（通信与信息系统专业论文）基于rfid的读卡分站系统设计.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 目前国内煤矿的安全生产形势非常严峻，国家正在大力治理煤矿安全生产 环境，为了有效提高煤矿的安全生产能力，必须加强对生产人员和移动设备的 监管，使管理者能及时、清楚地了解谁在井下、到过哪里、正在哪里，哪台移 动设备所在位置等等。由于无线电通讯技术以及技术向矿山安全应用领域转移 投入的社会力量的局限，原有矿用无线通讯产品存在功耗较大、读卡速度慢、 同时可读卡数少、读卡可靠性差和产品尺寸大不便于携带等问题，很难大批装 备到煤矿使用。为了有效的定位以及管理更多的人员，所以必须建立读卡的分 站，连接更多的读卡器，可以很好的在有效的范围之内锁定人员的位置，检测 人员的流动情况。 本论文的主要工作有： 设计读卡分站系统。读卡分站系统包括了定位卡、读卡子站、读卡分站和 监控主机四大部分。传输系统为r s 4 8 5 总线，分站通过传输总线从读卡子站中接 收定位卡的信息，分析并且保存之后，通过总线上传至监控主机。负责监控的 人员通过监控主机对矿井人员身上的定位卡信息进行分析，可以及时的掌握工 作人员的方位。 系统中的定位卡为有源的r f i d 标签，依靠r f i d 技术主动的发送矿井人员的 位置信息，由于采用了低功耗技术，可以保证定位卡的使用寿命达n 3 年以上； 读卡子站中通过无线收信机，接受定位卡的地址信息，并且配备有时间芯片， 可以实时的反映定位卡的地址信息；读卡分站配备有大容量的外部r a m 和外部 f l a s h ，外部r a m 实现大量数据的缓存功能，外部r a m 通过读卡子站的地址信 息划分区块对定位卡的信息进行存储，大容量的外部f l a s h 除了对定位卡信息 进行保存外，还要对定位卡信息进行分析处理，将已经离线或者工作不稳定的 定位卡信息另外保存，实现更智能化的管理；监控主机中监控软件依靠数据库 技术，快速的保存定位卡，读卡子站和读卡分站的数据信息。 实际应用证明，系统设计合理。在运行中系统表现稳定，实现了对矿井人 员的定位，并且扩大了监控的范围，达到了设计的要求。 关键词：分站，传输总线，监控 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t a tp r e s e n t , c o a lm i n ep r o d u c t i o ns a f e t ys i t u a t i o nw a sv e r ys e r i o u s ，t h es t a t ei s t r y i n gh a r dt oc o n t r o lc o a lm i n es a f e t yp r o d u c t i o ne n v i r o n m e n t , i no r d e rt oe f f e c t i v e l y i m p r o v et h es t a t i o no fc o a lp r o d u c t i o n ，w h i c hn e e dt os t r e n g t h e nt h ep r e g u l a t i o no f w o r k e ra n dm o b i l ed e v i c e s ，s ot h a tm a n a g e r sc a np r o m p t l ya n dc l e a r l yt ok n o ww h o w o r k su n d e r g r o u n d ，w h e r ei st h ew o r k e rn o w , t h el o c a t i o no fm o b i l ed e v i c e sa n ds o o n a sar e s u l to fr a d i oc o m m u n i c a t i o n st e c h n o l o g ya n dt h ea p p l i c a t i o no ft e c h n o l o g y t ot h ef i e l do fm i n es a f e t yi nt h et r a n s f e ro ft h el i m i t a t i o n so fs o c i a lf o r c e s t h e o r i g i n a lm i n e - p o w e rw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o np r o d u c t sn e e dm o r ep o w e r , b u tw h i c h p r o v i d el e s sr a t e ，a tt h es a m et i m e ，af e wc a r dr e a d ，p o o rr e l i a b i l i t ya n dl a r g es i z ei s n o te a s yt oc a r r ya n do t h e ri s s u e s ，i ti sd i f f i c u l tt ou s e a l a r g en u m b e ro fe q u i p m e n tt