（通信与信息系统专业论文）采用rfid技术的交互式展示系统开发.pdf

i 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 摘摘 要要 展示设计广泛应用于各种科技馆、展览馆、博物馆中，同时其发展对于科技发 展、社会进步有着巨大的促进作用。完成一套展示系统的设计与开发，并在工程实 际中得到应用，这是本课题的一个关键任务。因此，找到一种合适的技术方案并实 现它是课题的重点，也是这篇论文的重点所在。 通过比较两种技术方案， 我们选择了适合本展示系统的 rfid 方案， rfid 的优 点是实时性好、可靠性高并具有非接触性。对于整个展示系统的硬件设计，由于各 个 rfid 阅读器之间采用总线连接，故需选择一种适当的总线技术。对比现有的各 种总线技术，最终采用 rs485 总线来连接整个展示系统。并对整个 rs485 总线的 网络进行研究。由此建立起基于 rs485 总线的硬件系统。 本文涉及的软件技术是 directshow 技术，设计了基于 directshow 的视频播放 软件，该软件是本文软件方案的基础。最后，通过实际工程应用，对整个展示系统 的各种调用逻辑关系进行修复，并最终完成整个软件流程的设计。同时对其中涉及 的两个关键点(信号冲突和视频切换)作了相应的设计。 最后对整个系统进行了测试， 经过长时间测试，最终其实时性、可靠性、准确性都比较好。 从创建系统理论出发，到系统在工程中的实际应用，我们经历了整个系统的方 案选择、软硬件设计和系统的测试，使我们更加深入的理解了展示系统的概念！ 关键词关键词：展示 rfid rs485 总线 directshow ii 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 abstract the display design is widely used in various science and technology centers, exhibition halls and museums. at the same time, its development promotes the science and technology development and social progress. realizing a display system is a key task in this project. so, finding an appropriate technical scheme is the key point of this project and also this paper. comparing the two kinds of technical scheme, we choose the rfid scheme, which is fit for our display system. rfid has the advantage of real-time, high reliability and is non-contact. since there are buses between rfid readers, we need to choose an appropriate bus technology for the entire display system. comparison of the existing bus technology, eventually we use rs485 bus to link the entire display system. and make research in the whole rs485 network. finally, establish the rs485-based hardware system. in this paper, the software technology is the directshow technology, design the video player software, which based on directshow. and this software is the basis for the program. finally, the practical application of the entire display system restore the logical relations， and eventually complete the whole process of software design. also provide a solution to the two key problems (signal conflict and video switching) of the system. finally, the whole system was tested a long period of time. the real-time, reliability and accuracy are good. from the creation