基于CAN和2.4G的RFID收费系统

1 引言

　　RFID（Radio Frequency IDentification）技术，即射频识别技术，是一种通信技术，目前广泛应用于各种收费场合，例如：公共交通收费系统，停车场收费系统等等。目前使用RFID 技术的系统通常使用RS-485 和PC 端进行数据交互，但是RS-485 使用单主节点，采用轮询方式，因此存在实时性较低和通讯效率低的问题。

　　随着计算机科学水平的不断飞跃和工业发展的需要，工业控制系统经历了基地式仪表控制系统、集中式数字控制系统、集散控制系统到现在广泛使用的现场总线控制系统的转变。CAN（Controller Area Net）总线是一种基于串行通信网络的现场总线。CAN 总线采用多主工作方式，网络上的任意节点可以在任意时刻向网络上的其他节点发送信息。同时，CAN 总线采用非破坏性仲裁技术，当两个或者更多的节点同时向网络上传送数据，优先级低的节点将停止发送，直到优先级高的节点发送完数据后再发送，这样有效地避免了总线竞争。CAN 通信距离最远可达10km/5kbps,通信速率最高可大1Mbps.CAN 的每帧数据都有CRC校验或者其它检测方式，保证了数据通信的可靠性。

　　当一个CAN 节点发生严重错误时，该节点会自动关闭，从而不影响其它节点的正常工作。因此，CAN 总线具有可靠性强，实时性高和效率高等优势，完全能够取代RS 485 总线。

　　考虑到在实际应用环境中，为了减少大量的布线工作，使用2.4G 无线网络作为数据从RFID 到CAN总线之间传输的中转站。无线技术具有成本低、灵活性高、可靠性高和安装时间短等特点。本次设计使用选用nRF24L01 组建无线通信网络，该芯片支持多点通信，在接受模式下可以接收6 路不同通道的数据。

　　也就是无线网络的接收端可以接收6 个不同发送端的数据，发送端的数据是通过RFID 模块获得。

　　基于以上的讨论，本文将给出一种基于CAN 总线和2.4G 无线网络的新型RFID 收费系统。

　　2 硬件系统设计

　　2.1 系统拓扑结构和系统组成

　　2.1.1 系统拓扑结构。

　　如图1 所示，RFID 设备的相关数据将通过无线网络传送至CAN 收发器，后者再将数据通过CAN 总线传送至PC 机，PC 机采用带有CAN 接口的PCI-E 扩展卡。此外，无线通讯芯片nRF24L01 在接受模式下可以接收6 路不同通道的数据，以此来实现一个CAN节点最多控制6 个RFID 终端设备的数据传送。在6个RFID 收费终端不能满足需求的情况下，可以添加更多的节点，所有节点挂载在CAN 总线上，通过CAN总线，每个节点将数据传送至PC 端。

　2.1.2 系统组成。

　　本系统（CAN 节点）有两个子系统组成。B 子系统由单片机、RFID 模块、无线模块、看门狗、液晶屏、时钟模块、按键和EEPROM 组成。微控制器（MCU）控制RFID 模块对Mifare 1 卡进行读写操作，无线模块将有关的数据发送给A 子系统。A 子系统由单片机、无线模块、看门狗和CAN 模块组成。MCU 将经由无线模块接收到的数据通过CAN 模块发送至PC 端。由于一个节点最多可以控制6 个RFID 设备终端，因此在一个完整的系统里，A 子系统只有1 个，而B 子系统最多可以有6 个。

2.2 微控制器

　　微控制器选用STC89LE58RD+,它具有4 个8 位并行I/O 端口P0~P3,1 个4 位并行端口P4,32KB FLASHROM,1280 字节RAM,3 个定时器，8 个中断源和4个中断优先级的中断系统。其性能完全满足设计所需。

　　2.3 CAN 模块

　　CAN 总线的硬件实现选用飞利浦公司的SJA1000和PCA82C250.

　　2.3.1 SJA1000 芯片介绍。

　　SJA1000 是一个独立的 CAN 控制器。它支持PeliCAN 模式扩展功能（采用CAN2.0B 协议），具有11 位或 29 位标识符，64 字节的接收FIFO,具有仲裁机制和强大的检错能力等。

　　2.3.2 PCA82C250 芯片介绍。

　　PCA82C250 是CAN 总线收发器，它主要是为汽车中高速通讯（高达 1Mbps）应用而设计。它可以抗宽范围的工模干扰和电磁干扰（EMI），降低射频干扰（RFI），具有热保护功能。最多可以连接110 个节点。

　　2.3.3 硬件接口连接。

　　如图4 所示，P1 口作为复用的地址/数据总线连接SJA1000 的AD 口，P2.0 和SJA1000 的片选段CS 相连，使得SJA1000 作为单片机外围存储器映射的I/O器件。此外，SJA1000 的RX0、TX0 和PCA82C250的RXD、TXD 相连。

　2.4 无线模块

　　2.4.1 nRF24L01 芯片介绍。

　　无线芯片选用nRF24L01.它是2.4GHz 无线射频收发芯片，传送速率高达2Mbps,支持125 个可选工作频率，具有地址和CRC 校验功能，提供SPI 接口。

　　有专用的中断管脚，支持3 个中断源，可向MCU 发出中断信号。具有自动应答功能，在确认收到数据后记录地址，并以此地址为目标地址发送应答信号。支持ShockBurstTM 模式，在此模式下，nRF24L01 可以与低速MCU 相连。nRF24L01 在接收模式下可以接收6 路不同通道的数据。

　2.4.2 nRF24L01 硬件接口连接。

　　如图5 所示，单片机通过模拟SPI 总线时序和nRF24L01 进行通信。其外部中断管脚IRQ 和单片机的P3.2（外部中断0）相连。