一种基于RFID的控制阀系统设计

摘要：射频识别技术(RFID)是一项利用射频信号通过空间耦合(交变磁场或电磁场)实现无线方式对电子数据载体进行识别的新兴自动识别技术。针对低功耗和高效性，设计了一种以Nuvoton Nano110低功耗MCU为核心的125KHz的RFID控制阈系统。该系统采用分立元件搭建了成本极低的ATA5567射频卡读写电路，构建了段码式LCD显示和控制阀门的电机驱动模块。通过实践检验了系统的稳定性，可将其用于成本敏感的预付费卡表(水表、燃气表和热量表等)。

当前在中国的各类计量行业中，使用的计量表如水表、燃气表和热量表等，绝大多数均不带流量控制功能，经常的做法是先使用后交费，这样会给用户造成很多不便，因此预付费的计量表便应运而生。本文介绍了一种广泛应用于预付费卡表的RFID控制阀门，与其它各类表的控制阀门的方式相比，用RFID控制阀门的优势在于：

1)在识别方面，使用RFID后，会使可识别的距离更灵活，具有无屏障阅读和穿透性，可以穿透非磁性材料，比如水、塑胶、混凝土等。

2)在耐用性方面，RFID对水、油和腐蚀性较强的化学药品等具有很强的抵抗性;同时RFID将数据存在芯片中，芯片和外界没有直接接触，因此可以免受污损。

3)在可重复使用方面，RFID标签则可以重复的修改、删除RFID内储存的数据，信息更新很方便。

4)在数据的安全性方面，RFID承载的是电子式信息，其数据内容可经由密码保护，使其内容不易被伪造和变更。

5)成本低廉，可加入LC振荡器到微控制器中来实现高性价比的收发器。

6)可实现低功耗设计，尤其在接收端。

1 系统硬件设计

1.1 系统组成

控制阀系统主要由6部分组成：电子标签、射频天线及调制电路、控制核心(MCU)、电机及其控制模块、LCD显示模块和蜂呜报警模块。

1)电子标签：本系统采用的电子标签是ATA5567射频卡，该射频卡由内置芯片、内置天线和EEPROM组成。射频卡中的EEPROM用于存储数据，其中数据可以反复的读取和擦除，读写次数不少于10万次，内置电线用于与射频天线进行通信。市面上常见的电子标签都是无源的，所以需要内置天线接收射频天线传递信息的同时，通过耦合来提供EEPROM读写数据所需要的能量。内置芯片用于接收命令并根据命令的内容决定数据的发送方式。

2)射频天线及调制电路：射频天线主要用来与电子标签建立通信通路。调制电路一般包括：功率放大电路、检波电路和滤波放大整形电路3个部分。

3)控制核心MCU：本系统采用台湾新唐科技Nano100系列超低功耗的32位内嵌ARM Cortex—MO核的MCU作为控制核心，其主要实现功能有：①通过CLKO输出125 KHz的载波。②通过TC0捕获调制电路输出的波形信息。③通过GPIO和ADC驱动直流有刷电机并在电机卡住时断电保护。

④通过MCU内部的LCD Driver驱动段码式LCD。⑤通过PWM控制蜂鸣器产生合适的报警声音。

4)电机驱动及控制模块：通过H桥控制直流有刷电机的转动，电机卡住时将断电保护。

5)LCD显示模块：通过MCU驱动段码式LCD以显示金额、开阀、关阀等信息。

6)蜂鸣报警模块：通过PWM控制蜂鸣器产生适当的报警声音。

1.2 天线及调制电路设计

1)载波产生和天线驱动电路：由MCU的CLKO输出频率稳定的125 kHz的方波，经过三极管进行功率放大。之后的串联谐振电路中天线是漆包线绕制的线圈，电容采用的是精准的校正电容，加入功率放大和产生谐振的目的是获得最大的磁通量，从而产生最大的读卡距离。

2)检波电路，滤除载波信号。

3)放大电路，采用有低廉的LM358运算放大器进行两级电压放大。

4)捕获及运算，该部分是在MCU内部完成的，由MCU中的Timer0工作在周期自由捕获模式，完成码元间隔时间的捕获，然后经过运算，得出各个Block的数值。

1.3 电机驱动设计

主体电路是由4个三极管组成的H桥驱动电路，在同一时刻最多只有2个三极管处于导通状态，可以方便的控制电机的正传和反转，再电机卡住时，由于电流是正常工作时的6～7倍，所以通过MCU内部的ADC检测电阻上的电压值，如果数值满足条件，则会给电机断电，并视情况发生报警，以免电机烧毁和设备的损坏。

2 系统软件设计

本系统的软件设计主要由6个部分组成：1)读卡;2)写卡;3)GPIO控制电机和ADC过压检测;4)PWM驱动蜂鸣器;5)125 kHz载波产生;6)LCD显示。其中最主要的当属1)读卡和2)写卡了，完成读卡和写卡后，系统的躯干就有了，然后3)，4)，5)，6)就是在躯干上添枝加叶，让这个系统完整起来。

2.1 ATA5567卡片的读写规则

ATA5567中的存储是330bit的EEPROM，一共有10个块(block)，每个块有33bit，其中第一位为锁bit。一共分为两页，第一页包含8个block，编号分别为block0-block7。第二页包含2个block，为只读block，包含可回溯数据，由AIMEL公司规划。

ATA5567的数据率和调制方式是由block0决定。

对于本系统而言，做了很多的尝试，找到了一种和MCU搭配比较合理的ATA5567配置方式。

1)主控键值，需执行读写操作，所以主控键值选为8。

2)比特率，综合MCU的性能和读ATA5567所用时间，取一个折中，选择的是RF/32，这样一个码元的周期

3)调制方式，一般选择曼切斯特的调制方式。

4)AOR是按请求应答，主要的作用是防碰撞机制。当有多张ATA5567卡靠近应答器时，可以实现每张卡的逐次读取。