基于CAN總線(xiàn)和RFID的礦井定位系統設計

　　考慮到礦井中的設備需要防爆安全認證，本系統設計中盡可能地減少外圍芯片數量。MCU采用美國微芯公司的PIC18F4580單片機，此單片機集成了基于ECAN技術(shù)的CAN總線(xiàn)控制模塊、lO位A/D模塊、增強的通用串口模塊、32KB的增強型Flash存儲器等，內部資源豐富，簡(jiǎn)化了系統設計。

　　射頻收發(fā)模塊使用AD公司的可編程射頻收發(fā)芯片ADF7020，工作頻率為431～478MHz和862～956MHz波段，收發(fā)過(guò)程工作在半雙工方式，支持ASK/FSK/OOK/GFsK等多種調制方式。CAN總線(xiàn)驅動(dòng)器使用的是致遠電子的通用CAN收發(fā)器芯片CTM8251A，此芯片將傳統的CAN總線(xiàn)驅動(dòng)電路的光電隔離和CAN驅動(dòng)器集成到一塊芯片，提高了通信的可靠性。

　　2.1PICl8F458O與CTM825lA的接口電路PIC18F4580帶有CAN控制模塊，支持CAN1.2、CAN2.0A、CAN2.0B協(xié)議，只需外接CAN驅動(dòng)器即可實(shí)現CAN模塊的硬件設計，接口電路如圖3所示。CAN發(fā)器芯片CTM8251A具有DC2500V隔離功能，符合ISO11898標準，數據速率最高達1Mbps，具有自動(dòng)熱關(guān)斷保護功能，并且未上電或欠壓節點(diǎn)不會(huì )影響CAN總線(xiàn)的正常工作。

　　2.2PIC18F4580與ADF7020的接口電路

　　PIC18F4580單片機通過(guò)ADF7020的串行數據輸入引腳SDATA向ADF7020發(fā)送編程控制字，控制其工作方式，并可以通過(guò)串行數據讀回引腳SREAD讀取ADF7020的工作狀態(tài)，SLE引腳作為控制字的鎖存信號。DATAI/O引腳是發(fā)送信號輸入和接收信號輸出分時(shí)復用引腳，收發(fā)工作在半雙工方式，因此MCU工作在半雙工的同步通信模式下，通過(guò)串行同步接口接收或發(fā)送數據。當ADF7020接收到一個(gè)來(lái)自天線(xiàn)的有效信號后，通過(guò)INT/LOCK引腳向MCU發(fā)出中斷信號。

3、系統的軟件設計

　　本設計的編程環(huán)境是MPLABIDE軟件并內嵌MPLAB―C18，可以支持C語(yǔ)言編程。系統的軟件主要分為PIC18F4580初始化、ADF7020初始化、CAN數據收發(fā)、讀卡器與電子標簽間的通信算法等部分。

　　PIC18F4580初始化主要是對片內各個(gè)功能模塊的初始化，包括：CAN模塊初始化，USART模塊初始化，WDT初始化，設置各個(gè)端口的方向等。

　　ADF7020初始化主要包括：設置晶振電路的接人方式，信號的調制/解調方式（ISO/IEC18000―6c標準中使用ASK），定義調制信號的調制輸出功率，打開(kāi)VCO、PLL和輸入輸出時(shí)鐘等。在CAN數據收發(fā)程序中，讀寫(xiě)器的MCU通過(guò)CAN總線(xiàn)向上位機實(shí)時(shí)發(fā)送讀寫(xiě)器識別出的Tag的相關(guān)信息，而CPU接收來(lái)自上位機的控制命令數據。

　　本系統要求讀寫(xiě)器能夠識別到其覆蓋范圍內的所有Tag，但在讀寫(xiě)器覆蓋范圍內的Tag會(huì )幾乎同時(shí)響應讀寫(xiě)器的指令，這樣響應信號就會(huì )發(fā)生碰撞，導致通信失敗，讀寫(xiě)器無(wú)法正確識別Tag。因此，讀寫(xiě)器軟件系統要加人防碰撞算法，保證讀寫(xiě)器能夠與電子標簽正確地交換信息。本系統使用支持ISO/IEC18000―6c協(xié)議的電子標簽，規定使用基于概率類(lèi)型的時(shí)隙隨機防碰撞算法。此算法的工作過(guò)程為：電子標簽進(jìn)入讀寫(xiě)器覆蓋范圍后進(jìn)人Ready狀態(tài);讀寫(xiě)器發(fā)送Select命令和Query命令信號（開(kāi)始一個(gè)新的Round周期）并監聽(tīng)響應信號;電子標簽收到Query命令后將一個(gè)16位的隨機（或偽隨機）數（數值范圍為0000H～3FFFH，即共有多達215個(gè)時(shí)隙可供使用）裝載到時(shí)隙計數器中，進(jìn)入Arbitrate狀態(tài)，當電子標簽每接收到一個(gè)QueryRep命令，時(shí)隙計數器就會(huì )進(jìn)行減法操作（Query命令中規定了每次減的值Q，而且可以使用QueryAdjust命令修改先前的Query命令規定的Q值）;

　　當計數器減為0時(shí)電子標簽就進(jìn)入Reply狀態(tài)，此時(shí)向讀寫(xiě)器發(fā)出一個(gè)16bit的（偽）隨機數作為應答信號;如果電子標簽收到一個(gè)有效的ACK信號（正確包含自己向讀寫(xiě)器發(fā)送的16bit隨機數），那么電子標簽就會(huì )進(jìn)入Acknowledged狀態(tài)，否則如果沒(méi)有收到正確的ACK，則表明發(fā)生碰撞，返回Arbitrate狀態(tài);在確認狀態(tài)中，電子標簽向讀寫(xiě)器發(fā)送包含自己的PC（ProtocolContro1）、EPC（ElectronicProductCode）和16bit的CRC校驗等字段的信息;此后讀寫(xiě)器向電子標簽發(fā)出Read命令，可以讀Tag的EPC和TID的部分或全部?jì)热?讀取后Tag又回到Ready狀態(tài)。

　　由于ISO/IEC18000―6c協(xié)議使用基于概率類(lèi)型的時(shí)隙隨機防碰撞算法，與ISO/IEC18000―6a協(xié)議的ALOHA算法和ISO/IEC18000―6h協(xié)議的自適應二進(jìn)制數算法相比，由于時(shí)隙隨機防碰撞算法在Tag中使用時(shí)隙計數器進(jìn)行防碰撞，大大簡(jiǎn)化了讀寫(xiě)器CPU的編程工作，并提高了讀寫(xiě)器的工作效率。

4、結語(yǔ)

　　本文針對煤礦安全生產(chǎn)的需要，設計了基于RFID技術(shù)的礦井定位系統。為了提高系統的可靠性，減小防爆安全認證的難度，設計中使用高集成度芯片，以減少分立元件的數量。在讀寫(xiě)器中實(shí)現了基于最新的ISO/IEC18000―6c國際標準協(xié)議的軟件設計，不僅減小了沖突發(fā)生的概率，而且大大提高了讀寫(xiě)器CPU的效率。讀寫(xiě)器與上位機的通信使用了可靠性較高、礦井中廣泛使用的CAN總線(xiàn)技術(shù)，使地面監控室可以及時(shí)了解井下的工作狀況。