如何進(jìn)行面向紡織MES系統(tǒng)的RFID嵌入式數(shù)據(jù)采集終端設(shè)計(jì)？

圖3 嵌入式數(shù)據(jù)采集終端結(jié)構(gòu)圖

嵌入式控制單元是整個(gè)硬件系統(tǒng)的核心，主要負(fù)責(zé)處理RFID射頻模塊采集到底層現(xiàn)場(chǎng)的Tag數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)通信及人機(jī)交互的處理。在注重系統(tǒng)性能的同時(shí)兼顧小體積、低功耗、低成本，故采用Luminary Micro公司StellarisTM系列基于ARM Cortex-M3的微控制器LM3S615.StellarisTM系列LM3S615微控制器是專門針對(duì)工廠自動(dòng)化、測(cè)試和測(cè)量設(shè)備控制、運(yùn)動(dòng)控制以及電力/能源監(jiān)控等工業(yè)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，其擁有ARM微控制器所具有的眾多優(yōu)點(diǎn)，擁有多種廣泛使用的ARM開(kāi)發(fā)工具及片上系統(tǒng)的底層IP應(yīng)用方案。

此外，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了鍵盤電路和液晶顯示電路作為人機(jī)交互平臺(tái)，為保證系統(tǒng)可靠工作設(shè)計(jì)了電源電路及其相應(yīng)的監(jiān)控電路。以下著重對(duì)數(shù)據(jù)采集及外圍設(shè)備的通信電路設(shè)計(jì)加以詳細(xì)說(shuō)明。

3.1 射頻識(shí)別單元設(shè)計(jì)

射頻識(shí)別單元設(shè)計(jì)主要包括RFID射頻模塊及射頻天線2大部分的設(shè)計(jì)工作。在非接觸式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，作為信息獲取的途徑，其設(shè)計(jì)的優(yōu)劣將關(guān)系到整個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的成敗。射頻識(shí)別芯片選用荷蘭NXP公司的非接觸式射頻讀寫芯片MF RC522，是應(yīng)用于13.56 MHz 非接觸式通信的一款高集成度IC讀寫芯片，完全集成了在此頻率下所有類型的被動(dòng)非接觸式通信方式和通信協(xié)議。

3.1.1 MF RC522射頻芯片接口電路設(shè)計(jì)

MF RC522與主機(jī)闖的通信采用連線較少的串行通信，且可根據(jù)不同的用戶需求，選取SPI、12C或串行UART模式之一。由于LM3S615控制器本身帶有I2C總線接口，可以方便的與射頻識(shí)別芯片相連，故在設(shè)計(jì)時(shí)MF RC522與控制器的連接采用I2 C總線接口模式。MF RC522與LM3S615控制器的接口電路如圖4所示。

圖4 MF RC522與微控制器的接口電路

射頻芯片工作在模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)混合的環(huán)境中，因此各個(gè)電源之間的處理很重要，以防止干擾影響到數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性。這里有AVDD、TVDD、DVDD以及 AVSS、TVSS、DVSS分別為模擬部分電源輸入、天線激勵(lì)部分電源輸入、數(shù)字部分電源輸入以及模擬地、天線電源地、數(shù)字地。這里分別對(duì)3種電源輸入進(jìn)行LC濾波，采用100 uH的電感與3個(gè)10 uF的電容連接組成LC濾波器，使得電源中串入的干擾及噪聲控制在可接受范圍內(nèi)，并將3種地在一點(diǎn)與系統(tǒng)地連接。

3.1.2 RFID射頻天線電路設(shè)計(jì)

無(wú)源電感耦合式射頻識(shí)別系統(tǒng)中，天線在讀寫器與射頻卡之間的能量供應(yīng)和信息傳輸中起著非常重要的作用。天線的設(shè)計(jì)構(gòu)造應(yīng)滿足如下幾點(diǎn)：使天線線圈的電流最大，用于產(chǎn)生最大的磁通量;功率匹配，以最大程度利用所產(chǎn)生磁通量的可用能量;足夠的帶寬，以無(wú)失真的傳送數(shù)據(jù)載波信號(hào)。

