基于SLRC400的礦用人員安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘  要：本文采用SLRC400芯片，并將二進(jìn)制搜索算法引入其軟件編程中，按位識(shí)別碰撞，構(gòu)成了礦用人員射頻識(shí)別(RFID)監(jiān)控系統(tǒng)的核心。簡(jiǎn)要描述了RFID系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和軟件設(shè)計(jì)。
關(guān)鍵詞：SLRC400；RFID；二進(jìn)制搜索；防碰撞

    煤礦生產(chǎn)如何做到預(yù)防重大事故的發(fā)生一直是人們關(guān)注的熱點(diǎn)。本文采用SLRC400芯片構(gòu)成RFID系統(tǒng)來監(jiān)控人員安全。對(duì)井下所有人員裝備射頻卡，當(dāng)井下人員經(jīng)過監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí)，閱讀器識(shí)別射頻卡并將射頻卡號(hào)和位置信息通過數(shù)據(jù)總線傳輸給上位機(jī)進(jìn)行處理，一旦發(fā)生事故，可迅速查詢被困人員信息，從而把傷亡降至最低。

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)
    本系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，射頻識(shí)別系統(tǒng)中的核心部件采用了SLRC400芯片構(gòu)成的閱讀器，用以對(duì)井下員工的位置進(jìn)行監(jiān)控。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

SLRC400的電氣特性
    SLRC400是一種工作在13.56MHz的非接觸式IC卡閱讀器，它支持S015693協(xié)議，在無源的情況下能夠驅(qū)動(dòng)天線發(fā)射到較長的距離(1.5米)。其主要特點(diǎn)是：數(shù)字部分具有CRC校驗(yàn)功能；具有并行接口，可以直接與任何8位微處理器相連，為閱讀器和終端電路設(shè)計(jì)提供了較大的靈活性；高集成解調(diào)和編碼模擬電路；靈活的中斷處理；可編程計(jì)時(shí)器；獨(dú)特的串行數(shù)據(jù)；用戶可編程的啟動(dòng)結(jié)構(gòu)：數(shù)字、模擬和傳輸部分的獨(dú)立電源供給；可外接RS-485等芯片。

SLRC400的外圍電路設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)包括SLRC400構(gòu)成的閱讀器硬件電路設(shè)計(jì)以及CAN總線通信部分的設(shè)計(jì)。其中，SLRC400外圍電路包括EMC低通濾波電路、接收電路、天線匹配電路和天線。

EMC低通濾波電路
    SLRC400的工作頻率是13.56MHz，作為SLRC400時(shí)鐘的信號(hào)由石英晶體的振蕩產(chǎn)生，同時(shí)也是驅(qū)動(dòng)天線13.56MHz載波頻率的基礎(chǔ)，這不僅導(dǎo)致發(fā)射出13.56MHz的能量，同時(shí)也發(fā)射更高次的諧波。國際EMC條例規(guī)定了在寬的頻率范圍內(nèi)發(fā)射能量的幅值。因此，為了滿足這個(gè)規(guī)定，加了一個(gè)合適的濾波器。

接收電路
    SLRC400的內(nèi)部接收電路在射頻卡進(jìn)入閱讀器范圍時(shí)工作。當(dāng)輸入接引腳RX時(shí)，使用內(nèi)部生成VMID。為了提供穩(wěn)定的參考電壓，接地電容C3與VMID相連。閱讀器的接收部分需要在RX和VMID之間加分壓器。

天線線圈電感選取與阻抗匹配問題
    精確計(jì)算天線線圈電感值是不實(shí)際的，但是可以用線圈電感值公式估算。天線的實(shí)際電容和電感值取決于很多參數(shù)，比如天線的結(jié)構(gòu)(PCB的類型)，導(dǎo)線的厚度，纏繞線圈間的距離，屏蔽層，周圍環(huán)境中的金屬或鐵氧體。

    電容值的大小會(huì)嚴(yán)重影響閱讀器的性能，確定電容值可以采用軟件或硬件的方法，一種簡(jiǎn)單的方法是：SLRC400有一個(gè)SIG0uT引腳，當(dāng)閱讀器發(fā)出某一指令時(shí)，可以通過示波器觀察該引腳的輸出信號(hào)，不斷改變卡與閱讀器之間的距離和C2值，示波器將輸出不同的波形，根據(jù)不同的波形即可確定閱讀器最好的性能。

系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)
系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖2所示。服務(wù)器端、客戶端、數(shù)據(jù)庫分別采用Windows 2000 Advanced Sever，Windows 2000操作系統(tǒng)以及SQL Sever 2000。開發(fā)數(shù)據(jù)庫的軟件眾多，但是VC++以其所見即所得的界面設(shè)計(jì)、高效的執(zhí)行代碼和極快的編譯速度，成為本設(shè)計(jì)的首選工具。其中射頻識(shí)別系統(tǒng)內(nèi)部單片機(jī)采用C51高級(jí)語言，SLRC400則采用其標(biāo)準(zhǔn)程序，另外，系統(tǒng)還包含閱讀器其他電路的應(yīng)用程序設(shè)計(jì)。

