Skema desain sistem pengisian RFID baru

1. Perkenalan

Teknologi RFID (Radio Frequency IDentification), yaitu teknologi identifikasi frekuensi radio, merupakan teknologi komunikasi yang saat ini banyak digunakan dalam berbagai situasi pengisian daya, seperti sistem pengisian angkutan umum, sistem pengisian tempat parkir, dll. Sistem saat ini biasanya menggunakan teknologi RFID gunakan RS-485 dan PC untuk pertukaran data. Namun, RS-485 menggunakan node master tunggal dan mengadopsi mode polling, sehingga terdapat masalah kinerja real-time yang rendah dan efisiensi komunikasi yang rendah.

Dengan lompatan berkelanjutan dalam tingkat ilmu komputer dan kebutuhan perkembangan industri, sistem kendali industri telah mengalami transformasi dari sistem kendali instrumen dasar, sistem kendali digital terpusat, sistem kendali terdistribusi hingga sistem kendali fieldbus yang sekarang banyak digunakan. Bus CAN (Controller Area Net) adalah bus lapangan yang berbasis jaringan komunikasi serial. Bus CAN mengadopsi mode kerja multi-master, dan setiap node di jaringan dapat mengirimkan informasi ke node lain di jaringan kapan saja. Pada saat yang sama, bus CAN menggunakan teknologi arbitrase non-destruktif. Ketika dua atau lebih node mengirimkan data ke jaringan pada saat yang sama, node dengan prioritas lebih rendah akan berhenti mengirim hingga node dengan prioritas lebih tinggi selesai mengirimkan data. Ini efektif. untuk menghindari pertengkaran bus. Jarak komunikasi CAN bisa mencapai hingga 10km/5kbps, dan kecepatan komunikasi bisa mencapai hingga 1Mbps. Setiap frame data CAN memiliki pemeriksaan CRC atau metode deteksi lainnya untuk memastikan keandalan komunikasi data.

Ketika kesalahan serius terjadi pada node CAN, node tersebut akan mati secara otomatis, sehingga tidak mempengaruhi kerja normal node lainnya. Oleh karena itu, bus CAN memiliki keunggulan keandalan yang kuat, kinerja real-time yang tinggi, dan efisiensi yang tinggi, serta dapat sepenuhnya menggantikan bus RS 485.

Mengingat dalam lingkungan aplikasi sebenarnya, untuk mengurangi banyak pekerjaan pengkabelan, jaringan nirkabel 2.4G digunakan sebagai stasiun transfer untuk transmisi data dari RFID ke bus CAN. Teknologi nirkabel menawarkan biaya rendah, fleksibilitas, keandalan, dan waktu pemasangan yang singkat. Perancangan ini menggunakan nRF24L01 untuk membangun jaringan komunikasi nirkabel. Chip ini mendukung komunikasi multi-point dan dapat menerima data dari 6 saluran berbeda dalam mode penerimaan.

Artinya, ujung penerima jaringan nirkabel dapat menerima data dari 6 ujung pengirim yang berbeda. Data dari pihak pengirim diperoleh melalui Modul RFID.

Berdasarkan pembahasan di atas, artikel ini akan menyajikan sistem pengisian RFID baru berdasarkan bus CAN dan jaringan nirkabel 2.4G.

2 Desain sistem perangkat keras

2.1 Topologi sistem dan komposisi sistem

2.1.1 Topologi sistem

Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1, data yang relevan dari perangkat RFID akan dikirim ke transceiver CAN melalui jaringan nirkabel, dan transceiver kemudian akan mengirimkan data ke PC melalui bus CAN. PC menggunakan kartu ekspansi PCI-E dengan antarmuka CAN. Selain itu, chip komunikasi nirkabel nRF24L01 dapat menerima data dari 6 saluran berbeda dalam mode penerimaan, sehingga mewujudkan node CAN untuk mengontrol transmisi data hingga 6 perangkat Terminal RFID. Ketika enam terminal pengisian RFID tidak dapat memenuhi permintaan, lebih banyak node dapat ditambahkan. Semua node dipasang pada bus CAN. Melalui bus CAN, setiap node mengirimkan data ke PC.

2.1.2 Komposisi sistem

Sistem ini (CAN node) terdiri dari dua subsistem. Subsistem B terdiri dari mikrokontroler, modul RFID, modul nirkabel, pengawas, layar LCD, modul jam, tombol dan EEPROM. Mikrokontroler (MCU) mengontrol modul RFID untuk membaca dan menulis kartu Mifare 1, dan modul nirkabel mengirimkan data yang relevan ke subsistem A. Subsistem A terdiri dari mikrokontroler, modul nirkabel, pengawas dan modul CAN. MCU mengirimkan data yang diterima melalui modul nirkabel ke PC melalui modul CAN. Karena satu node dapat mengontrol hingga 6 terminal perangkat RFID, dalam satu sistem yang lengkap, hanya terdapat 1 subsistem A, sedangkan dapat terdapat hingga 6 subsistem B.