天線線圈的設(shè)計(jì)采用PCB板的形式，線圈電感量可以根據(jù)如下公式估算：

式中N為線圈匝數(shù)，l為線圈周長(zhǎng)，d為銅箔寬度，K為天線的形狀參量(環(huán)形天線K=1.07，矩形天線K=1.47)。

MF RC522與天線的接口由TX1、TX2、RX及VMID連接，已在圖4中給出。TX1、TX2負(fù)責(zé)調(diào)制后的射頻信號(hào)輸出到天線，激勵(lì)天線產(chǎn)生電磁波將信號(hào)輸出到電子標(biāo)簽，而RX引腳則接收電子標(biāo)簽調(diào)制后由天線接收到的副載波信號(hào)，信號(hào)經(jīng)過(guò)內(nèi)部狀態(tài)機(jī)的解調(diào)解碼后成為接收到的數(shù)據(jù)。在圖4的電路圖中，TX1、TX2與TVSS接到1個(gè)由L01、L02、C01、C02組成的LC低通濾波器，然后再輸出到天線，這部分的作用是為了電磁兼容設(shè)計(jì)，減少輻射到外部環(huán)境中的電磁干擾。L01、L02的值為2.2 uH，C01、C02的值為47 pF。

3.2 其他外圍接口電路設(shè)計(jì)

考慮到目前國(guó)內(nèi)大多紡織企業(yè)生產(chǎn)設(shè)備仍舊是新老共存的現(xiàn)狀，新式設(shè)備先進(jìn)，自動(dòng)化程度高，便于企業(yè)信息化管理，而老式設(shè)備使用時(shí)間較長(zhǎng)，自動(dòng)化程度相對(duì)較低，因此，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中集成了多種通信設(shè)備接口，以提高系統(tǒng)的兼容性。

3.2.1 以太網(wǎng)接口電路

以太網(wǎng)通信模塊為系統(tǒng)提供以太網(wǎng)接入的物理通道，通過(guò)該接口，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)10 Mbps速率的接入。本設(shè)計(jì)采用WIZnet公司的兼容IEEE802.3以太網(wǎng)控制器W5100。W5100是一款多功能的單片網(wǎng)絡(luò)接口芯片，它內(nèi)部集成有10/100 Mbps以太網(wǎng)控制器，可支持自動(dòng)應(yīng)答(全雙工/半雙工模式)，與中央處理單元可以采用標(biāo)準(zhǔn)SPI方式連接，可以實(shí)現(xiàn)沒(méi)有操作系統(tǒng)的Internet連接，主要用于高集成、高穩(wěn)定、高性能和低成本的嵌入式網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)。

在W5100中，SEN為SPI接口使能引腳，將其經(jīng)10 kΩ電阻上拉到高電平以允許SPI模式;CS為片選引腳，低電平有效，主要用于在并行總線連接時(shí)MCU訪問(wèn)W5100內(nèi)部寄存器或存儲(chǔ)器，W5100與處理器的接口電路如圖5所示。

圖5 以太網(wǎng)接口電路

3.2.2 USB接口電路

USB(Universal Serial Bus)總線是近年來(lái)出現(xiàn)在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上的標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)通信接口，具有接口簡(jiǎn)單、信息傳輸量大、即插即用等特點(diǎn)，目前應(yīng)用十分廣泛。本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)了基于 I2C總線協(xié)議的USB總線接口，可方便地與其它USB外設(shè)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。該系統(tǒng)選用Philips公司的USB接口芯片PDIUSBD11，因其具有 I2C接口，可以方便實(shí)現(xiàn)與微控制器的連接，其電路設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖6 USB接口電路

3.2.3 RS232/RS485總線接口電路

為便于與當(dāng)前工業(yè)企業(yè)中仍在使用的老式設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，數(shù)據(jù)采集終端也設(shè)計(jì)了現(xiàn)階段使用較為普遍的RS232與RS485串行總線接口。系統(tǒng)選用SP3232E來(lái)完成RS232與TTL的電平轉(zhuǎn)換工作，采用SP3485收發(fā)器作為系統(tǒng)RS485設(shè)備的總線接口。