无线射频及CAN总线.doc

目前我国的煤炭产量居世界第一位,我国95%的煤矿开采是地下开采作业,而地下开采的危险性较之露天开采要大的多。因此,煤炭行业的安全工作一直不容乐观,用高新技术和先进实用技术改造传统产业,增加科技含量,促进产品更新换代,提高产品质量和经济效益,是走新型煤炭工业化道路的必然选择。

基于上述原因,在深入研究射频识别(RFID)技术与现场总线(CAN)技术的基础上, 本文提出了一种煤矿井下人员定位以及瓦斯浓度检测系统。该系统采用RFID技术可以实时对井下佩戴电子标签(Tag)的工作人员进行定位、身份识别, 采用瓦斯检测可以消除瓦斯带来的安全隐患。读写器采集到的信息通过CAN总线传送到地面, 一方面可以实现对井下人员的考勤统计,另一方面可以查询矿井中的人员的分布情况。

1 监控系统的总体设计

1.1 总体框图设计

整个系统利用RFID技术进行无线数据采集,通过CAN总线将信息传输到地面监控主机并组成网络实现信息共享。在井下入口、巷道、作业面的交叉道口等需要监控的主要位置安装一定数量的监测分站,下井人员按照要求佩戴装有射频标签的固定的安全帽下井作业。当井下人员经过井下安装的发射天线工作区时,装在安全帽内的射频标签识别卡进入高频发射天线工作区域后即被激活开始工作,将卡内载有识别码的信息经卡内高频模块发射出去,分站获取人员携带的标签信息,系统自动采集该人员经过的时间、地点信息,经CAN总线传输至地面的监控室计算机,完成预设的系统功能。系统的总体设计框图如图1。

该系统主要由两个主要部分组成,第一部分是RFID数据采集与控制模块,该模块主要包括射频前端子模块、基带信号处理子模块(R1000)、读写控制子模块。射频前端主要负责与标签建立空中通信接口的连接;基带信号处理模块主要实现基带信号的编码解码、信号滤波和DA转换功能;读写控制模块主要生成与标签通信过程中的控制指令,用以实现基本的读写动作,防碰撞识别算法以及读写权限管理。第二部分是现场总线接口模块,该模块由总线协议接口和用户控制层协议包组成。总线协议接口部分包括总线通信物理层协议和链路层协议。物理层主要定义信号的编码与传送方式、硬件接口电气特性、信号传输速率。链路层协议主要负责对传输介质传送的信号进行发送和接收控制。

1.2 CAN总线节点实现

CAN是由ISO定义的串行通讯总线,最初应用在80年代末的汽车工业里。CAN采用了新技术及独特的设计,在煤矿中使用时比RS485具有更突出的可靠性、实时性和灵活性。CAN具有多主节点的网络特性,总线利用率高,数据传输速度快,可扩充性好,通讯距离长, 加中继器通讯距离可达数十千米,具有可靠的错误处理和检错机制,个别节点失效并不影响整个通讯网络的运行, 实时性好等优点。而且在矿井中使用CAN总线网络还有利于将矿井中相互独立的各种类型系统互通,进行统一管理。CAN总线接口图如图2所示。

CAN 总线接口主要由CAN通信控制SJA1000、高速光耦6N137和CAN总线驱动器TJA1040组成,SJA1000 作为CAN总线协议转换的控制器, 它内建Basic CAN协议,并提供对CAN2.0B协议的支持。为了增强CAN总线节点的抗干扰能力,防止线路间串扰,SJA1000并不是直接与TJA1040的相连,而是通过高速光耦6N137后再与TJA1040相连。另外, CAN总线驱动器采用带隔离的DC/DC模块单独供电,实现了通信控制器与CAN总线的隔离,提高系统的可靠性。SJA1000与S3C2410之间的接口并不完全兼容,将两者连接起来时必须对他们进行逻辑接口的变换,逻辑变换主要包括地址数据复用总线的设计,地址锁存信号的ALE的设计,读写信号RD和WR的设计以及片选信号的设计。

1.3 射频模块电路实现

射频模块是读卡器的重要组成部分,由于现在UHF频段读写器普遍价格较高,结构复杂,很大程度上限制了RFID产品的发展,本设计中我们选择Intel公司生产的适用于UHF频段的一款高集成度、高性能、低功耗的RFID读写芯片R1000,加上外接的功放可以使R1000 达到远距离读取数据的目的。射频部分是读写器的前端,它接收来自于控制电路的控制命令,将这些命令在片内通过查找表的方式完成基带编码和脉冲形成,经过片内的采样和数模转换器后,经PA_p、PA_n引脚输出;当接收到电子标签的回波时,将回波信号从R1000的RX_p、RX_n引脚输入,在片内经内部的低噪声放大器、混频、AC耦合和Sigma-Delta模数转换器后形成数字信号,经片内一个FIR和一个二阶IIR滤波器后通过串口实现与微处理器的通信。控制器与R1000的接口图如图3所示。

R1000内包含了一个能源扩大器,使得它可以在近距离或者2m内对标签进行编码和阅读,而具体距离由读写器所使用的天线决定。有了额外的外部能源扩大器,使用R1000读写器的读写范围可以达到10m。这可以保证在煤矿的一个较大范围内对位于矿工安全帽上的信息进行读取。R1000必须与单独的微处理器连接,本设计中我们采用Samsung公司ARM9 2410芯片作为主控制器。这个微处理器可以把由R1000 数字信息处理器产生的原始数据转换成EPC或者18000-6c格式的代码, 其工作频率为860～960 MHz。

2 系统软件设计

系统的软件设计部分主要包括射频读写器的读卡程序设计和CAN总线接口的通信程序设计。底层的软件编写主要采用C语言和汇编语言,采用模块化的编程思想。系统的主程序完成一个完整的标签读写过程,控制每个硬件电路模块的工作状态。当标签被验证为合法时, 读写器才正式读/写标签上的信息, 经过数据处理之后, 由CAN 总线上传到地面监控中心。当标签被验证为非法时, 读写器转到直接复位相应状态,等待下次读写操作开始。读写器的工作流程如图4所示。

CAN总线的通信主要完成CAN控制器的初始化设置、控制各节点之间的数据交换、检测各个节点和总线的状态、进行故障处理。为了防止读写器覆盖范围内的多个标签同时响应读写器的指令,在读写器的软件系统中要加入防碰撞算法,保证读写器能够与电子标签正确地交换信息。本系统使用支持EPC GEN2协议的电子标签,规定使用基于概率类型的时隙随机防碰撞算法。

3 结束语

本项目的最大创新在于将现场总线技术和射频识别技术结合起来应用于煤矿的安全生产中。它实现了对井下人员跟踪、环境监测等功能。无论从便于生产管理、提高生产效率的角度, 还是从安全生产、保障矿工人身安全的角度, 都有着重要的实际意义和推广应用价值。随着RFID在更多领域的应用,基于CAN总线的RFID系统将表现出更好的优势和得到更好的应用。

参考文献:

[1] 徐守伟.基于ARM处理器的RFID读卡器的研制[D].成都:电子科技大学,2006.

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