o t h ec o a lm i n e i no r d e rt oe f f e c t i v e l ym a n a g et h el o c a t i o n ，a sw e l la sm o r es t a f f ：9i ti s n e c e s s a r yt oe s t a b l i s ht h es u b s t a t i o no fc a r dr e a d e rt oc o n n e c tm o r er e a d e r s w h i c h c a nb ev e r yg o o da te f f e c t i v e l yl o c k e dw i t h i nt h es c o p eo ft h el o c a t i o no f p e r s o n n e it o d e t e c tt h em o v e m e n to fp e r s o n n e l t h em a i nw o r ko ft h i sp a p e ri sa sf o l l o w s ： d e s i g no ns u b s t a t i o ns y s t e mo fc a r dr e a d e r t h es u b s t a t i o ns y s t e mo fc a r dr e a d e r i n c l u d e sf o u rm a i np a r t s ，s u c ha si dc a r d ，c a r dr e a d e r , s u b s t a t i o no fc a r dr e a d e ra n d m o n i t o r t r a n s m i s s i o ns y s t e mi sa c h i e v e dt h r o u g hr s 4 8 5b u s s u b s t a t i o ng e t sp o s i t i o n i n f o r m a t i o no fi dc a r df r o mt h ec a r dr e a d e rt h o u g ht r a n s m i s s i o ns y s t e m ，t h e nu p l o a d i n f o r m a t i o nt ot h em o n i t o rt h r o u g ht h eb u s t h ew o r k e rw h oi nc h a r g eo fm o n i t o r a n a l y z ei dc a r di n f o r m a t i o n ，c a np r o m p t l yg e tt h et h ei n f o r m a t i o no fu n d e r g r o u n d s t a f f sp o s i t i o n t h e s ei dc a r d si nt h i ss y s t e ma r ea l la c t i v er f i d t a g s , w h i c hs e n d i n gt h el o c a t i o n i n f o r m a t i o no f m i n ew o r k e r sb yr f i dt e c h n o l o g y t h ei dc a r dg u a r a n t e ew o r k i n gl a s t f o rt h r e ey e a r sa t l e s tt h a n k st ot h el o w - p o w e rt e c h n o l o g y ；t h ec a r dr e a d e rr e c e i v e s p o s i t i o ni n f o r m a t i o no fi dc a r dt h r o u g ht h ew i r e l e s sr e c e i v e r , a n dw h i c hi se q u i p p e d 、析t l lat i m ec h i pc a np r o v i d er e a l - t i m ep o s i t i o ni n f o r m a t i o no ft h ei dc a r d ；t h e 武汉理工大学硕士学位论文 s u b s t a t i o na r ee q u i p p e d 谢t h1 1 i 曲一c a p a c i t ye x t e r n a lr a ma n de x t e r n a lf l a s h ， e x t e r n a lr a m p r o v i d ec a c h ef o ral a r g ea m o u n to fd a t a , t h ee x t e r n a lr a mk e 印t h e i n f o r m a t i o no fc a r db yt h ei n f o r m a t i o no fc a r dr e a d e ra d d r e s s ，h i 曲一c a p a c i t ye x t e r n