如何進(jìn)行面向紡織MES系統的RFID嵌入式數據采集終端設計？

圖3 嵌入式數據采集終端結構圖

嵌入式控制單元是整個(gè)硬件系統的核心，主要負責處理RFID射頻模塊采集到底層現場(chǎng)的Tag數據，完成數據的存儲、網(wǎng)絡(luò )通信及人機交互的處理。在注重系統性能的同時(shí)兼顧小體積、低功耗、低成本，故采用Luminary Micro公司StellarisTM系列基于A(yíng)RM Cortex-M3的微控制器LM3S615.StellarisTM系列LM3S615微控制器是專(zhuān)門(mén)針對工廠(chǎng)自動(dòng)化、測試和測量設備控制、運動(dòng)控制以及電力/能源監控等工業(yè)應用而設計的，其擁有ARM微控制器所具有的眾多優(yōu)點(diǎn)，擁有多種廣泛使用的ARM開(kāi)發(fā)工具及片上系統的底層IP應用方案。

此外，系統設計了鍵盤(pán)電路和液晶顯示電路作為人機交互平臺，為保證系統可靠工作設計了電源電路及其相應的監控電路。以下著(zhù)重對數據采集及外圍設備的通信電路設計加以詳細說(shuō)明。

3.1 射頻識別單元設計

射頻識別單元設計主要包括RFID射頻模塊及射頻天線(xiàn)2大部分的設計工作。在非接觸式數據采集系統中，作為信息獲取的途徑，其設計的優(yōu)劣將關(guān)系到整個(gè)數據采集系統的成敗。射頻識別芯片選用荷蘭NXP公司的非接觸式射頻讀寫(xiě)芯片MF RC522，是應用于13.56 MHz 非接觸式通信的一款高集成度IC讀寫(xiě)芯片，完全集成了在此頻率下所有類(lèi)型的被動(dòng)非接觸式通信方式和通信協(xié)議。

3.1.1 MF RC522射頻芯片接口電路設計

MF RC522與主機闖的通信采用連線(xiàn)較少的串行通信，且可根據不同的用戶(hù)需求，選取SPI、12C或串行UART模式之一。由于LM3S615控制器本身帶有I2C總線(xiàn)接口，可以方便的與射頻識別芯片相連，故在設計時(shí)MF RC522與控制器的連接采用I2 C總線(xiàn)接口模式。MF RC522與LM3S615控制器的接口電路如圖4所示。

圖4 MF RC522與微控制器的接口電路

射頻芯片工作在模擬信號和數字信號混合的環(huán)境中，因此各個(gè)電源之間的處理很重要，以防止干擾影響到數據的穩定性。這里有AVDD、TVDD、DVDD以及 AVSS、TVSS、DVSS分別為模擬部分電源輸入、天線(xiàn)激勵部分電源輸入、數字部分電源輸入以及模擬地、天線(xiàn)電源地、數字地。這里分別對3種電源輸入進(jìn)行LC濾波，采用100 uH的電感與3個(gè)10 uF的電容連接組成LC濾波器，使得電源中串入的干擾及噪聲控制在可接受范圍內，并將3種地在一點(diǎn)與系統地連接。

3.1.2 RFID射頻天線(xiàn)電路設計

無(wú)源電感耦合式射頻識別系統中，天線(xiàn)在讀寫(xiě)器與射頻卡之間的能量供應和信息傳輸中起著(zhù)非常重要的作用。天線(xiàn)的設計構造應滿(mǎn)足如下幾點(diǎn)：使天線(xiàn)線(xiàn)圈的電流最大，用于產(chǎn)生最大的磁通量;功率匹配，以最大程度利用所產(chǎn)生磁通量的可用能量;足夠的帶寬，以無(wú)失真的傳送數據載波信號。

天線(xiàn)線(xiàn)圈的設計采用PCB板的形式，線(xiàn)圈電感量可以根據如下公式估算：

式中N為線(xiàn)圈匝數，l為線(xiàn)圈周長(cháng)，d為銅箔寬度，K為天線(xiàn)的形狀參量(環(huán)形天線(xiàn)K=1.07，矩形天線(xiàn)K=1.47)。

MF RC522與天線(xiàn)的接口由TX1、TX2、RX及VMID連接，已在圖4中給出。TX1、TX2負責調制后的射頻信號輸出到天線(xiàn)，激勵天線(xiàn)產(chǎn)生電磁波將信號輸出到電子標簽，而RX引腳則接收電子標簽調制后由天線(xiàn)接收到的副載波信號，信號經(jīng)過(guò)內部狀態(tài)機的解調解碼后成為接收到的數據。在圖4的電路圖中，TX1、TX2與TVSS接到1個(gè)由L01、L02、C01、C02組成的LC低通濾波器，然后再輸出到天線(xiàn)，這部分的作用是為了電磁兼容設計，減少輻射到外部環(huán)境中的電磁干擾。L01、L02的值為2.2 uH，C01、C02的值為47 pF。

3.2 其他外圍接口電路設計

考慮到目前國內大多紡織企業(yè)生產(chǎn)設備仍舊是新老共存的現狀，新式設備先進(jìn)，自動(dòng)化程度高，便于企業(yè)信息化管理，而老式設備使用時(shí)間較長(cháng)，自動(dòng)化程度相對較低，因此，在系統設計中集成了多種通信設備接口，以提高系統的兼容性。

3.2.1 以太網(wǎng)接口電路

以太網(wǎng)通信模塊為系統提供以太網(wǎng)接入的物理通道，通過(guò)該接口，系統可以實(shí)現10 Mbps速率的接入。本設計采用WIZnet公司的兼容IEEE802.3以太網(wǎng)控制器W5100。W5100是一款多功能的單片網(wǎng)絡(luò )接口芯片，它內部集成有10/100 Mbps以太網(wǎng)控制器，可支持自動(dòng)應答(全雙工/半雙工模式)，與中央處理單元可以采用標準SPI方式連接，可以實(shí)現沒(méi)有操作系統的Internet連接，主要用于高集成、高穩定、高性能和低成本的嵌入式網(wǎng)絡(luò )應用系統。

在W5100中，SEN為SPI接口使能引腳，將其經(jīng)10 kΩ電阻上拉到高電平以允許SPI模式;CS為片選引腳，低電平有效，主要用于在并行總線(xiàn)連接時(shí)MCU訪(fǎng)問(wèn)W5100內部寄存器或存儲器，W5100與處理器的接口電路如圖5所示。

圖5 以太網(wǎng)接口電路

3.2.2 USB接口電路

USB(Universal Serial Bus)總線(xiàn)是近年來(lái)出現在計算機系統上的標準外設通信接口，具有接口簡(jiǎn)單、信息傳輸量大、即插即用等特點(diǎn)，目前應用十分廣泛。本數據采集系統設計了基于 I2C總線(xiàn)協(xié)議的USB總線(xiàn)接口，可方便地與其它USB外設進(jìn)行數據通信。該系統選用Philips公司的USB接口芯片PDIUSBD11，因其具有 I2C接口，可以方便實(shí)現與微控制器的連接，其電路設計如圖6所示。

圖6 USB接口電路

3.2.3 RS232/RS485總線(xiàn)接口電路

為便于與當前工業(yè)企業(yè)中仍在使用的老式設備進(jìn)行數據通信，數據采集終端也設計了現階段使用較為普遍的RS232與RS485串行總線(xiàn)接口。系統選用SP3232E來(lái)完成RS232與TTL的電平轉換工作，采用SP3485收發(fā)器作為系統RS485設備的總線(xiàn)接口。