特種設(shè)備用高安全等級高頻RFID讀寫器設(shè)計開發(fā)

李娟　劉麗梅　郭新鵬　范新強　李良

摘 要： 特種設(shè)備安全事關(guān)社會生產(chǎn)與人民生活，針對特種設(shè)備安全管理問題，RFID技術(shù)提供了有效的支撐手段，RFID讀寫器是RFID應(yīng)用系統(tǒng)的重要組件。因而，重點研究了滿足特種設(shè)備安全管理需要的高頻RFID讀寫器，包括：讀寫器的總體功能架構(gòu)，防爆等關(guān)鍵硬件電路設(shè)計、嵌入式軟件設(shè)計等，為特種設(shè)備安全管理應(yīng)用提供自動化的數(shù)據(jù)采集技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞： 特種設(shè)備； 安全管理； 高安全等級； RFID讀寫器

中圖分類號： TN015?34； TN914.3 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）10?0161?03

Abstract： Special equipment safety is related with social production and people′s livelihood. RFID technology provides an effective support means for special equipment safety management. RFID reader?writer， which is the main component of RFID application system， is the research emphasis in this paper. The research of RFID reader?writer includes the whole function architecture， explosion?proof key hardware circuit design and embedded software design. The RFID reader?writer will provide a technical support of automatic data acquisition for the special equipment safety management and application.

Keywords： special equipment； safety management； high security?level； RFID reader?writer

0 引 言

特種設(shè)備指對人身和財產(chǎn)安全有較大危險性的鍋爐、壓力容器（含氣瓶）、壓力管道、電梯、起重機械、客運索道、大型游樂設(shè)施、場（廠）內(nèi)專用機動車輛[1]。隨著經(jīng)濟社會發(fā)展，特種設(shè)備數(shù)量呈現(xiàn)快速增長態(tài)勢，截至2015年底，全國特種設(shè)備[2]總量達到了1 100.13萬臺。近年來，射頻識別RFID（Radio Frequency Identification）技術(shù)在氣瓶安全管理、電梯維護保養(yǎng)與檢驗、起重機械管理等特種設(shè)備安全管理方面應(yīng)用廣泛[3?6]。

最簡單的RFID系統(tǒng)由電子標簽、讀寫器、系統(tǒng)軟件組成[7]。其中：電子標簽是對設(shè)備進行惟一性標識數(shù)據(jù)的載體；讀寫器用于信息的自動采集與傳輸；軟件系統(tǒng)實現(xiàn)信息管理等功能。RFID讀寫器是RFID 系統(tǒng)的核心部分，是連接電子標簽與系統(tǒng)軟件的中間組件，通過天線（Antenna）與電子標簽進行無線通信，實現(xiàn)對標簽內(nèi)指定字段的讀寫操作，并通過各種通信方式實現(xiàn)與軟件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸。根據(jù)工作頻率劃分，RFID讀寫器包括低頻（125～135 kHz）、高頻（13.56 MHz）、超高頻（860～960 MHz）和微波（2.45～5.8 GHz）。

結(jié)合特種設(shè)備安全管理需要，重點開展實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的高安全等級高頻RFID讀寫器的設(shè)計開發(fā)，包括硬件電路設(shè)計、嵌入式軟件開發(fā)等。

1 硬件電路設(shè)計

特種設(shè)備安全管理用的RFID讀寫器的整體功能架構(gòu)如圖1所示，由控制模塊、RFID讀寫模塊、通信模塊（包括無線通信模塊、USB接口電路）、電源模塊、終端安全存取模塊（Purchase Secure Access Module，PSAM）、加密模塊、人機交互模塊（包括鍵盤輸入、顯示等）等組成。其中控制單元、RFID射頻讀寫模塊和通信接口是讀寫器的基本組成部分[8?10]。

1.1 控制模塊

控制模塊是讀寫器的重要組成部分，它負責協(xié)調(diào)RFID讀寫器各個單元模塊的工作以及提供一些通信接口?？刂颇K采用STM32F103VCT6，具備ARM Cortex M3內(nèi)核，CPU最高速度達72 MHz， 256 KB的FLASH存儲器，48 KB的RAM，提供CAN，I2C，IrDA，LIN，SPI，UART/USART，USB 等類型豐富的外設(shè)接口，很好地滿足了本設(shè)計的需求，另外它豐富的引腳為系統(tǒng)的擴展提供了條件。