圖2 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖

SLRC400應(yīng)用程序算法
    二進(jìn)制搜索算法由一個(gè)閱讀器和多個(gè)射頻卡之間規(guī)定的一組命令和應(yīng)答規(guī)則構(gòu)成。目的在于從多卡中選出任意一張實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。為了從一組射頻卡中選擇其一，閱讀器發(fā)出一個(gè)讀卡命令，有意識(shí)地將射頻卡序列號(hào)傳輸時(shí)的數(shù)據(jù)碰撞引導(dǎo)到閱讀器上，即通過閱讀器判斷是否有碰撞發(fā)生。該算法有三個(gè)關(guān)鍵要素：選用易于識(shí)別碰撞的基帶編碼；利用射頻卡序列號(hào)唯一的特性；設(shè)計(jì)一組有效的指令規(guī)則，高效、迅速地實(shí)現(xiàn)選卡。

    本系統(tǒng)所用到的指令規(guī)則為：Inventory Request--請(qǐng)求(序列號(hào))：向閱讀器請(qǐng)求響應(yīng)；Select(SNR)--選擇(序列號(hào))：用某個(gè)(事先確定的)序列號(hào)作為參數(shù)發(fā)送給射頻卡。如果場(chǎng)中某一射頻卡的序列號(hào)和此參數(shù)相同，則此射頻卡被選中，對(duì)其他的指令進(jìn)行響應(yīng)，而其他序列號(hào)的射頻卡只對(duì)Inventory Request指令應(yīng)答；Stay quiet--安靜狀態(tài)：取消一個(gè)事先選中的射頻卡，射頻卡進(jìn)入安靜狀態(tài)(非激活)，對(duì)收到的Inventory Request命令不做應(yīng)答。為了重新激活射頻卡，可以先將射頻卡移出閱讀器天線的作用范圍再進(jìn)入，以實(shí)現(xiàn)復(fù)位，或者收到select及Reset to Ready命令。

    對(duì)二進(jìn)制搜索算法系統(tǒng)功能的可靠性起決定作用的是所有射頻卡需要準(zhǔn)確的同步，這樣才能按位判斷碰撞的發(fā)生。為了使眾多射頻卡不發(fā)生碰撞，需要重復(fù)操作Inventory Request指令。

SLRC400應(yīng)用編程
    讀寫芯片SLRC400的行為通過執(zhí)行特定的9條命令的內(nèi)部狀態(tài)來決定。執(zhí)行命令時(shí)所需的聲明或數(shù)據(jù)通過FIFO緩沖器交換。Start up 命令進(jìn)行復(fù)位和初始化；IDLE將SLRC400切換到非激活狀態(tài)；Transmit從FIFO緩沖器傳輸數(shù)據(jù)到射頻卡；Receive命令激活接收電路；Transceive從FIFO緩沖器傳輸數(shù)據(jù)到射頻卡；WriteE2命令把從緩沖器獲得的數(shù)據(jù)寫到EEPROM；ReadE2把從EEPROM讀到的數(shù)據(jù)置于FIFO緩沖器；LoadConfig從EEPROM讀數(shù)據(jù)并初始化寄存器；CalcCRC激活協(xié)處理器。在執(zhí)行前對(duì)所有寄存器進(jìn)行初始化，然后閱讀器以一定的時(shí)間間隔循環(huán)發(fā)送Inventory Request命令，監(jiān)測(cè)閱讀距離內(nèi)是否有射頻卡存在。如果有，則射頻卡響應(yīng)Inventory Request命令，向閱讀器發(fā)送卡號(hào)和CRC校驗(yàn)值。如果有通信錯(cuò)誤或無碰撞，則利用Transmit和WriteE2通過數(shù)據(jù)總線發(fā)送給微處理器，然后發(fā)送Stay quiet命令，使剛才的射頻卡進(jìn)入安靜狀態(tài)。如果有碰撞，就調(diào)用防碰撞程序，以二進(jìn)制搜索的算法縮小搜索范圍，直到剩下一個(gè)射頻響應(yīng)。

結(jié)語
    本系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)1.5米的人員識(shí)別，并且通過數(shù)據(jù)總線將射頻卡號(hào)和位置信息傳送到數(shù)據(jù)中心站，利用本系統(tǒng)能夠及時(shí)掌握井下員工的位置。但本系統(tǒng)的識(shí)別距離相對(duì)較短，如何提高閱讀器的識(shí)別距離是今后的工作重點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)：
1 ISO/IEC JTC 1,ISO/IEC 15693-2:2001(E),Identification cards-Conttactless integrated circuit(s) cards-Vicinity cards-Part 3:Anticollision and transmission protocol,Geneva, Switezerland,2001