a l f l a s hc a r di na d d i t i o nt op r e s e r v ep o s i t i o ni n f o r m a t i o n ，b u ta l s ot oa n a l y z ec a r d i n f o r m a t i o n ，t op r e s e r v et h ei n f o r m a t i o no fc a r do fo f f - l i n ea n di n s t a b l ea ta n o t h e r p l a c e ，t oa c h i e v em o r ei n t e l l i g e n tm a n a g e m e n t ；t h eh o s ts o f = i ? w a r eo fm o n i t o rc a l l p r e s e r v ed a t ao fl dc a r d ，c a r dr e a d e ra n ds u b s t a t i o n t h e p r a c t i c a la p p l i c a t i o no fs y s t e mp r o v e st h a td e s i g na r er e a s o n a b l e t h es y s t e m i nt h eo p e r a t i o np e r f o r m si t ss t a b i l i t y , w h i c he x p a n dt h es c o p eo fm o n i t o r , a c h i e v et h e d e s i g nr e q u i r e m e n t s k e y w o r d s ：s u b s t a t i o n , t r a n s m i s s i o nb u s ，m o n i t o r 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本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，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大 学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对 本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：蜱日期：二啦 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、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。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编 本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库 使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生c ：王武锋导师c 鬃荔日期沙弘驴 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 课题来源 第1 章绪论 课题来源于浙江省嘉兴市巨龙自动化有限公司的“矿用( r f i d ) 无线电定位 安全监护系统”。 在实习期间，公司主要的产品是依靠射频识别技术实现矿井下人员的定位， 但是随着矿业的兴盛，需要更多的人员的定位，更长距离的监控，现有的设备 已经越来越不能满足现代矿业的要求，所以在现有的设备上面增加分站，实现 更多人员定位和更长距离的监控。 已有的读卡子站经过测试，在一定得范围内能够同时容纳至少2 5 6 张定位 卡，但是对于大中型矿井来说并不能满足需要，如果通过读卡分站通过总线连 接读卡子站，读卡分站可以连接十几个读卡子站，通过现有监控主机接口，多 个读卡分站已经能够满足一般中小型矿井的需要。 经过以上的分析，本文对读卡子站进行研究，开发出来读卡分站系统，解 决了当前现有技术的缺陷，对于矿井下人员的管理提供了更好的解决办法，有 一定得实际价值和意义。 1 2 课题背景 随着矿区煤矿开采的进一步发展，采矿作业范围不断扩大，采矿作业井巷 不断加深，地面管理人员对井下作业人员的监控与管理越来越困难，这种对井 下作业人员的失控状况，给矿井正常的生产指挥与协调，以及矿井灾害发生时 的营救都带来极大的影响【l 】。因而加大了矿井安全生产的难度。目前，国家对煤 矿安全生产的重视程度已提高到前所未有的高度( 国家专门成立了国家煤矿安全 监察局来制定煤矿安全生产的法规和实施煤矿安全生产的严格监督，已证明了 这一事实) ，同时，众所周知，煤矿的安全生产是煤矿企业效益的保障，更是煤 矿企业持续健康发展的重要条件，因而确保煤矿的安全生产不仅是政治问题， 也是煤矿企业健康发展的战略问题。现有的矿井安全监测监控系统是灾前预警 系统，监测对象主要是环境安全参数，生产过程及生产工艺监测，不能实现井 武汉理工大学硕士学位论文 下工作人员的定位。矿井下员工的具体位置与分布情况等重要数据不能及时传 到并上监制中心，这些都是矿难事故频发而营救效率十分低下的症结所在。