1.2 RFID讀寫模塊

RFID讀寫模塊是讀寫器的核心組成部分，它的工作頻率以及編碼、通信協(xié)議等決定了它的性能。為滿足RFID讀寫器在不同特種設(shè)備安全管理領(lǐng)域應(yīng)用的通用性，RFID讀寫模塊選用支持ISO 15693，ISO 14443，ISO 18000?3多種高頻協(xié)議的RC632芯片，工作頻率為：13.56 MHz，芯片由射頻前端和基帶處理兩部分組成，射頻前端對發(fā)送的基帶信號進行上變頻和功率放大等處理后發(fā)射給射頻標簽。然后在接收到標簽的返回信號時，對接收信號進行放大、濾波、下變頻等處理后將基帶信號傳輸給基帶處理芯片。

RFID讀寫模塊主要用來通過天線與電子標簽進行信息交互，控制模塊主要通過控制它的MISO，MOSI，CLK1等引腳來操作它，如圖2所示。

1.3 通信電路設(shè)計

在本設(shè)計中，讀寫器的通信電路包括：串行通信電路、433 MHz的無線通信電路、USB接口通信電路。

（1） 串行通信電路

串行通信電路主要用于實現(xiàn)計算機與讀寫器之間的通信，單片機I/O 管腳的電平是TTL電平與PC機不能直接進行通信，需要通過芯片進行電平轉(zhuǎn)換才能通信。本設(shè)計中選用MAX232E來完成電平轉(zhuǎn)換，T1IN和R1OUT與控制模塊串行發(fā)送口和串行接收口相連，T1OUT和R1IN通過DB9連接器連到PC 機COM 口的RXD和TXD端口。

（2） 無線通信模塊

無線通信模塊采用CC1101芯片，控制模塊通過TXD1，RXD1等引腳對無線通信模塊予以控制。

（3） USB接口通信模塊

STM32F103VCT6自身具備USB 2.0通信接口，通過控制USBDM和USBDP引腳，既可便于數(shù)據(jù)導入導出，又便于通過USB接口進行充電。

1.4 防爆電路設(shè)計

特種設(shè)備安全管理引入RFID技術(shù)，應(yīng)避免造成附加的安全隱患，特別是在氣瓶充裝等場合，對于RFID讀寫器的安全性能有具體要求。根據(jù)GB3836.1?2000《爆炸性氣體環(huán)境用電氣設(shè)備 第1部分：通用要求》和GB3836.4?2000《爆炸性氣體環(huán)境用電氣設(shè)備 第4部分：本質(zhì)安全型“i”》，用于氣瓶充裝等特種設(shè)備安全管理領(lǐng)域的RFID讀寫器，其防爆性能應(yīng)達到ExibIIBT3的防爆等級。為此，在具體的電源模塊電路設(shè)計上采用了相應(yīng)的防爆設(shè)計。

（1） 采用工業(yè)級IC，四層版設(shè)計，元器件主要選用可3.3 V供電的器件，在有脈沖電流、尖峰電流的電路中串聯(lián)電阻，有效減少了瞬間能量，保證符合本文電路的要求。具體設(shè)計包括：電阻全部采用高品質(zhì)貼片電阻；電容采用高品質(zhì)低泄露電流低ESR的瓷片或者鉭電容；大電流放電引腳串聯(lián)電阻以減少沖擊電流；PCB電源線、信號線之間增大距離以減少PCB板分布電容、耦合電容。

（2） 采用鋰電池充電管理及電池保護。鋰聚合物電池由電芯并聯(lián)而成，任何一個電芯在使用中出現(xiàn)異常都將引起電池保護電路和充電電路動作，以防止發(fā)生危險。綜合對比后采用LTC1733芯片作為鋰電池充電管理芯片，內(nèi)嵌MOSFET、采樣電阻和阻塞二極管；可以根據(jù)環(huán)境溫度自動調(diào)整充電電流，以防止電池過熱；可以通過編程設(shè)置充電電壓、充電電流和充電時間。

1.5 數(shù)據(jù)安全電路設(shè)計

在特種設(shè)備安全管理應(yīng)用中，應(yīng)防止電子標簽中的數(shù)據(jù)被篡改。在數(shù)據(jù)安全電路設(shè)計上，采用PSAM卡硬件加密技術(shù)，保障數(shù)據(jù)安全。PSAM卡加密模塊通過支持Triple DES算法，實現(xiàn)RFID讀寫器與電子標簽之間的合法性認證，從而確保信息讀寫安全。

