基于CAN和2.4G的RFID收費系統

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(chǎng)合，例如：公共交通收費系統，停車(chē)場(chǎng)收費系統等等。目前使用RFID 技術(shù)的系統通常使用RS-485 和PC 端進(jìn)行數據交互，但是RS-485 使用單主節點(diǎn)，采用輪詢(xún)方式，因此存在實(shí)時(shí)性較低和通訊效率低的問(wèn)題。

　　隨著(zhù)計算機科學(xué)水平的不斷飛躍和工業(yè)發(fā)展的需要，工業(yè)控制系統經(jīng)歷了基地式儀表控制系統、集中式數字控制系統、集散控制系統到現在廣泛使用的現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統的轉變。CAN（Controller Area Net）總線(xiàn)是一種基于串行通信網(wǎng)絡(luò )的現場(chǎng)總線(xiàn)。CAN 總線(xiàn)采用多主工作方式，網(wǎng)絡(luò )上的任意節點(diǎn)可以在任意時(shí)刻向網(wǎng)絡(luò )上的其他節點(diǎn)發(fā)送信息。同時(shí)，CAN 總線(xiàn)采用非破壞性仲裁技術(shù)，當兩個(gè)或者更多的節點(diǎn)同時(shí)向網(wǎng)絡(luò )上傳送數據，優(yōu)先級低的節點(diǎn)將停止發(fā)送，直到優(yōu)先級高的節點(diǎn)發(fā)送完數據后再發(fā)送，這樣有效地避免了總線(xiàn)競爭。CAN 通信距離最遠可達10km/5kbps,通信速率最高可大1Mbps.CAN 的每幀數據都有CRC校驗或者其它檢測方式，保證了數據通信的可靠性。

　　當一個(gè)CAN 節點(diǎn)發(fā)生嚴重錯誤時(shí)，該節點(diǎn)會(huì )自動(dòng)關(guān)閉，從而不影響其它節點(diǎn)的正常工作。因此，CAN 總線(xiàn)具有可靠性強，實(shí)時(shí)性高和效率高等優(yōu)勢，完全能夠取代RS 485 總線(xiàn)。

　　考慮到在實(shí)際應用環(huán)境中，為了減少大量的布線(xiàn)工作，使用2.4G 無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )作為數據從RFID 到CAN總線(xiàn)之間傳輸的中轉站。無(wú)線(xiàn)技術(shù)具有成本低、靈活性高、可靠性高和安裝時(shí)間短等特點(diǎn)。本次設計使用選用nRF24L01 組建無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )，該芯片支持多點(diǎn)通信，在接受模式下可以接收6 路不同通道的數據。

　　也就是無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的接收端可以接收6 個(gè)不同發(fā)送端的數據，發(fā)送端的數據是通過(guò)RFID 模塊獲得。

　　基于以上的討論，本文將給出一種基于CAN 總線(xiàn)和2.4G 無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的新型RFID 收費系統。

　　2 硬件系統設計

　　2.1 系統拓撲結構和系統組成

　　2.1.1 系統拓撲結構。

　　如圖1 所示，RFID 設備的相關(guān)數據將通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )傳送至CAN 收發(fā)器，后者再將數據通過(guò)CAN 總線(xiàn)傳送至PC 機，PC 機采用帶有CAN 接口的PCI-E 擴展卡。此外，無(wú)線(xiàn)通訊芯片nRF24L01 在接受模式下可以接收6 路不同通道的數據，以此來(lái)實(shí)現一個(gè)CAN節點(diǎn)最多控制6 個(gè)RFID 終端設備的數據傳送。在6個(gè)RFID 收費終端不能滿(mǎn)足需求的情況下，可以添加更多的節點(diǎn)，所有節點(diǎn)掛載在CAN 總線(xiàn)上，通過(guò)CAN總線(xiàn)，每個(gè)節點(diǎn)將數據傳送至PC 端。

　2.1.2 系統組成。

　　本系統（CAN 節點(diǎn)）有兩個(gè)子系統組成。B 子系統由單片機、RFID 模塊、無(wú)線(xiàn)模塊、看門(mén)狗、液晶屏、時(shí)鐘模塊、按鍵和EEPROM 組成。微控制器（MCU）控制RFID 模塊對Mifare 1 卡進(jìn)行讀寫(xiě)操作，無(wú)線(xiàn)模塊將有關(guān)的數據發(fā)送給A 子系統。A 子系統由單片機、無(wú)線(xiàn)模塊、看門(mén)狗和CAN 模塊組成。MCU 將經(jīng)由無(wú)線(xiàn)模塊接收到的數據通過(guò)CAN 模塊發(fā)送至PC 端。由于一個(gè)節點(diǎn)最多可以控制6 個(gè)RFID 設備終端，因此在一個(gè)完整的系統里，A 子系統只有1 個(gè)，而B(niǎo) 子系統最多可以有6 個(gè)。

2.2 微控制器

　　微控制器選用STC89LE58RD+,它具有4 個(gè)8 位并行I/O 端口P0~P3,1 個(gè)4 位并行端口P4,32KB FLASHROM,1280 字節RAM,3 個(gè)定時(shí)器，8 個(gè)中斷源和4個(gè)中斷優(yōu)先級的中斷系統。其性能完全滿(mǎn)足設計所需。

　　2.3 CAN 模塊

　　CAN 總線(xiàn)的硬件實(shí)現選用飛利浦公司的SJA1000和PCA82C250.

　　2.3.1 SJA1000 芯片介紹。

　　SJA1000 是一個(gè)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(xiàn)收發(fā)器，它主要是為汽車(chē)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(gè)節點(diǎn)。

　　2.3.3 硬件接口連接。

　　如圖4 所示，P1 口作為復用的地址/數據總線(xiàn)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(wú)線(xiàn)模塊

　　2.4.1 nRF24L01 芯片介紹。

　　無(wú)線(xiàn)芯片選用nRF24L01.它是2.4GHz 無(wú)線(xiàn)射頻收發(fā)芯片，傳送速率高達2Mbps,支持125 個(gè)可選工作頻率，具有地址和CRC 校驗功能，提供SPI 接口。

　　有專(zhuān)用的中斷管腳，支持3 個(gè)中斷源，可向MCU 發(fā)出中斷信號。具有自動(dòng)應答功能，在確認收到數據后記錄地址，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 路不同通道的數據。

　2.4.2 nRF24L01 硬件接口連接。

　　如圖5 所示，單片機通過(guò)模擬SPI 總線(xiàn)時(shí)序和nRF24L01 進(jìn)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。