因 此，建立可靠实用的煤矿井下人员定位系统，消除地面管理人员对井下作业人 员视野盲区，提高对井下作业人员的有效监控和调度，增强矿井灾害发生时井 下作业人员的快速反应能力，改善煤矿的安全生产管理。 1 3 国内外研究水平及动态 射频识别系统在国外的研究起步较早，目前已有许多成熟的应用。在研究方 面从标签芯片设计，天线设计，射频模块设计，基带系统设计等组成射频识别 系统的各个方面都有较为深入的研究，形成了一套射频识别系统特有的理论体 系。目前的研究已经进入了标准化阶段，己经形成了一系列的标准草案，包括 i s o i e c 的用于物品管理1 8 0 0 0 系列标准草案，该草案初步定义了从低频到高频 工作时的一系列标准，还有美国的n t i t s2 5 6 标准草案等。但是到目前为止这 些草案还都没有形成正式的标准发布。目前己经在国际上成立了一个e p cg l o b a l 这样一个组织，这个组织正在大力的推广和完善由美国麻省理工学院a u t oi d c a n t e r 研究中心提出的e p c 的概念，所谓e p c ，即产品电子代码，也就是要为 世界上每一件商品分配一个电子代码，这个编码信息封装在射频标签之中并附 着在商品上。在物流系统的各个环节可以用射频识别的方式将商品中的信息读 出，并将读出的信息放到互联网上，这样人们可以在互联网上随时查询任何一 件商品的情况，形成所谓的“物联网”，可以想象，一旦这一计划最终付诸实施， 将会给我们现在的物流体系甚至我们的生活方式带来革命性的变革【2 】。 从国内来讲射频识别的应用研究起步较晚但发展较快，目前的情况是一方 面主要侧重于研究利用国外己有的组件在不同场合下的应用，并且在许多场合 获得了成功，同时国内在射频识别系统方面已在逐步着手研发具有自主知识产 权的r f i d 芯片，这是i 江i d 系统中最核心的技术【3 】。另一方面，对于涉及r f i d 数据通信的一些基本问题研究较少，也较少能够见到通过对整个r f i d 数据通信 建立数学模型并利用计算机仿真来研究系统的性能。 但是有关政府部门已经充分认识到r f i d 产业的重要性，并且对于产业标准 的制定也越来越重视。在2 0 0 4 年初，国家标准化管理委员会式成立了中国电子 标签国家标准工作组，其目的就是建立中国自己的r f i d 标准，推动中国自己的 r f i d 产业。然而，国家标准的制定过程一波三折，2 0 0 4 年底，由于种种原因， 2 武汉理工大学硕士学位论文 电子标签国家标准工作组被暂停。 但电子标签国家标准的制定并未就此停住脚步。虽然关于国家标准依然存 在着多种不同的声音，但兼容国际标准，支持自主知识产权，保护中国利益的 主张得到了广泛的共识。目前信息产业部、科委、国标委等十四部委已完成编 写中国r f i d 白皮书，以支持我国自知识产权的r f i d 编码体系枷c 系 统的建立。目前新的r f i d 国家标准起草组已经成立，并由信息产业部产品司司 长任该起草组的组长并已展开相应的标准起草工作。新标准将在具有自主知识 产权的前提下，谋求与国际标准相互兼容。 1 4 本论文的主要研究工作 本文研究的主要问题包括：读卡分站的软硬件设计，监控主机的软件设计， 数据通信协议的制定。 如何有效快速的对读卡子站采集的数据进行处理是读卡分站的难点。由于 从读卡子站上传的数据存在数据量大的特点，所以对读卡分站的软硬件和传输 总线的设计方面提出了更高的要求。 在读卡分站的硬件设计方面，考虑到成本以及实用性，以及要配备外部大 容量的s r a m 和f l a s h ，要解决的问题是：寻找合适的处理芯片以及如何连接 外部芯片。本文通过采用一款多i o 口的芯片通过模拟总线的方式解决了这个问 题。 读卡分站的程序设计方面存在的难点是，如何对采集的大量数据进行优化 存储。本文中解决的方法是：通过读卡子站的地址，在缓存中划分区块，将各 个读卡子站接收到得定位卡信息进行分别存储。在历史记录方面，由于现有的 n a n df l a s h 特殊构造，在程序设计时候要考虑到f l a s h 存在坏块的可能以及当读取 到错误数据时，如何对数据进行纠错。 在监控主机软件设计方面，主要研究采用良好的人机交互画面，实现上下 位机的的良好通信。 通信协议的制定主要参考m o d b u s 协议 4 1 。 3 武汉理工大学硕士学位论文 1 5 本论文结构 本论文共分为四章，各章的内容具体安排如下 第一章绪论 介绍课题的背景和来源，所做的工作以及论文的结构。 第二章系统原理及总体架构 首先介绍了r f i d 技术的应用，然后说明系统原理，给出系统的物理架构和 功能模块图。 第三章定位卡设计 介绍了系统中的实现定位功能的定位卡的设计，包括了硬件设计部分及程 序设计思想。 第四章读卡子站设计 介绍了读卡子站的硬件设计和程序设计。 第五章读卡分站的设计 介绍了读卡分站软硬件设计。硬件设计中介绍了r s 4 8 5 总线知识，在读卡 分站程序设计中间介绍了通信协议的内容。 第六章监控软件的设计 给出了监控软件的界面设计，通信模块的设计和数据库的应用。 第七章总结和展望 总结了设计中存在的问题，然后提出了另外的设计方法，介绍了最新的发 展技术。 4 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章系统原理及总体架构 2 1r f i d 技术的应用 本文中读卡子站和定位卡的设计采用了r f i d 技术，依靠射频收发芯片实现 矿井人员的定位的功能。 