如何進行面向紡織MES系統(tǒng)的RFID嵌入式數(shù)據(jù)采集終端設計？

圖3 嵌入式數(shù)據(jù)采集終端結(jié)構(gòu)圖

嵌入式控制單元是整個硬件系統(tǒng)的核心，主要負責處理RFID射頻模塊采集到底層現(xiàn)場的Tag數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)的存儲、網(wǎng)絡通信及人機交互的處理。在注重系統(tǒng)性能的同時兼顧小體積、低功耗、低成本，故采用Luminary Micro公司StellarisTM系列基于ARM Cortex-M3的微控制器LM3S615.StellarisTM系列LM3S615微控制器是專門針對工廠自動化、測試和測量設備控制、運動控制以及電力/能源監(jiān)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，擁有多種廣泛使用的ARM開發(fā)工具及片上系統(tǒng)的底層IP應用方案。

此外，系統(tǒng)設計了鍵盤電路和液晶顯示電路作為人機交互平臺，為保證系統(tǒng)可靠工作設計了電源電路及其相應的監(jiān)控電路。以下著重對數(shù)據(jù)采集及外圍設備的通信電路設計加以詳細說明。

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2大部分的設計工作。在非接觸式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，作為信息獲取的途徑，其設計的優(yōu)劣將關系到整個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)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讀寫芯片，完全集成了在此頻率下所有類型的被動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較少的串行通信，且可根據(jù)不同的用戶需求，選取SPI、12C或串行UART模式之一。由于LM3S615控制器本身帶有I2C總線接口，可以方便的與射頻識別芯片相連，故在設計時MF RC522與控制器的連接采用I2 C總線接口模式。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(shù)字信號混合的環(huán)境中，因此各個電源之間的處理很重要，以防止干擾影響到數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性。這里有AVDD、TVDD、DVDD以及 AVSS、TVSS、DVSS分別為模擬部分電源輸入、天線激勵部分電源輸入、數(shù)字部分電源輸入以及模擬地、天線電源地、數(shù)字地。這里分別對3種電源輸入進行LC濾波，采用100 uH的電感與3個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(nèi)，并將3種地在一點與系統(tǒng)地連接。

3.1.2 RFID射頻天線電路設計

無源電感耦合式射頻識別系統(tǒng)中，天線在讀寫器與射頻卡之間的能量供應和信息傳輸中起著非常重要的作用。天線的設計構(gòu)造應滿足如下幾點：使天線線圈的電流最大，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，以無失真的傳送數(shù)據(jù)載波信號。

天線線圈的設計采用PCB板的形式，線圈電感量可以根據(jù)如下公式估算：

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

MF RC522與天線的接口由TX1、TX2、RX及VMID連接，已在圖4中給出。TX1、TX2負責調(diào)制后的射頻信號輸出到天線，激勵天線產(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(diào)制后由天線接收到的副載波信號，信號經(jīng)過內(nèi)部狀態(tài)機的解調(diào)解碼后成為接收到的數(shù)據(jù)。在圖4的電路圖中，TX1、TX2與TVSS接到1個由L01、L02、C01、C02組成的LC低通濾波器，然后再輸出到天線，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(nèi)大多紡織企業(yè)生產(chǎn)設備仍舊是新老共存的現(xiàn)狀，新式設備先進，自動化程度高，便于企業(yè)信息化管理，而老式設備使用時間較長，自動化程度相對較低，因此，在系統(tǒng)設計中集成了多種通信設備接口，以提高系統(tǒng)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(tǒng)提供以太網(wǎng)接入的物理通道，通過該接口，系統(tǒng)可以實現(xiàn)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)絡接口芯片，它內(nèi)部集成有10/100 Mbps以太網(wǎng)控制器，可支持自動應答(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，可以實現(xiàn)沒有操作系統(tǒng)的Internet連接，主要用于高集成、高穩(wěn)定、高性能和低成本的嵌入式網(wǎng)絡應用系統(tǒng)。

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連接時MCU訪問W5100內(nèi)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)總線是近年來出現(xiàn)在計算機系統(tǒng)上的標準外設通信接口，具有接口簡單、信息傳輸量大、即插即用等特點，目前應用十分廣泛。本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計了基于 I2C總線協(xié)議的USB總線接口，可方便地與其它USB外設進行數(shù)據(jù)通信。該系統(tǒng)選用Philips公司的USB接口芯片PDIUSBD11，因其具有 I2C接口，可以方便實現(xiàn)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行數(shù)據(jù)通信，數(shù)據(jù)采集終端也設計了現(xiàn)階段使用較為普遍的RS232與RS485串行總線接口。系統(tǒng)選用SP3232E來完成RS232與TTL的電平轉(zhuǎn)換工作，采用SP3485收發(fā)器作為系統(tǒng)RS485設備的總線接口。