of systems theory, to the system works in the practical application, we have lived through the scheme options, hardware and software design and system testing, which make us more in-depth understanding of the concept of display system! key words: display rfid rs485 bus directshow 独创性声明独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和 集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人 承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密， 在 年解密后适用本授权书。 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 本论文属于 1 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 1 绪论绪论 展示是以高效传递信息和接受信息为宗旨，在限定的空间和地域内，以展品、 道具、建筑、照片、文字、图表、装饰、音像等为信息载体，利用一切科学技术调 动人的生理、心理反应而创造宜人活动环境的行为，使参观者在不知不觉中，接受 当代潮涌般的信息。如今，各类展示活动已渗透到人类生活的各个领域，深刻地影 响着人们的日常生活。 展示设计则是指一个人为环境的创造，即在既定的时间和空间范围内，运用艺 术和技术的设计语言，通过对空间与平面的精心创造，从而使其产生独特的空间氛 围。展示设计是构成展示这一集合体的一个过程，而这个过程本身又是若干子过程 的集合体，即由相互作用、相互依赖的若干组成部分结合而成的具有特定功能、达 到同一目的的有机整体。因此，我们必然要建立这样一个观念：展示设计是一个过 程系统， 而目从属于更大的系统。 这个系统具有鲜明的开发性和强烈的发展性特征。 随着社会的发展，由于生活方式、生产方式的改变也让展示系统呈现出了前所未有 的复杂性。 1.1 展示设计国内外发展现状及应用展示设计国内外发展现状及应用 展示的起源，可以追溯到社会产生商品交换的初期。在物与物进行交换的初级 阶段，人们将占有的多余生活资料去换取自己所缺欠的另一种生活资料时1。展示 和陈列就已经成为重要的甚至是不可缺少的方式了，展示在完成物物交换这一过程 中的作用是显而易见的。交换来自于剩余劳动，交换也促进了社会的分工，自从有 了剩余和社会分工，具有商贸特征的产品变换也就相应发展起来，因而形成集市2。 在集市上人们把自己生产的各种物品展示于摊床，供人挑选，可以说这就是最原始 的博览会。 1.1.1 国外发展概述国外发展概述 展示设计在国外发展迅速，随着进入资本主义社会，各类商店、博物馆增多， 出现了橱窗，也出现了专门用于展示活动的展览馆3。世界公认的第一届国际博览 会，就是 1851 年 5 月在伦敦海德公园举办的万国博览会，就是被建筑史家称颂力 2 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 “19 世纪不朽之作的水晶宫” 。 “水晶宫”万国博览会取得了巨大成功之后，欧洲各 国开始承办博览会，比较典型的是 1876 年美国费城博览会和 1889 年法国巴黎博览 会，该博览会建成了埃菲尔铁塔4。 随着电子计算机的出现，社会进入信息时代，展示设计也进入了科学与艺术结 合的现代化展示时期。从展览建筑、室内设计到展示方式与技术的进步，都是为了 提高展览的审美质量，强化展示的信息传递效率。随着这种新的变化，展览设施的 施工制作、设计市场也开始走向专业化、工业化、社会化，这些都标志着现代展示 设计进入了一个新的阶段。典型的代表是 1989 年名古屋“国际设计博览会” ，该博 览会的主题是信息时代的秩序和美学5。 进入 90 年代后期，展示设计采用新的方式，进入了新的领域。这时展示是多 元化、多种手段并存的： “图像、文字、三维环境、数字化展示” 。由于文字、图像 很难说明事物变化的动态过程，所以人们采用了三维环境的方式：制作一个现实的 实体，来表现运动着的事物变化。 1.1.2 国内发展概述国内发展概述 在我国，张謇于 1905 年在南通建成我国第一个“博物苑” ，收藏自然、历史、 美术等文物近三千件陈列于馆内。其展示陈列无论从内容上，还是从形式上都有独 特之处。在张謇办南通博物苑的推动下，我国在本世纪 20 年代相继有一二十个博 物馆建成，到 30 年代，中国的博物馆事业有了更为明显地发展，民办或官办的博 物馆、展览会、博览会等，不胜枚举6。有关的论著、刊物、学术研究等日趋活跃， “博物馆学”作为一门学科和课程，也得到确定。 从 1985 年开始，大量的具有现代化设施、功能齐全的“展览城”涌现了出来， 加速了我国展示行业与国际的接轨，其中有代表性的有北京国际展览中心、大连国 际展览贸易中心、厦门富山国际展览城、珠海展览中心、深圳国际展览中心、郑州 国际展览中心、东莞科技馆、上海科技馆等7。 