PSAM加密接口芯片采用TDA8007，能同時滿足ISO7816標準及EMV和GSM11?11標準的IC卡讀寫接口?？刂颇K只需通過其接口控制并行通信來管理TDA8007，便可實現(xiàn)對電子標簽的上電、下電及讀寫數(shù)據(jù)處理。其中，控制模塊既可以通過總線復用把TDA8007內(nèi)部的所有寄存器作為外部存儲器，用MOVX尋址，也可以通過非總線復用方式訪問。另外，TDA8007的片選信號和外部中斷信號線可以方便讀寫器處理多個射頻標簽。TDA8007的硬件ESD處理、接口短路處理、電源出錯處理等也給RFID讀寫器提供了比較高的安全保護。

1.6 其他電路設(shè)計

除了基礎(chǔ)的電路部分，RFID讀寫器還應(yīng)提供較好的人機交互功能、存儲功能。人機交互模塊實現(xiàn)輸入、顯示等人機交互功能，其中，鍵盤支持數(shù)字、英文、漢字輸入，同時還根據(jù)應(yīng)用的不同設(shè)計功能鍵方便人機交互，最大限度地滿足各種應(yīng)用場合的需求。顯示屏采用COG（Chip on Glass）技術(shù)、高對比度顯示、EL背光的FSTN顯示屏，支持128×128 點陣或 8×8行中文字符（16×16西文字符），工業(yè)級溫度范圍為-30～75 ℃。存儲電路可擴展應(yīng)用程序存儲功能，主要用于暫存讀寫器讀到的數(shù)據(jù)或者將要寫到電子標簽中的數(shù)據(jù)暫存到讀寫器中，再由讀寫器發(fā)給電子標簽。應(yīng)用程序存儲芯片采用AT49BV162A，存儲容量為16 Mb，F(xiàn)LASH上電時處于讀模式，外部命令可以使FLASH處于編程或者擦除狀態(tài)，F(xiàn)LASH可以對每一個扇區(qū)進行保護。

2 嵌入式程序開發(fā)

RFID讀寫器嵌入式軟件開發(fā)包括驅(qū)動程序開發(fā)與應(yīng)用程序開發(fā)。其中，RFID讀寫器的驅(qū)動程序主要通過調(diào)用API函數(shù)的方式予以實現(xiàn)；應(yīng)用程序主要實現(xiàn)RFID讀寫器對特種設(shè)備電子標簽的讀寫操作。

2.1 驅(qū)動程序開發(fā)

驅(qū)動程序是實現(xiàn)應(yīng)用程序的基礎(chǔ)，利用C 語言編寫驅(qū)動程序API函數(shù)，主要包括：輸入、提示音、蜂鳴器、LCD顯示、背光指示燈控制、系統(tǒng)時鐘、存儲器讀寫、串行通信等。其中串行通信協(xié)議實現(xiàn)RFID讀寫器的控制模塊與無線通信模塊之間指令/數(shù)據(jù)的發(fā)送接收，具體流程如圖3所示。主要實現(xiàn)串口的初始化設(shè)置（包括串口號、波特率、數(shù)據(jù)位、校驗、停止位）、發(fā)送數(shù)據(jù)、接收數(shù)據(jù)等一系串口通信。

2.2 應(yīng)用程序開發(fā)

應(yīng)用程序主要是在特種設(shè)備安全管理的相關(guān)環(huán)節(jié)，比如充裝、流通、檢驗等，實現(xiàn)對特種設(shè)備電子標簽的讀寫等操作。以氣瓶充裝場合應(yīng)用為例，RFID讀寫器的讀寫流程如圖4所示，電子標簽的讀寫按Block進行，根據(jù)具體的RFID空中接口協(xié)議類型，進行應(yīng)用程序的編寫與調(diào)試。

3 結(jié) 語

特種設(shè)備是一類與生產(chǎn)生活密切相關(guān)的特種設(shè)備，特種設(shè)備安全管理是目前RFID技術(shù)應(yīng)用的重要領(lǐng)域。特種設(shè)備安全管理用的高頻RFID讀寫器除滿足一般的讀寫性能要求外，對于防爆性能、數(shù)據(jù)安全性能等也很重要。通過采用四層IC電路板設(shè)計，鋰電池充電管理及電池保護、PSAM加密電路等的設(shè)計，使得特種設(shè)備行業(yè)應(yīng)用RFID讀寫器具有較高的防爆性能、較好的數(shù)據(jù)安全保護性能，為實現(xiàn)特種設(shè)備安全的信息化、智能化管理提供了重要的數(shù)據(jù)采集技術(shù)支撐。

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