六個RFID 收費終端的數(shù)據(jù)傳輸。應用溫度模塊獲取的數(shù)據(jù)的無線傳輸對該系統(tǒng)進行測試，測試結果表明該方案設計的正確性。

　　1 引言

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

　　隨著計算機科學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)場總線控制系統(tǒng)的轉變。CAN（Controller Area Net）總線是一種基于串行通信網(wǎng)絡的現(xiàn)場總線。CAN 總線采用多主工作方式，網(wǎng)絡上的任意節(jié)點可以在任意時刻向網(wǎng)絡上的其他節(jié)點發(fā)送信息。同時，CAN 總線采用非破壞性仲裁技術，當兩個或者更多的節(jié)點同時向網(wǎng)絡上傳送數(shù)據(jù)，優(yōu)先級低的節(jié)點將停止發(fā)送，直到優(yōu)先級高的節(jié)點發(fā)送完數(shù)據(jù)后再發(fā)送，這樣有效地避免了總線競爭。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(shù)據(jù)都有CRC校驗或者其它檢測方式，保證了數(shù)據(jù)通信的可靠性。

　　當一個CAN 節(jié)點發(fā)生嚴重錯誤時，該節(jié)點會自動關閉，從而不影響其它節(jié)點的正常工作。因此，CAN 總線具有可靠性強，實時性高和效率高等優(yōu)勢，完全能夠取代RS 485 總線。

　　考慮到在實際應用環(huán)境中，為了減少大量的布線工作，使用2.4G 無線網(wǎng)絡作為數(shù)據(jù)從RFID 到CAN總線之間傳輸?shù)闹修D站。無線技術具有成本低、靈活性高、可靠性高和安裝時間短等特點。本次設計使用選用nRF24L01 組建無線通信網(wǎng)絡，該芯片支持多點通信，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)絡的接收端可以接收6 個不同發(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)絡的新型RFID 收費系統(tǒng)。

　　2 硬件系統(tǒng)設計

　　2.1 系統(tǒng)拓撲結構和系統(tǒng)組成

　　2.1.1 系統(tǒng)拓撲結構。

　　如圖1 所示，RFID 設備的相關數(shù)據(jù)將通過無線網(wǎng)絡傳送至CAN 收發(fā)器，后者再將數(shù)據(jù)通過CAN 總線傳送至PC 機，PC 機采用帶有CAN 接口的PCI-E 擴展卡。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)，以此來實現(xiàn)一個CAN節(jié)點最多控制6 個RFID 終端設備的數(shù)據(jù)傳送。在6個RFID 收費終端不能滿足需求的情況下，可以添加更多的節(jié)點，所有節(jié)點掛載在CAN 總線上，通過CAN總線，每個節(jié)點將數(shù)據(jù)傳送至PC 端。

圖1 系統(tǒng)拓撲結構圖

　　2.1.2 系統(tǒng)組成。

　　本系統(tǒng)（CAN 節(jié)點）有兩個子系統(tǒng)組成。B 子系統(tǒng)由單片機、RFID 模塊、無線模塊、看門狗、液晶屏、時鐘模塊、按鍵和EEPROM 組成。微控制器（MCU）控制RFID 模塊對Mifare 1 卡進行讀寫操作，無線模塊將有關的數(shù)據(jù)發(fā)送給A 子系統(tǒng)。A 子系統(tǒng)由單片機、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。由于一個節(jié)點最多可以控制6 個RFID 設備終端，因此在一個完整的系統(tǒng)里，A 子系統(tǒng)只有1 個，而B 子系統(tǒng)最多可以有6 個。

圖2 子系統(tǒng)A 組成框圖

圖3 子系統(tǒng)B 組成框圖。

2.2 微控制器

　　微控制器選用STC89LE58RD+,它具有4 個8 位并行I/O 端口P0~P3,1 個4 位并行端口P4,32KB FLASHROM,1280 字節(jié)RAM,3 個定時器，8 個中斷源和4個中斷優(yōu)先級的中斷系統(tǒng)。其性能完全滿足設計所需。

　　2.3 CAN 模塊

　　CAN 總線的硬件實現(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(jié)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 總線收發(fā)器，它主要是為汽車中高速通訊（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 個節(jié)點。

　　2.3.3 硬件接口連接。

　　如圖4 所示，P1 口作為復用的地址/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。

圖4 SJA1000 和PCA82C250 接口連接示意圖

　　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2Mbps,支持125 個可選工作頻率，具有地址和CRC 校驗功能，提供SPI 接口。

　　有專用的中斷管腳，支持3 個中斷源，可向MCU 發(fā)出中斷信號。具有自動應答功能，在確認收到數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)。