基于RFID的控制閥系統設計

摘要：射頻識別技術(shù)(RFID)是一項利用射頻信號通過(guò)空間耦合(交變磁場(chǎng)或電磁場(chǎng))實(shí)現無(wú)線(xiàn)方式對電子數據載體進(jìn)行識別的新興自動(dòng)識別技術(shù)。針對低功耗和高效性，設計了一種以Nuvoton Nano110低功耗MCU為核心的125KHz的RFID控制閾系統。該系統采用分立元件搭建了成本極低的ATA5567射頻卡讀寫(xiě)電路，構建了段碼式LCD顯示和控制閥門(mén)的電機驅動(dòng)模塊。通過(guò)實(shí)踐檢驗了系統的穩定性，可將其用于成本敏感的預付費卡表(水表、燃氣表和熱量表等)。

當前在中國的各類(lèi)計量行業(yè)中，使用的計量表如水表、燃氣表和熱量表等，絕大多數均不帶流量控制功能，經(jīng)常的做法是先使用后交費，這樣會(huì )給用戶(hù)造成很多不便，因此預付費的計量表便應運而生。本文介紹了一種廣泛應用于預付費卡表的RFID控制閥門(mén)，與其它各類(lèi)表的控制閥門(mén)的方式相比，用RFID控制閥門(mén)的優(yōu)勢在于：

1)在識別方面，使用RFID后，會(huì )使可識別的距離更靈活，具有無(wú)屏障閱讀和穿透性，可以穿透非磁性材料，比如水、塑膠、混凝土等。

2)在耐用性方面，RFID對水、油和腐蝕性較強的化學(xué)藥品等具有很強的抵抗性;同時(shí)RFID將數據存在芯片中，芯片和外界沒(méi)有直接接觸，因此可以免受污損。

3)在可重復使用方面，RFID標簽則可以重復的修改、刪除RFID內儲存的數據，信息更新很方便。

4)在數據的安全性方面，RFID承載的是電子式信息，其數據內容可經(jīng)由密碼保護，使其內容不易被偽造和變更。

5)成本低廉，可加入LC振蕩器到微控制器中來(lái)實(shí)現高性?xún)r(jià)比的收發(fā)器。

6)可實(shí)現低功耗設計，尤其在接收端。

1 系統硬件設計

1.1 系統組成

控制閥系統主要由6部分組成：電子標簽、射頻天線(xiàn)及調制電路、控制核心(MCU)、電機及其控制模塊、LCD顯示模塊和蜂嗚報警模塊。

1)電子標簽：本系統采用的電子標簽是ATA5567射頻卡，該射頻卡由內置芯片、內置天線(xiàn)和EEPROM組成。射頻卡中的EEPROM用于存儲數據，其中數據可以反復的讀取和擦除，讀寫(xiě)次數不少于10萬(wàn)次，內置電線(xiàn)用于與射頻天線(xiàn)進(jìn)行通信。市面上常見(jiàn)的電子標簽都是無(wú)源的，所以需要內置天線(xiàn)接收射頻天線(xiàn)傳遞信息的同時(shí)，通過(guò)耦合來(lái)提供EEPROM讀寫(xiě)數據所需要的能量。內置芯片用于接收命令并根據命令的內容決定數據的發(fā)送方式。

2)射頻天線(xiàn)及調制電路：射頻天線(xiàn)主要用來(lái)與電子標簽建立通信通路。調制電路一般包括：功率放大電路、檢波電路和濾波放大整形電路3個(gè)部分。

3)控制核心MCU：本系統采用臺灣新唐科技Nano100系列超低功耗的32位內嵌ARM Cortex—MO核的MCU作為控制核心，其主要實(shí)現功能有：①通過(guò)CLKO輸出125 KHz的載波。②通過(guò)TC0捕獲調制電路輸出的波形信息。③通過(guò)GPIO和ADC驅動(dòng)直流有刷電機并在電機卡住時(shí)斷電保護。

④通過(guò)MCU內部的LCD Driver驅動(dòng)段碼式LCD。⑤通過(guò)PWM控制蜂鳴器產(chǎn)生合適的報警聲音。

4)電機驅動(dòng)及控制模塊：通過(guò)H橋控制直流有刷電機的轉動(dòng)，電機卡住時(shí)將斷電保護。

5)LCD顯示模塊：通過(guò)MCU驅動(dòng)段碼式LCD以顯示金額、開(kāi)閥、關(guān)閥等信息。

6)蜂鳴報警模塊：通過(guò)PWM控制蜂鳴器產(chǎn)生適當的報警聲音。

1.2 天線(xiàn)及調制電路設計

1)載波產(chǎn)生和天線(xiàn)驅動(dòng)電路：由MCU的CLKO輸出頻率穩定的125 kHz的方波，經(jīng)過(guò)三極管進(jìn)行功率放大。之后的串聯(lián)諧振電路中天線(xiàn)是漆包線(xiàn)繞制的線(xiàn)圈，電容采用的是精準的校正電容，加入功率放大和產(chǎn)生諧振的目的是獲得最大的磁通量，從而產(chǎn)生最大的讀卡距離。

