針對傳統(tǒng)基于RS-485 總線的射頻識別技術(shù)（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(jié)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(shù)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(zhuǎn)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(shù)，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(guān)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(zhuǎn)站。無線技術(shù)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(jié)構(gòu)和系統(tǒng)組成

2.1.1 系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)

如圖1 所示，RFID設備的相關(guān)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。

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(guān)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。

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。
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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，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。
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)。

2.4.2 nRF24L01 硬件接口連接

如圖5 所示，單片機通過模擬SPI 總線時序和nRF24L01 進行通信。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進行訪問。INT 管腳懸空，不使用中斷功能。

3 軟件系統(tǒng)設計

在初始化單片機程序中，子系統(tǒng)A 外部中斷設置為低電平觸發(fā)，子系統(tǒng)A 的中斷信號源由nRF24L01提供，當nRF24L01 收到數(shù)據(jù)后產(chǎn)生中斷信號，通知MCU 來讀取數(shù)據(jù)。子系統(tǒng)B 不使用中斷功能。
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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。使用自動應答功能，數(shù)據(jù)通道0 被設置為接收應答信號，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答信號。一個系統(tǒng)最多可以有六個子系統(tǒng)A 組成，這6 個子系統(tǒng)的發(fā)送地址不能重復。子系統(tǒng)A 配置為接收模式，使用16 位CRC 校驗，最多接收6 個通道的數(shù)據(jù)。這6 個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，需正確配置驗收代碼寄存器和驗收屏蔽寄存器，此配置用于CAN 總線仲裁功能的實現(xiàn)。

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(nèi)部解調(diào)器；使用Q 時鐘作為接收器時鐘；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(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TAGTYPE.防碰撞函數(shù)使MF RC500 在多張Mifare 1 卡選擇其中的一張。卡選擇函數(shù)能夠和已知序列號的卡進行通信。認證函數(shù)將Mifare 1 卡上的密碼和MF RC500 的EEPROM 中的密鑰進行匹配。

只有匹配正確后，才能進行對卡的讀寫操作。發(fā)送停機指令設置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。本次設計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)寄存器中的標志位TBS、TCS 和TS 即可確認是否數(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)測試

首先，對RFID 模塊進行了測試。將MIFARE 1卡放入天線有效范圍內(nèi)，對該卡進行讀寫操作，并將相關(guān)數(shù)據(jù)顯示在液晶屏上。經(jīng)過該測試，RFID 模塊讀寫正常。 隨后，測試該系統(tǒng)傳輸網(wǎng)絡的實時性，本文以溫度數(shù)據(jù)的無線傳輸進行測試。測量溫度的裝置為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 編寫上位機程序，上位機將溫度數(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。通過對溫度曲線圖和文本數(shù)據(jù)的對比觀察，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。同時還使用了無線技術(shù)，在減少大量布線工作的同時，充分利用了nRF24L01 多點通訊的功能。在系統(tǒng)搭建完成后，筆者對系統(tǒng)進行了長時間測試。測試結(jié)果表明：數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，可靠，實時性高，克服了傳統(tǒng)基于RS485 總線設計的RFID 收費系統(tǒng)的缺陷，具有較強的使用價值。

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