一種基于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。