基于SLRC400的礦用人員安全系統設計

煤礦生產(chǎn)如何做到預防重大事故的發(fā)生一直是人們關(guān)注的熱點(diǎn)。本文采用SLRC400芯片構成RFID系統來(lái)監控人員安全。對井下所有人員裝備射頻卡，當井下人員經(jīng)過(guò)監測點(diǎn)時(shí)，閱讀器識別射頻卡并將射頻卡號和位置信息通過(guò)數據總線(xiàn)傳輸給上位機進(jìn)行處理，一旦發(fā)生事故，可迅速查詢(xún)被困人員信息，從而把傷亡降至最低。

系統硬件結構

本系統的結構如圖1所示。其中，射頻識別系統中的核心部件采用了SLRC400芯片構成的閱讀器，用以對井下員工的位置進(jìn)行監控。

SLRC400的電氣特性

SLRC400是一種工作在13．56MHz的非接觸式IC卡閱讀器，它支持S015693協(xié)議，在無(wú)源的情況下能夠驅動(dòng)天線(xiàn)發(fā)射到較長(cháng)的距離(1．5米)。其主要特點(diǎn)是：數字部分具有CRC校驗功能；具有并行接口，可以直接與任何8位微處理器相連，為閱讀器和終端電路設計提供了較大的靈活性；高集成解調和編碼模擬電路；靈活的中斷處理；可編程計時(shí)器；獨特的串行數據；用戶(hù)可編程的啟動(dòng)結構：數字、模擬和傳輸部分的獨立電源供給；可外接RS-485等芯片。

SLRC400的外圍電路設計

系統的硬件設計包括SLRC400構成的閱讀器硬件電路設計以及CAN總線(xiàn)通信部分的設計。其中，SLRC400外圍電路包括EMC低通濾波電路、接收電路、天線(xiàn)匹配電路和天線(xiàn)。

EMC低通濾波電路

SLRC400的工作頻率是13．56MHz，作為SLRC400時(shí)鐘的信號由石英晶體的振蕩產(chǎn)生，同時(shí)也是驅動(dòng)天線(xiàn)l3．56MHz載波頻率的基礎，這不僅導致發(fā)射出13．56MHz的能量，同時(shí)也發(fā)射更高次的諧波。國際EMC條例規定了在寬的頻率范圍內發(fā)射能量的幅值。因此，為了滿(mǎn)足這個(gè)規定，加了一個(gè)合適的濾波器。

接收電路

SLRC400的內部接收電路在射頻卡進(jìn)入閱讀器范圍時(shí)工作。當輸入接引腳RX時(shí)，使用內部生成VMID。為了提供穩定的參考電壓，接地電容C3與VMID相連。閱讀器的接收部分需要在RX和VMID之間加分壓器。

天線(xiàn)線(xiàn)圈電感選取與阻抗匹配問(wèn)題

精確計算天線(xiàn)線(xiàn)圈電感值是不實(shí)際的，但是可以用線(xiàn)圈電感值公式估算。天線(xiàn)的實(shí)際電容和電感值取決于很多參數，比如天線(xiàn)的結構(PCB的類(lèi)型)，導線(xiàn)的厚度，纏繞線(xiàn)圈間的距離，屏蔽層，周?chē)h(huán)境中的金屬或鐵氧體。

電容值的大小會(huì )嚴重影響閱讀器的性能，確定電容值可以采用軟件或硬件的方法，一種簡(jiǎn)單的方法是：SLRC400有一個(gè)SIGOuT引腳，當閱讀器發(fā)出某一指令時(shí)，可以通過(guò)示波器觀(guān)察該引腳的輸出信號，不斷改變卡與閱讀器之間的距離和C2值，示波器將輸出不同的波形，根據不同的波形即可確定閱讀器最好的性能。