总体而言，规模大、内容广是其优势，随着国内技术和材料的相对进步，在展 示手段上也有所进步是不言而喻的，但从整体上讲，进步的步子迈得不大。 1.1.3 展示设计发展趋势展示设计发展趋势 现代展览、展示活动正朝着复杂化和综合性方向演变。无论是博览会展展示、 3 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 文博科教展示，还是繁荣的商业店铺橱窗展示，这些展示设计既要作为高效传播信 息的媒介，实现以视觉传达为基础的信息接受与反馈，同时又要在特定的时间和空 间范围， 为信息传递努力营造良好的时空氛围和环境结构。 尤其是随着社会的进步、 科技的飞速发展， 信息社会里的人们对视觉经验和感官体会的要求越来越高， 以光、 电、声、像为代表的大量新材料、新技术、新视听信息媒介的广泛应用，极大地丰 富了展览展示的设计语汇，也更加促成现代展示设计向多学科、多门类、多功能、 多手段方向交叉融合，呈现出涉及众多领域而高度综合，依靠群体协作而工程庞杂 的特征。而对这样的行业背景和态势，单纯凭借经验和直觉的设计方法显然难以把 握全局，不能胜任设计的要求，而且往往容易导致整体与局部的脱节，形式与内容 的背离，甚而造成人力、物力、财力的浪费。因而如何寻求一种全面、整体的设计 观念和思维，针对展示设计的本质特征和发展趋势，去探索和研究一套科学、理性 而又规律化的设计方法，解决丰富而具体的设计问题，是展示设计实践、研究的重 点。 1.2 课题背景课题背景 本课题是广东科学会展中心项目的一个展项，该展项的目的是向人们展示我们 的社会已经进入了数字时代。人们通过交互式游戏玩此展项，可以学到很多当代先 进科技。 1.3 研究任务和目标研究任务和目标 分析展示系统的特点，对其基于 rs485 总线的硬件系统进行设计，特别是对 485 总线的信号防冲突进行设计。同时设计了基于 directshow 的视频播放软件，并 完成了整个软件系统的整合。目标是整个系统能在连续八小时有人操作的情况下稳 定工作，并且要保证其实时性和准确性。 1.4 论文的组织结构论文的组织结构 作为切入点，在第二章分析了本展示系统，对比了两种方案的优缺点，最终选 4 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 择一种适合本系统的方案。并在此基础上提出了整个系统的总体结构。 以第二章提出的总体系统框架为顺序，在第三章对系统的硬件技术 rs485 总线 技术和第四章对系统的软件技术 directshow 进行比较深入的讨论。其中，第三章对 比现存各种总线技术的优缺点，最终选择适合本系统开发的总线技术，即 rs485 总 线技术。第四章中详细介绍了本文软件采用的技术directshow，并编写了视频 播放程序。 最后，在第五章详细介绍了整个系统的硬件结构和软件模块及软件流程，并对 系统的关键技术及测试与维护进行说明。 5 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 2 展示系统的总体设计展示系统的总体设计 2.1 展示系统功能概述展示系统功能概述 本系统的设计目标是参观者通过玩电脑组装的游戏，实现各个电脑部件模块 （cpu、内存条、硬盘、显卡、光驱、网卡、鼠标、键盘、电源）在主板上模拟组 装，来体验组装电脑的感觉，学习电脑的基本构造。 整个系统的效果图如图 2-1 所示，两个玻璃墙之间是我们的展示平台，其中上 方是一台等离子显示器，用来显示展示动画；中间是一个展台，展台上挖了九个可 放置模块的凹槽；展台上的红色按钮是整个展示系统的开始键；展台下方是八个抽 屉，可以把模块放在这些抽屉中。 整个系统的展示流程为参观者从抽屉取电脑部件模块，将模块与展示台上的相 应位置进行匹配（模块的形状不同） ，匹配成功后会有语音提示该部件的名称，同 时可以看到电子屏中显示组装相应真实部件的过程。 图 2-1 总体系统效果图 6 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 2.2 方案的选择方案的选择 从实现本系统的功能来看，其关键是展台上的凹槽如何正确识别模块，并把对 应的动画实时显示在电子屏上。 2.2.1 方案一方案一 由于模块与桌面凹槽之间是一个接触的过程，故最直接的方案是在桌面凹槽底 部安装接触式传感器（压力传感器） ，传感器采集到模块信息，通过外围电路传给 计算机，计算机再调用相应程序，控制显示屏上动画的显示。整个系统的框架图如 图 2-2 所示。 主机 外围电路 电子屏 传 感 器 1 传 感 器 2 传 感 器 9 语音装置 图 2-2 传感器方案的总体系统框图 2.2.2 方案二方案二 虽然模块与桌面凹槽之间是一个接触的过程，但是模块是从一个高处放入凹槽 7 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 的，有一定的移动距离，故也可考虑采用非接触技术，即 rfid 技术。所谓非接触 技术，即 rfid 系统的射频卡和阅读器之间不用接触只要在一定距离范围内就可完 成识别。 