2.2 Mikrokontroler

Mikrokontrolernya adalah STC89LE58RD+, yang memiliki empat port I/O paralel 8-bit P0~P3, satu port paralel 4-bit P4, FLASHROM 32KB, RAM 1280 byte, 3 timer, 8 sumber interupsi, dan 4 interupsi Sistem interupsi prioritas. Kinerjanya sepenuhnya memenuhi persyaratan desain.

2.3 Modul BISA

Implementasi perangkat keras bus CAN menggunakan Philips' SJA1000 dan PCA82C250.

2.3.1 Pengenalan chip SJA1000

SJA1000 adalah pengontrol CAN independen. Mendukung fungsi ekstensi mode PeliCAN (menggunakan proTokol CAN2.0B), memiliki pengidentifikasi 11-bit atau 29-bit, FIFO penerima 64-byte, mekanisme arbitrase dan kemampuan deteksi kesalahan yang kuat, dll.

2.3.2 Pengenalan chip PCA82C250

PCA82C250 adalah transceiver bus CAN, yang terutama dirancang untuk aplikasi komunikasi berkecepatan menengah hingga tinggi (hingga 1Mbps) di mobil. Ia dapat menahan berbagai macam interferensi mode kerja dan interferensi elektromagnetik (EMI), mengurangi interferensi frekuensi radio (RFI), dan memiliki fungsi perlindungan termal. Hingga 110 node dapat dihubungkan.

2.3.3 Koneksi antarmuka perangkat keras

Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4, port P1 digunakan sebagai bus alamat/data multipleks untuk terhubung ke port AD SJA1000, dan P2.0 terhubung ke bagian pemilihan chip CS dari SJA1000, menjadikan SJA1000 sebagai perangkat I/O untuk pemetaan memori periferal mikrokontroler. Selain itu, RX0 dan TX0 dari SJA1000 terhubung ke RXD dan TXD dari PCA82C250.

2.4 Modul nirkabel

2.4.1 pengenalan chip nRF24L01

Chip nirkabelnya adalah nRF24L01. Ini adalah chip transceiver frekuensi radio nirkabel 2.4GHz dengan kecepatan transmisi hingga 2Mbps, mendukung 125 frekuensi operasi opsional, memiliki fungsi pemeriksaan alamat dan CRC, dan menyediakan antarmuka SPI.

Ia memiliki pin interupsi khusus, mendukung 3 sumber interupsi, dan dapat mengirim sinyal interupsi ke MCU. Ia memiliki fungsi respons otomatis, mencatat alamat setelah mengonfirmasi penerimaan data, dan mengirimkan sinyal respons menggunakan alamat ini sebagai alamat target. Mendukung mode ShockBurstTM, dalam mode ini, nRF24L01 dapat dihubungkan ke MCU kecepatan rendah. nRF24L01 dapat menerima data dari 6 saluran berbeda dalam mode penerimaan.

2.4.2 koneksi antarmuka perangkat keras nRF24L01

Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5, mikrokontroler berkomunikasi dengan nRF24L01 dengan mensimulasikan waktu bus SPI. Pin interupsi eksternal IRQ terhubung ke P3.2 (interupsi eksternal 0) mikrokontroler.

2.5 modul RFID

2.5.1 Pengenalan chip MF RC500

Modul RFID menggunakan Philips' MF RC500 yang merupakan salah satu chip RFID yang banyak digunakan saat ini. MF RC500 mendukung protokol ISO14443A dan kartu antarmuka ganda MIFARE. Ia memiliki sirkuit analog yang sangat terintegrasi di dalamnya untuk demodulasi dan decoding kartu respons, dan memiliki buffer FIFO transceiver 64-byte dan memori kunci non-volatil. Selain itu, terdapat pin interupsi khusus yang mendukung 6 sumber interupsi dan dapat mengirimkan sinyal interupsi ke MCU.

2.5.2 koneksi antarmuka perangkat keras MF RC500

Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6, MCU mengakses register di MF RC500 sebagai RAM eksternal. Pin INT dibiarkan mengambang dan fungsi interupsi tidak digunakan.

3 Desain sistem perangkat lunak

Dalam program inisialisasi mikrokontroler, interupsi eksternal subsistem A diatur ke pemicu tingkat rendah. Sumber sinyal interupsi subsistem A disediakan oleh nRF24L01. Ketika nRF24L01 menerima data, ia menghasilkan sinyal interupsi untuk memberi tahu MCU agar membaca data. Subsistem B tidak menggunakan fungsionalitas interupsi.