2)檢波電路，濾除載波信號。

3)放大電路，采用有低廉的LM358運算放大器進(jìn)行兩級電壓放大。

4)捕獲及運算，該部分是在MCU內部完成的，由MCU中的Timer0工作在周期自由捕獲模式，完成碼元間隔時(shí)間的捕獲，然后經(jīng)過(guò)運算，得出各個(gè)Block的數值。

1.3 電機驅動(dòng)設計

主體電路是由4個(gè)三極管組成的H橋驅動(dòng)電路，在同一時(shí)刻最多只有2個(gè)三極管處于導通狀態(tài)，可以方便的控制電機的正傳和反轉，再電機卡住時(shí)，由于電流是正常工作時(shí)的6～7倍，所以通過(guò)MCU內部的ADC檢測電阻上的電壓值，如果數值滿(mǎn)足條件，則會(huì )給電機斷電，并視情況發(fā)生報警，以免電機燒毀和設備的損壞。

2 系統軟件設計

本系統的軟件設計主要由6個(gè)部分組成：1)讀卡;2)寫(xiě)卡;3)GPIO控制電機和ADC過(guò)壓檢測;4)PWM驅動(dòng)蜂鳴器;5)125 kHz載波產(chǎn)生;6)LCD顯示。其中最主要的當屬1)讀卡和2)寫(xiě)卡了，完成讀卡和寫(xiě)卡后，系統的軀干就有了，然后3)，4)，5)，6)就是在軀干上添枝加葉，讓這個(gè)系統完整起來(lái)。

2.1 ATA5567卡片的讀寫(xiě)規則

ATA5567中的存儲是330bit的EEPROM，一共有10個(gè)塊(block)，每個(gè)塊有33bit，其中第一位為鎖bit。一共分為兩頁(yè)，第一頁(yè)包含8個(gè)block，編號分別為block0-block7。第二頁(yè)包含2個(gè)block，為只讀block，包含可回溯數據，由AIMEL公司規劃。

ATA5567的數據率和調制方式是由block0決定。

對于本系統而言，做了很多的嘗試，找到了一種和MCU搭配比較合理的ATA5567配置方式。

1)主控鍵值，需執行讀寫(xiě)操作，所以主控鍵值選為8。

2)比特率，綜合MCU的性能和讀ATA5567所用時(shí)間，取一個(gè)折中，選擇的是RF/32，這樣一個(gè)碼元的周期

3)調制方式，一般選擇曼切斯特的調制方式。

4)AOR是按請求應答，主要的作用是防碰撞機制。當有多張ATA5567卡靠近應答器時(shí)，可以實(shí)現每張卡的逐次讀取。

5)最大塊，為了保證信息的完整性和保護密碼不被竊取，最大塊取6。

6)PWD，為了防止ATA5567被惡意改寫(xiě)，密碼是一定需要的，即該位為1。

7)ST是為了方便以同步頭的方式實(shí)現數據的讀取。

2.2 ATA5567數據的存儲和編碼格式

對于A(yíng)TA5567能操作的其實(shí)只有block0-block7，這幾塊的格式是一樣的，只不過(guò)block0作為控制塊，block7作為密碼塊，所以實(shí)際上真正能存儲用戶(hù)數據的只有block1-block6，共有6個(gè)塊。

ATA5567的編碼方式設定為曼切斯特編碼。曼切斯特編碼是基帶傳輸中廣泛應用的一種數據傳輸編碼方式，這種編碼通常用于局域網(wǎng)傳輸，是一種自同步法編碼方式。在數據信號的波形中既有同步時(shí)鐘信號又有數據信號。在調制電路輸出的波形中，數據“1”對應著(zhù)曼切斯特編碼(下面簡(jiǎn)稱(chēng)“曼碼”)電平的上跳沿，數據“0”對應著(zhù)曼碼電平的下跳沿。在所接收的一系列曼碼數據，注意空跳變，假定兩個(gè)相鄰bit的間隔時(shí)間是1P。若兩個(gè)相鄰bit代表的數據極性相同(同為0或者同為1)，那么在這兩個(gè)bit傳送之間，會(huì )出現一個(gè)預備性的非數據跳變。

根據上跳，下跳和空跳來(lái)分辨數據是“0”或者“1”，通過(guò)下圖的圖解可以發(fā)現，如果通過(guò)定時(shí)器捕獲，最少會(huì )得到兩種時(shí)間間隔，一種為一個(gè)整傳送周期(256/μs)，另一種為半個(gè)傳送周期(128μs)

