如何进行面向纺织MES系统的RFID嵌入式数据采集终端设计？

图3嵌入式数据采集终端结构图

嵌入式控制单元是整个硬件系统的核心，主要负责处理RFID射频模块采集到底层现场的Tag数据，完成数据的存储、网络通信及人机交互的处理。在注重系统性能的同时兼顾小体积、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微控制器是专门针对工厂自动化、测试和测量设备控制、运动控制以及电力/能源监控等工业应用而设计的，其拥有ARM微控制器所具有的众多优点，拥有多种广泛使用的ARM开发工具及片上系统的底层IP应用方案。

此外，系统设计了键盘电路和液晶显示电路作为人机交互平台，为保证系统可靠工作设计了电源电路及其相应的监控电路。以下着重对数据采集及外围设备的通信电路设计加以详细说明。

3.1 射频识别单元设计

射频识别单元设计主要包括RFID射频模块及射频天线2大部分的设计工作。在非接触式数据采集系统中，作为信息获取的途径，其设计的优劣将关系到整个数据采集系统的成败。射频识别芯片选用荷兰NXP公司的非接触式射频读写芯片MF RC522，是应用于13.56 MHz 非接触式通信的一款高集成度IC读写芯片，完全集成了在此频率下所有类型的被动非接触式通信方式和通信协议。

3.1.1 MF RC522射频芯片接口电路设计

MF RC522与主机闯的通信采用连线较少的串行通信，且可根据不同的用户需求，选取SPI、12C或串行UART模式之一。由于LM3S615控制器本身带有I2C总线接口，可以方便的与射频识别芯片相连，故在设计时MF RC522与控制器的连接采用I2 C总线接口模式。MF RC522与LM3S615控制器的接口电路如图4所示。

图4 MF RC522与微控制器的接口电路

射频芯片工作在模拟信号和数字信号混合的环境中，因此各个电源之间的处理很重要，以防止干扰影响到数据的稳定性。这里有AVDD、TVDD、DVDD以及 AVSS、TVSS、DVSS分别为模拟部分电源输入、天线激励部分电源输入、数字部分电源输入以及模拟地、天线电源地、数字地。这里分别对3种电源输入进行LC滤波，采用100 uH的电感与3个10 uF的电容连接组成LC滤波器，使得电源中串入的干扰及噪声控制在可接受范围内，并将3种地在一点与系统地连接。

3.1.2 RFID射频天线电路设计

无源电感耦合式射频识别系统中，天线在读写器与射频卡之间的能量供应和信息传输中起着非常重要的作用。天线的设计构造应满足如下几点：使天线线圈的电流最大，用于产生最大的磁通量;功率匹配，以最大程度利用所产生磁通量的可用能量;足够的带宽，以无失真的传送数据载波信号。

天线线圈的设计采用PCB板的形式，线圈电感量可以根据如下公式估算：

式中N为线圈匝数，l为线圈周长，d为铜箔宽度，K为天线的形状参量(环形天线K=1.07，矩形天线K=1.47)。

MF RC522与天线的接口由TX1、TX2、RX及VMID连接，已在图4中给出。TX1、TX2负责调制后的射频信号输出到天线，激励天线产生电磁波将信号输出到电子标签，而RX引脚则接收电子标签调制后由天线接收到的副载波信号，信号经过内部状态机的解调解码后成为接收到的数据。在图4的电路图中，TX1、TX2与TVSS接到1个由L01、L02、C01、C02组成的LC低通滤波器，然后再输出到天线，这部分的作用是为了电磁兼容设计，减少辐射到外部环境中的电磁干扰。L01、L02的值为2.2 uH，C01、C02的值为47 pF。

3.2 其他外围接口电路设计

考虑到目前国内大多纺织企业生产设备仍旧是新老共存的现状，新式设备先进，自动化程度高，便于企业信息化管理，而老式设备使用时间较长，自动化程度相对较低，因此，在系统设计中集成了多种通信设备接口，以提高系统的兼容性。

3.2.1 以太网接口电路

以太网通信模块为系统提供以太网接入的物理通道，通过该接口，系统可以实现10 Mbps速率的接入。本设计采用WIZnet公司的兼容IEEE802.3以太网控制器W5100。W5100是一款多功能的单片网络接口芯片，它内部集成有10/100 Mbps以太网控制器，可支持自动应答(全双工/半双工模式)，与中央处理单元可以采用标准SPI方式连接，可以实现没有操作系统的Internet连接，主要用于高集成、高稳定、高性能和低成本的嵌入式网络应用系统。

在W5100中，SEN为SPI接口使能引脚，将其经10 kΩ电阻上拉到高电平以允许SPI模式;CS为片选引脚，低电平有效，主要用于在并行总线连接时MCU访问W5100内部寄存器或存储器，W5100与处理器的接口电路如图5所示。

图5 以太网接口电路

3.2.2 USB接口电路

USB(Universal Serial Bus)总线是近年来出现在计算机系统上的标准外设通信接口，具有接口简单、信息传输量大、即插即用等特点，目前应用十分广泛。本数据采集系统设计了基于 I2C总线协议的USB总线接口，可方便地与其它USB外设进行数据通信。该系统选用Philips公司的USB接口芯片PDIUSBD11，因其具有 I2C接口，可以方便实现与微控制器的连接，其电路设计如图6所示。

图6 USB接口电路

3.2.3 RS232/RS485总线接口电路

为便于与当前工业企业中仍在使用的老式设备进行数据通信，数据采集终端也设计了现阶段使用较为普遍的RS232与RS485串行总线接口。系统选用SP3232E来完成RS232与TTL的电平转换工作，采用SP3485收发器作为系统RS485设备的总线接口。