埃森哲实验室首席科学家弗格森认为r f i d 是一种突破性的技术g 第一，可 以识别单个的非常具体的物体，而不是像条形码那样只能识别一类物体；第二， 其采用无线电射频，可以透过外部材料读取数据，而条形码必须靠激光来读取 信息；第三，可以同时对多个物体进行识读，而条形码只能一个一个地读。此 外，储存的信息量也非常大。 射频识别技术( r e i d ) ，又称电子标签，是一种非接触式自动识别技术。可工 作于各种恶劣环境，可识别高速运动物体并可同时识别多个标签，操作快捷方 便。它利用( r a d i o ) 方式进行非接触双向通信，以达到目标识别和数据交换的目 的，无需人工干预【5 】。基本的r f i d 系统由射频卡标签( t a g ) ，r f i d 读写器( r e a d e r w r i t e rd e v i c e ) ，天线( a n t e n n a ) 以及应用支撑软件组成，如图2 1 所示。 读写器射频卡 图2 1r f i d 基本功能模块图 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 系统原理 读卡分站系统通过读卡分站依靠r s 4 8 5 总线连接读卡子站，实现更多矿业 人员的定位。整个系统的通信通常是由监控主机发起，读卡分站在接收到监控 主机的指令后，下发到读卡子站，然后等待读卡子站的数据，接收到读卡子站 的数据之后，经过处理上传至监控主机，完成通信过程。 读卡分站系统中，监控主机是指执行系统管理任务的工控机。分站指完成 具体数据采集，执行具体控制任务计算机测控单元。 读卡分站主要完成的功能包括：对各读卡子站读到的定位卡按所属读卡子 站分别进行管理，判定是否离线；对新读到的定位卡和刚离线的定位卡数据进 行本地备份，按固定格式存储在外部f l a s h 中；相应监控主机的查询；分站应 该备份被管理的地址表，如果有申请注册读卡子站就比较备份注册表，如果该 申请是新读卡子站就自动修改注册表和备份注册表，并主动向监控主机汇报注 册表变动信息。 2 3 系统架构 本系统总体分为：读卡子站和定位卡，读卡分站，监控主机。通信的物理 媒体是基于r s 4 8 5 的双绞线部分。通信速率可以达到1 2 - 1 1 5 2 k b p s ，双总线 全双工或单总线半双工模式模式。 图2 2 为系统功能模块框图。 图2 2 系统功能模块框图 6 武汉理工大学硕士学位论文 在物理结构上，系统采用树形网络结构，每个树枝的节点是其分支的主机， 也是其主支的分站。 图2 3 即为读卡分站系统的物理架构图。 妒； l li ，r 如勘 占占 仓仓r l jiji ji ji 7 1 1 1 1 、jj、 读骨站 图2 3 读卡分站系统物理架构图 7 读匍站 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章定位卡设计 定位卡即是r f i d 技术中的射频卡。在实际应用中，矿井工作人员将定位卡 佩戴在身上，通过监控主机的配套软件接收定位卡的信息即可知道工作人员的 具体方位。在本次设计中，采用的是有源电子标签，所以在系统应用中，定位 卡不仅包含有独自的地址信息还包括电池的损耗情况。 定位卡采用突发扩频通讯工作模式，在一个读卡子站的有效作用范围内可 以同时容纳至少2 5 6 个定位卡。采用n w 低功耗技术使得定位卡采用纽扣式锂电 池寿命达到3 - 1 0 年。 3 1 定位卡的硬件设计 定位卡由一个2 4 5 g h z 的无线发信机和m c u 组成。m c u 选用m i c r o c h i p 的8 位c m o sf l a s h 单片机p i c l 6 f 8 7 7 。p i c l 6 f 8 7 7 具有低功耗的睡眠方式， 大容量的f l a s h 程序存储器和e e p r o m 数据存储器，大容量的f l a s h 满足了 程序设计的要求，e e p r o m 则保证了可定位卡的地址信息固化在单片机中，带 有的s p i 模块能够与无线发信机进行通信，d 转换器可以实时的采集电池的电 量数据。无线发信机选用的芯片为n r f 2 4 0 2 ，带有硬件c r c 校验以及在接收到 有效数据后提供中断输出，大大的方便了编程。 定位卡的硬件结构框图如图3 1 所示： 图3 1 定位卡硬件结构框图 3 2 定位卡的程序设计 由于定位卡采用3 v 的纽扣式锂电池供电，所以在程序的设计过程中要考虑 8 武汉理工大学硕士学位论文 低功耗的问题。在定位卡硬件电路设计完成后，经过检测合格的可直接给定位 卡分配地址，通过i c s p 将分配的地址烧录在p i e 16 f 8 7 7 的e e p r o m 中。 微控制器p i c l 6 f 8 7 7 除了给n r f 2 4 0 2 发送地址码之外，还要在空闲时间内 控制n r f 2 4 0 2 进入低功耗模式，以延长电池供电的时间。设计采用定时发送地 址码，在发送完成后，进入低功耗模式，由定时器中断唤醒控制器退出低功耗 模式。程序的设计过程中采用了时间片的概念，从而使功耗减到最少【6 】。 