2.3 ATA5567寫(xiě)卡規則

在A(yíng)TA5567卡片內部有一個(gè)寫(xiě)解碼器，該解碼器采用脈沖間隔編譯碼技術(shù)。在寫(xiě)卡期間，寫(xiě)解碼器會(huì )檢查寫(xiě)數據流是否有效，并檢測場(chǎng)中斷間隔。

寫(xiě)卡的首要工作是確定寫(xiě)卡的時(shí)間間隔，結合上表中官方給出的數據和現場(chǎng)實(shí)踐，選擇時(shí)間如表1所示。

確定寫(xiě)卡時(shí)間間隔之后，還要確定寫(xiě)卡的命令。在使用一張從市場(chǎng)上買(mǎi)的新卡前，首先要做的就是在Block7當中寫(xiě)入32位秘鑰數據，然后初始化Block0為0x800880d8，寫(xiě)卡的命令及格式如下。

1)標準寫(xiě)命令格式如表2所示。

此時(shí)的寫(xiě)卡為“Standard Write”模式，由于能操作的只有第0頁(yè)，所以p取0;

2)保護寫(xiě)命令格式如表3所示。

初始化block0之后，寫(xiě)卡操作變?yōu)?ldquo;Protected Write”模式，具體操作與“Standard Write”模式類(lèi)似，唯一的不同點(diǎn)便是在寫(xiě)入數據之前必須先寫(xiě)入block7中存儲的秘鑰，如果秘鑰不對，則卡進(jìn)入其他狀態(tài)，這里不再贅述。

2.4 ATA5567讀卡規則和算法實(shí)現

對于A(yíng)TA5567，讀卡命令如表4所示。

由于PWD位已經(jīng)置為1，所以選擇第一種格式，寫(xiě)命令與之前講述的寫(xiě)數據類(lèi)似，此處不再講述。

發(fā)完寫(xiě)命令后，Nano110單片機會(huì )捕獲到數據，這些時(shí)間間隔數據是獲取二進(jìn)制數據來(lái)源。根據ATA5567數據的存儲和編碼格式，讀卡算法如下：

算法的核心是ReadNumber()函數的實(shí)現，由于在發(fā)送完命令之后，ATA5567會(huì )根據發(fā)送命令中的地址信息，循環(huán)發(fā)送所選地址存儲是數據。由于每個(gè)block中存儲了32 bit的數據，實(shí)際上轉換為曼碼對應的波形最多有64個(gè)跳變，所以采集到的128個(gè)數據中一定至少有一個(gè)所需數據的完整遍歷。這時(shí)同步碼也包括在128個(gè)數據之中，通過(guò)同步碼來(lái)確定block中數據的起始位。同步碼的波形如圖8所示。

同步碼在所捕獲的數據中體現為：256或128，128，384，128(單位均為μs)。用圖4中的表示方式，上面的數據對應的時(shí)長(cháng)分別為1P或0.5P，0.5P，1.5P，0.5P。因為在實(shí)際中的波形經(jīng)過(guò)調制后不可能為完美的方波，波形的好壞與標簽和天線(xiàn)的距離有很大關(guān)系，此外還跟所選器件的精度、MCU的定時(shí)器捕獲精度有關(guān)，所以允許捕獲的數據有誤差。定時(shí)器捕獲數據完成后，要進(jìn)行解碼，這里定義了兩個(gè)數組array[128]，bit_array[32]，前者用來(lái)存放捕獲的數據，后者存放解碼后的數據，找到同步碼形后1.5P的時(shí)長(cháng)對應array[bitnum]，bitnu m1的初始值為0。

程序執行完畢后，bit_array[]數組中就存儲了某個(gè)block對應的32bit的數據，這些數據是二進(jìn)制數據，可以根據需要將其轉換為十進(jìn)制或者十六進(jìn)制的數據，因為需要在各個(gè)block中存儲時(shí)間、日期、金額、流量(熱量)等信息，這里需要將其轉換為十進(jìn)制數據。

3 結束語(yǔ)

文中主要針對預付費的表類(lèi)(熱表、水表、氣表、電表)，提出了一種低成本、低功耗、高可靠性的解決方案。由于篇幅所限，著(zhù)重介紹了無(wú)需解碼芯片的RFID解碼電路的構成，提出了一種針對ATA5567的高效的編解碼方案，這是整個(gè)系統架構的核心。對于系統而言，大部分時(shí)間處于非工作狀態(tài)，可以使其進(jìn)入PowerDown模式(ARM架構MCU具有的功能)，以節省電力。另外出于對數據備份和保護的目的，可以在系統里加入單獨的存儲單元，如SPI-Flash或者EEPROM，以期在設備損毀等場(chǎng)合盡最大可能的減少用戶(hù)的損失。在某些場(chǎng)合下，如果需要組網(wǎng)，除了使用RS-485外還可以使用以太網(wǎng)或者無(wú)線(xiàn)方式(如433 MHz)，這樣就可以實(shí)現與局域管理系統進(jìn)行實(shí)時(shí)對接。