系統的軟件實(shí)現

系統軟件設計

系統軟件結構如圖2所示。服務(wù)器端、客戶(hù)端、數據庫分別采用Windows 2000 Advanced Sever，windows 2000操作系統以及SQL Sever2000。開(kāi)發(fā)數據庫的軟件眾多，但是VC++以其所見(jiàn)即所得的界面設計、高效的執行代碼和極快的編譯速度，成為本設計的首選工具。其中射頻識別系統內部單片機采用C51高級語(yǔ)言，SLRC400則采用其標準程序，另外，系統還包含閱讀器其他電路的應用程序設計。

SLRC400應用程序算法

二進(jìn)制搜索算法由一個(gè)閱讀器和多個(gè)射頻卡之間規定的一組命令和應答規則構成。目的在于從多卡中選出任意一張實(shí)現數據通信。為了從一組射頻卡中選擇其一，閱讀器發(fā)出一個(gè)讀卡命令，有意識地將射頻卡序列號傳輸時(shí)的數據碰撞引導到閱讀器上，即通過(guò)閱讀器判斷是否有碰撞發(fā)生。該算法有三個(gè)關(guān)鍵要素：選用易于識別碰撞的基帶編碼；利用射頻卡序列號唯一的特性；設計一組有效的指令規則，高效、迅速地實(shí)現選卡。

本系統所用到的指令規則為：Inventory Request-請求(序列號)：向閱讀器請求響應；Select(SNR)--選擇(序列號)：用某個(gè)(事先確定的)序列號作為參數發(fā)送給射頻卡。如果場(chǎng)中某一射頻卡的序列號和此參數相同，則此射頻卡被選中，對其他的指令進(jìn)行響應，而其他序列號的射頻卡只對Inventory Request指令應答；Stay quiet--安靜狀態(tài)：取消一個(gè)事先選中的射頻卡，射頻卡進(jìn)入安靜狀態(tài)(非激活)，對收到的Inventory Request命令不做應答。為了重新激活射頻卡，可以先將射頻卡移出閱讀器天線(xiàn)的作用范圍再進(jìn)入，以實(shí)現復位，或者收到select及Reset to Ready命令。

對二進(jìn)制搜索算法系統功能的可靠性起決定作用的是所有射頻卡需要準確的同步，這樣才能按位判斷碰撞的發(fā)生。為了使眾多射頻卡不發(fā)生碰撞，需要重復操作Inventory Request指令。

SLRC400應用編程

讀寫(xiě)芯片SLRC400的行為通過(guò)執行特定的9條命令的內部狀態(tài)來(lái)決定。執行命令時(shí)所需的聲明或數據通過(guò)FIFO緩沖器交換。Start up命令進(jìn)行復位和初始化；IDLE將SLRC400切換到非激活狀態(tài)；Transmit從FIFO緩沖器傳輸數據到射頻卡；Receive命令激活接收電路；Transceive從FIFO緩沖器傳輸數據到射頻卡；WriteE2命令把從緩沖器獲得的數據寫(xiě)到EEPROM；ReadE2把從EEPROM讀到的數據置于FIFO緩沖器；LoadConfig從EEPROM讀數據并初始化寄存器；CalcCRC激活協(xié)處理器。在執行前對所有寄存器進(jìn)行初始化，然后閱讀器以一定的時(shí)間間隔循環(huán)發(fā)送，Inventory Request命令，監測閱讀距離內是否有射頻卡存在。如果有，則射頻卡響應Inventory Request命令，向閱讀器發(fā)送卡號和CRC校驗值。如果有通信錯誤或無(wú)碰撞，則利用Transmit和WriteE2通過(guò)數據總線(xiàn)發(fā)送給微處理器，然后發(fā)送Stay quiet命令，使剛才的射頻卡進(jìn)入安靜狀態(tài)。如果有碰撞，就調用防碰撞程序，以二進(jìn)制搜索的算法縮小搜索范圍，直到剩下一個(gè)射頻響應。

結語(yǔ)

本系統能夠實(shí)現1．5米的人員識別，并且通過(guò)數據總線(xiàn)將射頻卡號和位置信息傳送到數據中心站，利用本系統能夠及時(shí)掌握井下員工的位置。但本系統的識別距離相對較短，如何提高閱讀器的識別距離是今后的工作重點(diǎn)。