具体的方案是把 ic 卡（射频卡）放入模块中，在桌面凹槽底部安装一台阅读 器， 当模块放入槽中时， 触发阅读器读取模块信息， 计算机根据阅读器发送的数据， 调用相应程序以播放相应动画。整个系统的框图如图 2-3 所示。 主机 总线 电子屏 阅 读 器 1 阅 读 器 2 阅 读 器 9 语音装置 图 2-3 rfid 方案的总体系统框图 2.2.3 两种方案对比两种方案对比 传感器方案是一种很传统的方案，一般在接触式环境中应用广泛，其优点是安 装方便、经济实惠、技术成熟、准确性高。 rfid 技术是一种新兴的技术，广泛应用于非接触领域。其优点是快速、实时、 采集准确。还有一项特点就是可以编辑 ic 卡存储的信息。 本展示系统的特点是当模块放入桌面上时，不仅需要知道是有模块摆在桌面 8 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 上，而且需要考虑是否是对应模块放入了桌面上的对应凹槽，也就是说有一个防误 操作的处理。 如果采用传感器方案， 意味着不能对模块作任何特殊处理。 也就是说， 如果有模块放入桌面凹槽处，传感器可以判断出有模块放在上面，但不能确定是否 是跟该槽对应的模块放在上面。所以传感器方案没有防误操作的功能，况且压力传 感器的感应面就露在外面，对其使用寿命也有一定影响。而采用 rfid 方案则不然， 我们可以预先对放在各模块中的 ic 卡存储内容进行编辑。比方说，代表 cpu 的模 块其内部的 ic 卡编号为 1、代表硬盘的模块其内部的 ic 卡编号为 2。当有模块放 入槽中时，其底部的阅读器读取其 ic 卡的数据，通过程序判断模块中的 ic 卡是否 是与阅读器对应的 ic 卡。比方说，桌面上 cpu 的槽，对应的 ic 卡应该是编号为 1； 硬盘的槽，对应的 ic 卡应该是编号为 2。如果把 cpu 模块放入硬盘槽中，其底部阅 读器读取 ic 卡信息，知道其编号为 1，不是硬盘模块的编号，可由语音装置和电子 屏报错。同时，rfid 是非接触式技术，阅读器不用露在外面，这样对整个展示系统 的美观和其使用的持久性都有无可比拟的好处。 综上所述，rfid 技术有其独特的优点，而这种优点正是本系统所需要的，而且 选择 rfid 技术对于系统的稳定性、可靠性、可维护性都有很大的提高。 2.3 rfid 系统组成和工作原理系统组成和工作原理 射频识别技术(radio frequency identification，rfid)是一种非接触的自动识别 技术。由于大规模集成电路技术的成熟，射频识别系统的体积大大缩小，因而逐步 进入实用化的阶段8。它利用射频方式进行非接触双向通信，以达到识别目的并交 换数据。它和同期或早期的接触式识别技术不同，rfid 系统的射频卡和阅读器之 间不用接触就可完成识别，应用范围极其广泛。作为一种快速、实时、准确采集与 处理信息的高新技术和信息标准化的基础， rfid 被列为本世纪十大重要技术之一9。 另外，rfid 技术是一门融合了多学科的综合技术，不仅涉及射频技术和信息 传输理论，也包含了密码学知识与半导体技术等学科10。随着 21 世纪信息化时代 的到来，结合信息化网络管理和移动商务的要求，rfid 将会发挥巨大的作用。 2.3.1 rfid 系统组成系统组成 射频识别系统的基本模型如图 2-4 所示。其中，电子标签又称为射频卡、应答 器；阅读器又称为读头、读写器。电子标签与阅读器之间通过耦合元件实现射频信 9 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 号的空间耦合；在耦合通道内，根据时序关系，实现能量的传递和数据的交换11。 电子标签中一般保存有约定格式的编码数据，用以唯一标识标签附着的物体。 射频识别阅读器 射频电子标签 数据信号 能量信号 图 2-4 rfid 系统基本模型 一台典型的阅读器包含有高频模块（发送器和接收器） ，控制单元以及与电子 标签相连接的耦合元件，此外许多阅读器还有附加的接口（如 rs232，rs485 等） ， 而电子标签往往由耦合元件以及微电子芯片组成12。 在射频识别系统中，除了具有两个基本的构成部分外，为了能更好地完成无线 射频识别技术的识读功能，还需要用到中间件、外部计算机(上位机主系统)等附属 设备。 （1）rfid 阅读器(reader) 射频标签阅读器是射频识别系统的两个重要组成部分(标签与阅读器)之一。射 频标签阅读器根据具体实现功能的特点也有一些其他较为流行的别称， 如： 查询器， 通信器，扫描器，读写器，编程器，读出装置，便携式读出器，aei 设备等13。 接 口 电 路 控制 模块 通信 模块 天 线 图 2-5 阅读器内部结构图 阅读器根据使用的结构和技术不同可以是读或读/写装置，是 rfid 系统信息控 制和处理中心。阅读器是由天线、通信模块、控制模块、接口电路等部分构成 (如 图 2-5 所示)。天线是阅读器与射频标签通信的媒介。通信模块完成射频通信中一些 基本的调制、解调、放大等功能。而控制模块根据不同的性能要求，在不同的应用 10 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 场合可以有多种实现方式。