Dalam program inisialisasi nRF24L01, subsistem B dikonfigurasi dalam mode transmisi dan menggunakan pemeriksaan CRC 16-bit. Untuk menggunakan fungsi respon otomatis, saluran data 0 diatur untuk menerima sinyal respon, dan alamat penerima saluran data 0 harus sama dengan alamat pengirim untuk memastikan bahwa sinyal respon dapat diterima dengan benar. Suatu sistem dapat terdiri dari hingga enam subsistem A, dan alamat pengiriman keenam subsistem ini tidak dapat diulang. Subsistem A dikonfigurasi dalam mode penerimaan, menggunakan pemeriksaan CRC 16-bit, dan dapat menerima hingga 6 saluran data. 6 alamat penerima ini sama dengan alamat pengirim di setiap subsistem B. Pada pengujian awal SJA1000, mode PliCAN digunakan, baud rate 125Kbps, dan interupsi penerimaan dan pengiriman dilarang; konfigurasi register kendali keluaran adalah sebagai berikut: mode normal, TX pull-down, dan polaritas kendali keluaran. Selain itu, register kode penerimaan dan register masker penerimaan perlu dikonfigurasi dengan benar. Konfigurasi ini digunakan untuk mengimplementasikan fungsi arbitrase bus CAN.

Dalam menginisialisasi MF RC500, pengaturan utamanya adalah sebagai berikut: output TX1 dan TX2 dikonfigurasi sebagai 13.pembawa energi 56MHz; sumber masukan dekoder adalah demodulator internal; gunakan jam Q sebagai jam penerima; menonaktifkan transmisi dan penerimaan interupsi; atur RxThreshold Nilai register adalah 0xFF, nilai register BitPhase adalah 0xAD, dll.

Fungsi permintaan reset akan mencari kartu Mifare1 dalam jangkauan efektif antena. Jika kartu ada, sambungan komunikasi akan dibuat dan nomor jenis kartu TAGTYPE pada kartu akan dibaca. Fungsi anti-tabrakan memungkinkan MF RC500 memilih salah satu dari beberapa kartu Mifare 1. membuka. Fungsi pemilihan kartu dapat berkomunikasi dengan kartu dengan nomor seri yang diketahui. Fungsi otentikasi mencocokkan password pada kartu Mifare 1 dengan kunci di EEPROM MF RC500.

Hanya setelah pencocokannya benar, operasi baca dan tulis dapat dilakukan. Kirim perintah shutdown untuk mengatur kartu Mifare 1 ke HALT MODE.

Fungsi CAN digunakan untuk mengirim data yang relevan ke PC. Perancangan ini menggunakan mode query untuk memastikan data telah terkirim. Anda dapat mengonfirmasi apakah transmisi data telah selesai dengan menanyakan bit bendera TBS, TCS, dan TS di register status. Demikian pula pada fungsi nirkabel, untuk memastikan bahwa data telah terkirim, cukup query TX_DS di register status.

4 Pengujian sistem

Pertama, modul RFID diuji. Letakkan kartu MIFARE 1 dalam jangkauan efektif antena, lakukan operasi baca dan tulis pada kartu, dan tampilkan data yang relevan di layar LCD. Setelah pengujian ini, modul RFID membaca dan menulis secara normal. Selanjutnya, kinerja jaringan transmisi sistem secara real-time diuji. Artikel ini menggunakan transmisi nirkabel data suhu untuk pengujian. Alat untuk mengukur suhu adalah sensor suhu kabel tunggal DS18B20. Hubungkan sensor suhu ke subsistem B. Sensor suhu mengambil sampel suhu dalam ruangan setiap detik. Mikrokontroler membaca data suhu dan mengirimkannya ke subsistem A melalui jaringan nirkabel. Subsistem A menerima data dan mengirimkannya melalui bus CAN. ke komputer.

Di sisi PC, Visual Basic 6.0 digunakan untuk menulis program komputer host. Komputer host menggambar data suhu ke dalam kurva dan menuliskannya ke dalam teks. Kurva suhu ditunjukkan pada Gambar 8, dimana keakuratan nilai suhu adalah 1 derajat Celcius. Melalui pengamatan komparatif terhadap grafik kurva suhu dan data teks, ditemukan bahwa tidak ada kelainan pada data suhu dan tidak ada kehilangan data.

  5. Kesimpulan

Artikel ini menggunakan bus CAN untuk menggantikan bus RS-485, mengatasi kekurangan bus RS-485. Teknologi nirkabel juga digunakan untuk sepenuhnya memanfaatkan fungsi komunikasi multi-titik nRF24L01 sekaligus mengurangi banyak pekerjaan pengkabelan. Setelah sistem dibangun, penulis melakukan pengujian sistem dalam waktu yang cukup lama. Hasil pengujian menunjukkan bahwa transmisi data stabil, andal, dan memiliki performa real-time yang tinggi. Ini mengatasi kekurangan sistem pengumpulan tol RFID tradisional berdasarkan desain bus RS485 dan memiliki nilai guna yang kuat.