图3 2 为定位卡程序流程图 3 3 本章小结 匝苤因 l 低功耗模式i 图3 2 定位卡程序流程图 本章介绍了定位卡的定位卡硬件设计，给出了硬件设计中的简单框图，并且 给出了程序设计中的设计思想。通过验证，有源的定位卡设计能够达到设计的 要求，采用了低功耗的设计技术，大大提高了定位卡的使用寿命。 9 武汉理工大学硕士学位论文 第4 章读卡子站设计 读卡子站也就是r f i d 的读写器忉，通过总线与读卡分站连接或者直接与监 控主机连接，接收指令，读取定位卡的信息，将读到的定位卡信息上传至读卡 分站或者直接上传到监控主机。 4 1 读卡子站的硬件设计 读卡子站的硬件主要包含三大模块：主控模块，收发模块以及与接口模块。 其中主控芯片选择是p i c l 8 f 2 5 2 5 ，之所以选择p i c l 8 f 2 5 2 5 ，是因为它具有 以下的几个优势： ( 1 ) 多种功耗管理模式。分别为：运行，c p u 工作，外设打开。空闲，c p u 不工作，外设打开，空闲模式时电流可降至2 5 微安。休眠，c p u 不工作，外设 关闭，休眠模式时电流可降至1 0 0 纳安。 ( 2 ) 灵活的振荡器结构。4 种晶振模式，频率最高达到4 0 m h z 。4 倍频锁 相环( 可用于晶振和内部振荡器) 。两种外部r c 模式，频率最高达到4 m h z 。 两种外部时钟模式，频率最高可达到4 0 m h z 。内部振荡器模块有8 个可供用户 使用的频率，从3 1 k h z 到8 m h z ，当与p l l 结合使用时可提供较宽的时钟频率 范围，从3 1 k h z 到3 2 m h z 。用户可对电路进行调节以补偿频率漂移。 ( 3 ) 多个中断以及捕捉模块，以及支持3 线s p i 的主同步串行口，增强型 的可寻址的u s a r t 模块都为程序的编写提供了更多的灵活性。 ( 4 ) 最重要的一点就是在工业领域，p i e 的芯片在降低功耗以及抗干扰方面 都有很强的优势。 收发模块采用的芯片是n r f 2 4 0 1 。n r f 2 4 0 1 采用5 m m x 5 m m 的2 4 引脚q f n 封装，具有突发传递和直接传递两种工作模式。突发传递模式以低速率向 n r f 2 4 0 1 写入待发数据，以高速率无线传输，尽量降低功耗。直接传递模式与传 统r f 器件工作模式一致。 1 1 i 心2 4 0 1 的主要特点： ( 1 ) 全球开放的2 4 g h z 频段，1 2 5 个频道，满足多频及跳频需要。 ( 2 ) 高速率( 1 m b s ) ，优于蓝牙技术。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 外围元件极少，电压范围为1 9 - 3 6 v ，电流消耗很小，功耗很低。 ( 4 ) 发射功率和工作频率等所有工作参数可全部通过软件设置。 ( 5 ) 芯片内部设有专门的稳压电路，且无须外部s a w 滤波器。 ( 6 ) 独特设计：采用d u o c e i v e r 技术可同时接收两个n r f 2 4 0 1 的数据。 ( 7 ) 可通过软件设置最多4 0 位地址，且只有收到本机地址时才会输出数据。 ( 8 ) 内置c r c 校验硬件电路和协议，有数据时隙和数据时钟恢复功能。 i 心2 4 0 1 通过与主控芯片的s p i 接口进行数据传输。 接口模块指的是读卡子站与读卡分站或者是监控主机的接口，在本次设计 中，所用的接口都为r s 4 8 5 的异步串行接口。所用芯片为m a x l 4 8 3 ，是专用的 4 8 5 通信芯片，抗干扰能力强，传输距离远。 除了以上的三个大的模块之外，读卡子站还配有时间芯片，时间芯片用于 记录读到定位卡信息的时间，以及判断定位卡是否离线。下图为读卡子站的结 构图。 图4 1 读卡子站硬件结构图 4 2 读卡子站的程序设计 n r f 2 4 0 1 功能强大且适用简便，只要用s p i 接口的三根线：d a t a ，c l k l ， c s 便可对其进行配置。通过适用p w ru p ，c e ，c s 三个引脚可配置四种不同 的工作模式：收发模式，配置模式，空闲模式和关断模式【8 】。 在程序设计时候，首先让n r f 2 4 0 1 处于准备模式，通过4 8 5 总线接口接收 读卡分站或者是监控主机的读定位卡信息的指令，将定位卡信息的通过主控芯 片的s p i 口存入缓存中，最后利用接口总线将数据上传到读卡分站或者是监控主 机。 为了降低功耗，系统平时处于空闲状态，通过选择不同的工作模式实现在 频繁通讯状态下的最小功耗。 武汉理工大学硕士学位论文 ( 1 ) r f 芯片的工作比为1 ：l ，休眠2 秒，工作2 秒。 ( 2 ) 当r f 收到信号后转入低速工作模式，系统频率为4 m h zr c 模式，如 果在3 秒内收到1 0 个以上的信号就全速工作：4 0 m h ze x p 模式。 ( 3 ) 如果2 5 6 秒内没有任何信号将进入通讯监视模式，统频率为1 m h zr c 模式，关闭其他外设只监视通讯端口。 图4 2 为读卡子站程序流程图。 图4 2 读卡子站程序流程图 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 4 3 本章小结 本章介绍了读卡子站中的硬件设计，给出了硬件设计中的芯片选择及模块 图，给出了程序设计设计思想及程序的流程图。 