系统中的接口电路根据需要可以包括：lcd 液晶显示驱 动接口、键盘控制接口、和计算机相连的 rs232 接口、rs485 接口、sam 卡接口 等。此外阅读器中还包括一些时钟产生电路等辅助电路。 rfid 阅读器的任务是控制射频收发器发射射频信号，通过射频收发器接收来 自标签上的已编码射频信号， 对标签的认证识别信息进行解码;将认证识别的信息连 带标签上其它相关信息传输到主机以供处理。阅读器中的硬件部分控制着阅读器的 工作。用户可以通过相关控制主机或本地终端发布命令以改变或订制其工作模式适 应具体应用的需求。 （2）射频电子标签(tag) 射频标签也叫电子标签、 智能标签、 tag 或者 smart labels。 其核心是采用 rfid 射频识别技术、具有一定存储容量的芯片。 天 线 电 源 eeprom 微处理cpu 图 2-6 电子标签内部结构图 图 2-6 所示，标签是由耦合元件及微芯片组成，其中包含带加密逻辑、串行 eeprom(电可擦除及可编程式只读存储器)、 微处理器 cpu 以及射频收发及相关 电路。电子标签具有智能读写和加密通信的功能，它是通过无线电波与读写设备 进行数据交换，工作的能量是由阅读器发出的射频脉冲提供。射频电子标签中一 般保存有约定格式的电子数据，在实际应用中，射频电子标签附着在待识别物体的 表面。 根据标签内有无电池可将标签分为有源标签和无源标签。有源电子标签使用卡 内电池的能量，识别距离较长，可达十几米，但是它的寿命有限(3-10 年)，且价 格较高;无源电子标签不含电池，它接收到阅读器(读出装置)发出的微波信号后， 利用阅读器发射的电磁波提供能量，一般可做到免维护、重量轻、体积小、寿命 长、较便宜，但它的发射距离受限制，一般是几十厘米，且需要阅读器的发射功 率大14。 11 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 根据电子标签调制方式的不同还可分为主动式标签和被动式标签。主动式的电 子标签用自身的射频能量主动地发送数据给阅读器，主要用于有障碍物的应用中， 距离较远(可达 30 米)；被动式的电子标签，使用调制散射方式发射数据，它必须利 用阅读器的载波调制自己的信号，适宜在门禁或交通应用中使用15。通常， “主动 式”标签需要专用电池支持其传输器及接收器的工作，但 ram 区不一定大。为避 免干扰，主动式的标签要求能接收与转发多个频点的信号，以避免邻道干扰，卡的 组成复杂，而且功耗也大。由此， “主动式”标签一般比“被动式”标签在外形上 要大一些且价格更昂贵。另外， “主动式”标签的使用寿命都与其电池寿命直接相 关16。 通常情况下，被动式标签不含有电源，它们从阅读器通信信号中获取能量作为 它们的操作能源，并且使用那个能量激活内部性能与阅读器通信。获得的能量会限 制通信范围和被动标签的性能。主动标签内部含有电源，其内部电源使主动标签有 多种性能，并且可以与阅读器或者其它标签进行复杂通信。目前广泛应用的大多是 无源被动式标签。 2.3.2 rfid 系统工作原理系统工作原理 （1）rfid 系统的基本工作原理 rfid 系统的工作原理如下：阅读器将要发送的信号，经编码后加载在某一频 率的载波信号上经天线向外发送，进入阅读器工作区域的电子标签接收此脉冲信 号，卡内芯片中的有关电路对此信号进行调制、编码、解密，然后对命令请求、密 码、权限等进行判断17。若为读命令，控制逻辑电路则从存储器中读取有关信息， 经加密、编码、调制后通过卡内天线再发送给阅读器，阅读器对接收到的信号进行 解调、 解码、 解密后送至中央信息系统进行有关数据处理； 若为修改信息的写命令， 有关控制逻辑引起的内部电荷泵提升工作电压，提供擦写 eeprom 中的内容进行 改写，若经判断其对应的密码和权限不符，则返回出错信息。 射频识别技术根据采用频率不同可分为低频系统和高频系统两大类；根据电子 标签内是否装有电池为其供电，又可将其分为有源系统和无源系统两大类；从电子 标签内保存的信息注入方式可将其分为集成电路固化式、现场有线改写式和现场无 线改写式三大类； 根据读取电子标签数据的技术实现手段， 可将其分为广播发射式、 倍频式和反射调制式三大类18。 （2）rfid 系统的工作流程 12 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 图 2-7 rfid 系统工作流程图 从图 2-7 可以看出，射频识别（rfid）系统的工作流程主要由搜索射频卡、防 冲突、选卡、读写操作等步骤组成。rfid 系统经过上电复位后，即进入搜索射频 卡阶段。该阶段，系统内主机不断向阅读器发送搜索射频卡指令。当有射频卡放入 阅读器时，系统会作出防冲突判断，以便有多张射频卡放入同一阅读器时可以选取 一张合适的卡。如果只有单张卡放在阅读器上，则无需“防冲突”阶段而直接进入 “选卡”阶段。选择了特定射频卡后，阅读器就会对卡进行读写操作，或者验证密 码、减值操作、增值操作等。至此操作基本完成，重新进入搜索射频卡阶段，以等 待下一张射频卡的输入。 