武汉理工大学硕士学位论文 第5 章读卡分站设计 5 1 读卡分站硬件设计 读卡分站的硬件设备组成分为四大块：电源部分，主控单元，外部存储设 备，总线接口。其中便于以后产品升级，总线接口与读卡子站相同，同为r s 4 8 5 总线接口。 5 1 1 电源设计 电源选用经典电路中通过降压的5 v 电源，因为硬件设计中各个芯片的要求 电压比5 v 小，所以需要降压稳压，设计中采用的是m i c r o c h i p 的t c l 3 0 3 a 同步 降压稳压器。 t c l 3 0 3 a 将5 0 0 m a 同步降压稳压器和3 0 0 m a 低压差稳压器( l o w - d r o p o u t r e g u l a t o r , l d o ) 相结合，并带有电源正常监控器，为需要多个输入电压的设备提供 了高度集成的解决方案【9 】。集成降压开关稳压器和低压差线性稳压器的独特结合 方式，为双输出电压应用( 需要一个较低的处理器内核电压和一个较高的偏置电 压) 提供了最低的系统功耗。当负载很重时，5 0 0 m a 同步降压稳压器以2 0 m h z 固 定频率进行转换，提供了噪声低而体积小的解决方案。当降压输出的负载降低 到较低水平时，器件转换为脉冲频率调制( p u l s ef r e q u e n c ym o d u l a t i o n ，p f m ) i 作 模式，以使从电池输出的静态电流最小化。从一种模式到另一种模式的平稳转换 无需人为干涉。l d o 只要一个1 心的陶瓷输出电容就能提供3 0 0 m a 的辅助输出， 节约了板空间和成本。负载电流为2 0 0 m a 时，l d o 输出的典型跌落电压1 3 7m v 。 t c l 3 0 3 a 的典型应用电路如图5 1 所示： 图5 1t c l 3 0 3 a 典型应用电路 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 在电路设计中，存储芯片和主控m c u 都采用上图中输出的3 3 v 电压，工 作稳定。 5 1 2 主控单元设计 在本次的设计中，主控单元采用的是1 6 位的单片机来对数据进行控制和处 理。主控芯片的选择从环境与安全性的方面考虑，要选择抗干扰能力好和能够 工作在工业级温度范围的芯片，从设计需求方面考虑，至少应该具有两路异步 串行通信的接1 ：1 以及足够多的外围接i z l ，综合成本方面的考虑，m i c r o c h i p 的 p i c 2 4 h j 2 5 6 9 p 6 1 0 正好满足这些要求。 这款芯片可以工作在工业级温度范围之内- 4 5 摄氏度到8 5 摄氏度，处理速 度达到4 0 m i p s ，设计采用低功耗的c m o s 工艺。具有1 0 0 个引脚，最多可用 8 5 个i o 口，方便了对存储器的扩展，输出引脚可以驱动3 o v 到3 6 v 的电压， 完全满足存储器扩展的需要。 在容量方面，闪存存储器多高有2 5 6 k b 的存储空间，数据s r a m 最大为 1 6 k b ，最多有6 1 个中断源，7 个可编程的中断源，方便了大量数据的存储，为 程序的设计提供了很大的便利。 通信模块有3 线的s p i ( 最多2 个模块) ，i i c 模块，同时最多可以使用两个 u a r t ，使得读卡分站同时与读卡子站和监控分站进行通信成为可能【1 0 1 。增强型 的c a n 模块。提供了多种通信方式，方便产品升级。 5 1 3 外部存储设备 设计中因为考虑到大量数据的处理，所以增加了大容量的外部存储设备： 外部f l a s h 和外部s r a m 。 外部f l a s h 芯片采用了三星的k 9 f 1 g u 0 8 u o b ，工作的电压范围从2 7 v 到 3 6 v ，这款芯片具有1 g 的数据容量，自动化的编程和擦写过程，快速的写入数 据与读出。指令，地址及数据复用i o ，简化了程序的设计。 这款芯片属于n a n df l a s h 。最大的区别是在n o r 器件上运行代码不需 要任何的软件支持，在n a n d 器件上进行同样操作时，通常需要驱动程序，也 就是内存技术驱动程序( m t d ) ，n a n d 和n o r 器件在进行写入和擦除操作时都 需要m t d 。 武汉理工大学硕士学位论文 所有f l a s h 器件都受位交换现象的困扰。在某些情况下( 很少见，n a n d 发生的次数要比n o r 多) ，一个比特位会发生反转或被报告反转了。一位的变化 可能不很明显，但是如果发生在一个关键文件上，这个小小的故障可能导致系 统停机。如果只是报告有问题，多读几次就可能解决了【1 1 】。 当然，如果这个位真的改变了，就必须采用错误探n 错误更正( e d c e c c ) 算法。位反转的问题更多见于n a n d 闪存，n a n d 的供应商建议使用n a n d 闪 存的时候，同时使用e d c e c c 算法。这个问题对于用n a n d 存储多媒体信息 时倒不是致命的。当然，如果用本地存储设备来存储操作系统、配置文件或其 他敏感信息时，必须使用e d c e c c 系统以确保可靠性。 n a n d 器件中的坏块是随机分布的。以前也曾有过消除坏块的努力，但发 现成品率太低，代价太高，根本不划算。n a n d 器件需要对介质进行初始化扫 描以发现坏块，并将坏块标记为不可用。