上电复位 搜索射频卡 复位 防冲突 选卡 读/写 验证密码 减值操作 增值操作,等 中止 (完成所有操作) 改变操作 地址 13 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 2.4 本章小结本章小结 首先描述了整个展示系统的功能，接着对比两种实现方案的优缺点，选择一 种适合本系统的方案，即 rfid 方案，最后对 rfid 系统的组成和工作原理进行 论述。 14 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 3 基于基于 485 总线的硬件结构设计总线的硬件结构设计 3.1 典型典型 rfid 硬件系统构成硬件系统构成 典型的 rfid 系统如图 3-1 所示，主要由主机、总线和 rfid 阅读器组成。其 中一台主机可以控制多台阅读器，数量由所采用的连接方式决定，比方说，如果主 机与阅读器是通过 rs485 总线相连的，则一台主机最多可以连接 256 台阅读器。而 且采取不同的连接方式，其稳定性和实时性都不相同。所以说连接主机与阅读器之 间总线的选择是 rfid 硬件系统的关键。 rfid阅 读器1 rfid阅 读器3 rfid阅 读器2 rfid阅 读器4 rfid阅 读器n 主机 总线 图 3-1 典型 rfid 硬件系统框图 3.2 总线网络的选择总线网络的选择 3.2.1 现有的工业组网方式现有的工业组网方式 我们把工业网络归结为三类： hart 网络、现场总线网络和 rs485 网络。 hart 网络：hart 是由现在的艾默生提出一个过度性总线标准，他主要是在 420 毫安电流信号上面叠加数字信号，物理层采用 bell202 频移键控技术，以实 现部分智能仪表的功能，但此协议不是一个真正意义上开放的标准，要加入他的基 金会才能拿到协议，加入基金会要一部分的费用19。技术主要被国外几家大公司垄 15 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 断，近两年国内也有公司在做，但还没有达到国外公司的水平。现在有很大一部分 的智能仪表都带有 hart 圆卡， 都具备 hart 通讯功能。 但从国内来看还没有真正 利用其这部分功能，最多只是利用手操器对其进行参数设定，没有发挥出 hart 智 能仪表应有的功能，没有联网进行设备监控。从长远来看由于 hart 通信速率低组 网困难等原因，hart 仪表的采购量会程下滑趋势，但由于 hart 仪表已经有十多 年的历史现在在装数量非常的大，对于一些系统集成商来说还有很大的可利用空 间。 现场总线网络：现场总线技术是当今自动化领域技术发展热点之一，被誉为自 动化领域的计算机局域网，它的出现标志着自动化控制技术又一个新时代的开始。 现场总线是连接设置在控制现场的仪表与设置在控制室内的控制设备的数字化、串 行、多站通信的网络。其关键标志是能支持双向、多节点、总线式的全数字通信20。 现场总线技术近年来成为国际上自动化和仪器仪表发展的热点，它的出现是传统的 控制系统结构产生了革命性的变化，是自控系统朝着智能化、数字化、信息化、网 络化、分散化的方向迈进，形成新型的网络集成式全分布式控制系统现场总线 控制系统 fcs（fieldbus control system） 。但是现在的现场总线的各种标准并行存 在并且都有自己的生存领域，还没有形成真正统一的标准，关键是看不到什么时候 能形成统一的标准，技术也不够成熟。另外现场总线的仪表种类还比较少可供选择 的余地小，价格也偏高，从最终用户的角度看大多还处于观望状态，都想等到技术 成熟之后在考虑，现在实施的少。 rs485 网络：rs485/modbus 是现在流行的一种布网方式，其特点是实施简 单方便 ，而且现在支持 rs485 的仪表又特多，特别是在油品行业 rs485/modbus 简直是一统天下，现在的仪表商也纷纷转而支持 rs485/modbus，原因很简单， 像原来的 hart 仪表想买一个转换口非常困难 而且价格昂贵，rs485 的转换接口 就便宜的多而且种类繁多。至少在低端市场 rs485/modbus 还将是最主要的组网 方式，近两三年内不会改变。 3.2.2 各种总线技术的比较各种总线技术的比较 （1）can 总线 can 是控制局域网络（control area network）的缩写，它是由德国 bosch 公 司推出、最早用于汽车内部监测部件与控制部件的数据通信网络。现在已经逐步应 16 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 用到其他控制领域。can 规范现已被国际标准化组织采纳，成为 ts011898 标准 21。can 协议也是建立 1so/osi 模型基础上的，它采用了 osi 底层的物理层、 数据链路层和高层的应用层，其信号传输介质为双绞线。最高通信速率为 1mbps （通信距离 40m） ，最远通信距离可达 10km（通信速率为 5kbps） ，节点总数可达 110 个。 can 总线采用双线串行通信方式，检错能力强，可在高噪声干扰环境中合作。 can 具体优先权和仲裁功能，多个控制模块通过 can 控制器挂到 canbus 上， 形成多主机局部网络。其可靠性和实时性远高于普通的通信技术。 （2）profibus 总线 profibus 是过程现场总线（process fieldbus）的缩写。它是德国国家标准 din1925 和欧洲标准 en50170 所规定的现场总线标准。profibus 由三个兼容 部 分 组 成 。 即 profibus-dp ， profibus-pa 和 profibus-fms 。 其 中 profibus-dp 是一种高速低成本通信系统。 它按照 iso/osi 参考模型定义了物理 层、数据链路层和用户接口；profibus-pa 专为过程自动化设计，可使变送器与 执行器连接在一根总线上，并提供本质安全和总线供电特性。profibus-pa 采用 扩展的 profibus-dp 协议， 另外还有现场描述设备的 pa 行规； profibus-fms 根据 iso/osi 参考模型定义了物理层、链路层和应用层，其中应用层包含了现场 总线报文规范 fms (fieldbus message specification)和低层接口 lli(lower layer interface)。最高通信速率为 12mbps（通信距离不超过 100m） ，最大通信距离为 1200m（通信速率为 9.6kbps） 。其传输介质可以是双绞线或光缆。每个网络可挂 32 个节点，如带中继器，最多可挂 127 个节点。 profibus 现场总线满足了生产过程现场级数据可存取性的重要要求，一方面 它覆盖了传感器/执行器领域的通信要求， 另一方面又具有单元级领域的所有通信功 能。特别在分散 i/o 领域，有大量的、种类齐全的、可连接的现场设备可供选用。 （3）lonworks 总线 lonworks 是又一具有强劲实力的现场总线技术，它是由美国 echelon 公司推 出并由它与摩托罗拉、东芝公司共同倡导，于 1990 年正式公布而形成的。它采用 了 iso/osi 模型的全部 7 层通信协议，采用了面向对象的设计方法，通过网络变量 把网络通信设计简化为参数设置，其通信速率从 300 bit/s1.5mbit/s 不等，直接通 信距离可达 2700m（78kbit/s，双绞线） ；支持双绞线、同轴电缆、光纤、射频、红 17 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 外线、电源线等多种通信介质，并开发了相应的安全防爆产品，被誉为通用控制网 络22。 高可靠性、 安全性、 易于实现和互操作性， 使得 lonworks 产品应用非常广泛。 它广泛应用于过程控制、电梯控制、能源管理、环境监视、污水处理、火灾报警、 采暖通风和空调控制、交通管理、家庭网络自动化等。为了便于各个厂商不同设备 的互操作，echelon 公司和一些 lonmarks 用户在 1994 年成立了 lonworks 互操 作协会。协会的主要任务是制定和推广 lonworks 技术的设计指导标准，并帮助生 产厂商和最终用户制造和使用可互操作的 lonworks 产品。 （4）hart 总线 hart 是 highway addressable remote transducer 的缩写，其特点是在现有模 拟信号传输线上实现数字通信，属于模拟系统向数字系统转变过程中的过渡性产 品，因而在当前的过渡时期具有较强的市场竞争能力，得到了较快的发展。 hart 支持点对点主从应答方式和多点广播方式。总线上可挂设备数多达 15 个，每个现场设备可有 256 个变量，每个信息最大可包含 4 个变量，最大传输距离 3000m。能利用总线供电，可满足本质防爆要求。 （5）rs485 总线 eia (electronic industries association) 提出 rs485 总线，是为了解决 rs232 串行通信在传输距离和通信速率上的不足。为提高抗共模干扰能力，它采用 平衡差分方式传输串行电压信号，即总线的状态由一对导线之间电压差决定 23。 rs485 总线只规定了数据通信物理层标准，数据链路层、传输层等上层协议没有统 一的规定，应用时需要自行规定。 rs485 总线标准的传输距离可达到 1200m,最高通信波特率达到 1ombps。 总线上 所能挂接的节点数能达到 32 到 256 个，如果使用中继器，节点数还可以成倍增加。 3.2.3 选择选择 rs485 总线总线 客观地讲，rs485 虽然在先进性和开放性上不如现场总线技术，但是，它具有 现场总线技术不能比拟的性能价格比，有很强的实用性和经济性。 can 总线的每个数据帧只能发送 8 个字节有用信息，而一台下位机向上位机发 送的有用数据长度有时要超过 8 个字节，使用起来不方便。can 总线只规定了网络 18 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 的物理层和数据链路层，因此要真正方便地实现不同厂家产品的集成也不是很容 易。 尽管现场总线技术具有互操作性和互用性的优点，但它们自身的发展却抑制了 这种优势的体现。因为到目前为止仍没有一种大家公认的总线标准，各大公司都不 愿意做出妥协，独自发展自己的现场总线技术。iec61258 标准不得不承认 8 种现场 总线标准同时存在，多标准实际就是没有标准。 rs485 总线应用起来比较方便，硬件电路通过一个总线收发器就可以挂接到总 线上，不同 ic 厂商的收发器可以直接互换，且成本很低。rs485 的物理层标准同时 还被 can, ff, lonworks 等总线采用，足见其可靠性。 3.3 rs485 概述概述 3.3.1 eia rs-485 标准标准 在自动化领域，随着分布式控制系统的发展，迫切需要一种总线能适合远距离 的数字通信。在 rs-422 标准的基础上，eia 研究出了一种支持多节点、远距离和 接收高灵敏度的 rs-485 总线标准24。 rs-485 标准采有用平衡式发送，差分式接收的数据收发器来驱动总线，具体规 格要求： （1） 接收器的输入电阻 rin12k （2） 驱动器能输出7v 的共模电压 （3） 输入端的电容50pf （4） 在节点数为 32 个，配置了 120的终端电阻的情况下，驱动器至少还能 输出电压 1.5v（终端电阻的大小与所用双绞线的参数有关） （5） 接收器的输入灵敏度为 200mv（即（v+）-（v-）0.2v，表示信号“0” ； （v+）-（v-）-0.2v，表示信号“1” ） 因为 rs-485 的远距离、多节点（32 个）以及传输线成本低的特性，使得 eia rs-485 成为工业应用中数据传输的首选标准25。 3.3.2 rs485 接口接口 rs485 有两线制和四线制两种接线，四线制只能实现点对点的通信方式，现很 19 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 少采用，现在多采用的是两线制接线方式，这种接线方式为总线式拓扑结构在同一 总线上最多可以挂接 32 个结点。 由于 pc 机默认的只带有 rs232 接口， 有两种方法可以得到 pc 上位机的 rs485 电路：(1)通过 rs232/rs485 转换电路将 pc 机串口 rs232 信号转换成 rs485 信号， 对于情况比较复杂的工业环境最好是选用防浪涌、带隔离栅的产品。(2)通过 pci 多串口卡，可以直接选用输出信号为 rs485 类型的扩展卡。 3.3.3 rs485 传输线传输线 在差分平衡系统中，一般选择双绞线作为信号传输线。由于双绞线在长度、方 向上完全对称，因而它们所受的干扰程度相同，所以在接收器的输入端共模干扰受 到抑制，能实现信号的可靠传输。 在使用 rs485 接口时，对于特定的传输线路，从 rs485 接口到负载其数据信 号传输所允许的最大电缆长度与信号传输的波特率成反比，这个长度数据主要是受 信号失真及噪声等影响所影响。理论上 rs485 的最长传输距离能达到 1200 米，但 在实际应用中传输的距离要比 1200 米短，具体能传输多远视周围环境而定26。 另外，若传输线上阻抗不连续，即信号在传输线末端突然遇到电缆阻抗很小甚 至没有，信号在这个地方就会引起反射，如图 3-2 所示。这种信号反射的原理，与 光从一种媒质进入另一种媒质要引起反射是相似的。消除这种反射的方法，就必须 在电缆的末端跨接一个与电缆的特性阻抗同样大小的终端电阻，使电缆的阻抗连 续。由于信号在电缆上的传输是双向的，因此，在通讯电缆的另一端可跨接一个同 样大小的终端电阻，如图 3-3 所示。 入射信号 不连续阻抗 r60 z120 z120 反射波 驱动器 图 3-2 阻抗不连续引起的信号反射 20 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 入射信号 r120 z120 z120 驱动器 r120 图 3-3 终端电阻正确连接 从理论上分析，在传输电缆的末端只要跨接了与电缆特性阻抗相匹配的终端电 阻，就再也不会出现信号反射现象。但是，在实现应用中，由于传输电缆的特性阻 抗与通讯波特率等应用环境有关，特性阻抗不可能与终端电阻完全相等，因此或多 或少的信号反射还会存在27。 3.3.4 影响影响 rs485 总线通信可靠性的因素总线通信可靠性的因素 影响rs485总线信号传输的因素可以归结为3个， 即在通信电缆中的信号反射、 信号衰减和纯阻负载。通信电缆中的信号反射已经在上文介绍，现对通信电缆中的 信号衰减和纯阻负载逐个进行介绍。 （1）通信电缆中的信号衰减 我们知道，一条传输电缆可以把它看出由分布电容、分布电感和电阻联合组成 的等效电路，具体电路如图 3-4 所示。 r r r r r r l l l l 图 3-4 传输电缆等效电路图 21 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 电缆的分布电容 c 主要是由双绞线的两条平行导线产生。 导线的电阻在这里对 信号的影响很小，可以忽略不计。信号的损失主要是由于电缆的分布电容和分布电 感组成的 lc 低通滤波器。 （2）通信电缆中的纯阻负载 这里指的纯阻性负载主要由终端电阻、偏置电阻和 rs-485 收发器三者构成。 驱动器 r=150 12k12k12k12k r=150 16个16个 图 3-5 带 32 个节点的通信网络等效电路图 在叙述 eia rs-485 规范时曾提到过 rs-485 驱动器在带了 32 个节点，配置了 150终端电阻的情况下，至少能输出 1.5v 的差分电压。一