在已制成的器件中，如果通过可靠的 方法不能进行这项处理，将导致高故障掣1 2 1 。 外部s r a m 芯片采用c y p r e s s 的c y 6 2 1 6 7 ，工作的电压范围从2 2 v 到3 6 v ， 数据容量1 6 m 。最高存取速度可达5 5 m 。 设计中外部f l a s h 和s r a m 的控制引脚及数据引脚直接与p i c 主控芯片的 i o 口相连。 设计中注意的问题是，p i c 2 4 h 虽然可用f o 口较多，但是存在与其他外设 接口复用的情况，尽量避开与外设复用的f o 口。 5 1 4 总线接口 整个设计中都是采用的r s 4 8 5 总线，所以使用芯片与读卡子站中相同为 m a x l 4 8 3 。 r s 4 8 5 总线由于成熟的技术和相关产品较多，已经得到越来越多的应用。 由于r s 2 3 2 c 接口标准出现较早，难免有不足之处，主要有以下四点： ( 1 ) 接口的信号电平值较高，易损坏接口电路的芯片，又因为与1 r l 电 平不兼容故需使用电平转换电路方能与t t l 电路连接。 ( 2 ) 传输速率较低，在异步传输时，波特率为2 0 k b p s 。 ( 3 ) 接口使用一根信号线和一根信号返回线而构成共地的传输形式，这种 共地传输容易产生共模干扰，所以抗噪声干扰性弱。 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 ( 4 ) 传输距离有限，最大传输距离标准值为5 0 英尺，实际上也只能用在 5 0 米左右。 针对r s 2 3 2 c 的不足，于是就不断出现了一些新的接口标准，r s 4 8 5 就是 其中之一，它具有以下特点： ( 1 ) r s 4 8 5 的电气特性：逻辑“l ”以两线间的电压差为+ ( 2 - - 6 ) v 表示；逻 辑“o ”以两线间的电压差为一( 2 - - 6 ) v 表示。接口信号电平比r s 2 3 2 c 降低了， 就不易损坏接口电路的芯片，且该电平与1 几电平兼容，可方便与1 r l 电路连 接。 ( 2 ) r s 4 8 5 的数据最高传输速率为1 0 m b p s 。 ( 3 ) r s 4 8 5 接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干能力增 强，即抗噪声干扰性好。 ( 4 ) i 峪4 8 5 接口的最大传输距离标准值为4 0 0 0 英尺，实际上可达3 0 0 0 米， 另外r s 2 3 2 c 接口在总线上只允许连接1 个收发器，即单站能力。而r s 4 8 5 接 口在总线上是允许连接多达1 2 8 个收发器。即具有多站能力，这样用户可以利用 单一的r s 4 8 5 接口方便地建立起设备网络【1 3 1 。 在实际应用中，r s 4 8 5 网络拓扑一般采用终端匹配的总线型结构，不支持环 形或星形网络。在构建网络时，应注意如下几点【1 4 】： ( 1 ) 采用一条双绞线电缆作总线，将各个节点串接起来，从总线到每个节 点的引出线长度应尽量短，以便使引出线中的反射信号对总线信号的影响最低。 有些网络连接尽管不正确，在短距离、低速率仍可能正常工作，但随着通信距 离的延长或通信速率的提高，其不良影响会越来越严重，主要原因是信号在各 支路末端反射后与原信号叠加，会造成信号质量下降。 ( 2 ) 应注意总线特性阻抗的连续性，在阻抗不连续点就会发生信号的反射。 下列几种情况易产生这种不连续性：总线的不同区段采用了不同电缆，或某一 段总线上有过多收发器紧靠在一起安装，再者是过长的分支线引出到总线。 总之，应该提供一条单一、连续的信号通道作为总线。 在r s 4 8 5 组网过程中另一个需要主意的问题是终端负载电阻问题，在设备 少距离短的情况下不加终端负载电阻整个网络能很好的工作但随着距离的增加 性能将降低【1 5 】。理论上，在每个接收数据信号的中点进行采样时，只要反射信 号在开始采样时衰减到足够低就可以不考虑匹配。但这在实际上难以掌握，美 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 国m a x i m 公司有篇文章提到一条经验性的原则可以用来判断在什么样的数据 速率和电缆长度时需要进行匹配：当信号的转换时间( 上升或下降时间) 超过 电信号沿总线单向传输所需时间的3 倍以上时就可以不加匹配。 一般终端匹配采用终端电阻方法，r s 4 8 5 应在总线电缆的开始和末端都并接 终端电阻。终接电阻在r s 4 8 5 网络中取1 2 0 f 2 。相当于电缆特性阻抗的电阻，因 为大多数双绞线电缆特性阻抗大约在1 0 0 - 1 2 0 f l 。这种匹配方法简单有效，但 有一个缺点，匹配电阻要消耗较大功率，对于功耗限制比较严格的系统不太适 合。另外一种比较省电的匹配方式是r c 匹配。利用一只电容c 隔断直流成分 可以节省大部分功率。但电容c 的取值是个难点，需要在功耗和匹配质量间进 行折衷。还有一种采用二极管的匹配方法，这种方案虽未实现真正的“匹配”，但 它利用二极管的钳位作用能迅速削弱反射信号，达到改善信号质量的目的，节 能效果显著【1 6 j 。 5 2 读卡分站程序设计 5 2 1 程序开发工具 开发过程中采用m p l a bi d e 集成环境进行程序设计。m p l a b 集成开发环 境( i d e ) 是综合的编辑器、项目管理器和设