鉆具出入庫自動檢測系統畢業設計論文正文(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 簽被激活，使電子標簽將自身編碼信號通過內置的射頻天線發送出去。 （ 3） 讀寫器的接收天線接收到電子標簽發出的調制信號，經內部的天線調節器將信號傳送到讀寫器的信號處理模塊。 （ 4） 經過解調和解碼后，將有效信息發送給移動數據管理系統。 鉆具出入庫自動檢測系統設計 11 （ 5） 移動數據管理系統根據邏輯運算識別該電子標簽的身份，針對不同的設定作出相應的處理和控制，最后發送指令信號給讀寫器完成最后的讀操作和寫操作。 硬件設計 通訊及電源模塊設計 本課題設計的自動檢測系統的 USB 接口有著非常重要的作用，首先整個系統的電源是靠 USB 接口與 PC 機相連接，給系統供給 5V 的電源；其次整個系統還是靠USB 接口與 PC 機相連接，實現系統與上位機之間的通信。現如今有許多 PC 機沒有串口，將 CH341 芯片應用到單片機中，實現將 USB 接口轉為串口的方法，可以解決一些 PC 機沒有串口的尷尬。在異步串口方式下， CH341 提供發送使能，串口接收就緒等交互式 的速率控制信號以及常用的 MODEM 聯絡信號，用于將普通的串口直接升級到 USB 總線。 CH341 是一個 USB 總線的轉接芯片，一般來說，該芯片有四個功能用途。通過USB 總線提供異步串口、打印口、并口以及常用的 2 線和 4 線等同步串行接口。 在異步串口方式下， CH341 提供串口發送使能，串口接收就緒等控制信號，以及常用的 MODEM 聯絡信號，用于將普通的串口設備直接升級到 USB 總線。 在打印口方式下， CH341 主要用于將普通的并口打印機直接升級到 USB 總線。 在并口的方式下， CH341 主要用于在不需要單片機 /DSP/MCU的環境下，直接輸入輸出數據。 最后， CH341 還可以支持一些常用的同步串行接口，如 2 線接口和 4 線接口。 圖 CH341 芯片的主要功能 要想 CH341 芯片能夠實現將 USB 接口轉換為串口的功能，有幾個引腳的連接是西南石油大學本科畢業設計（論文） 12 非常重要的。 （ 1） TXD 和 RXD 引腳：這兩個引腳是與微控制器 STC89C54RD+的 TXD 和RXD 引腳相連接，實現微控制器控制讀寫器與測試應用軟件的通信。 （ 2） 19 號引腳： TEN.只有當該引腳必須接地的時候，芯片才能夠向單片機發送數據，當然這個引腳是由微控制器控制的，當微控制器有空閑接收的數據 的時候將該引腳設置為低電平就可以了。 （ 3） 8 號引腳：這兩個引腳都是連接在 USB 接口上的，兩者都是輸入類型的引腳，其中 7 號引腳作為中斷請求輸入，上升沿有效； 8 號則是自定義通用輸入。 （ 4） 除此之外，在該模塊中還設計了一個開關，用來控制整個系統的電源開關。 天線模塊設計 為了能夠使讀寫器可以向外發射無線電載波信號和接收電子標簽發出的信號，所以必須在讀寫器內部設置天線模塊。而且為了使天線能夠最大功率傳輸，天線的芯片的輸入阻抗必須和天線的輸出阻抗匹配。一般來說，天線可以分為全向天線和方向性天線。對于倉庫管理鉆具 的標簽來說，應該避免使用全向天線，使用的是方向性天線，方向性天線具有更少的輻射模式和返回損耗的干擾等優點。對大多數的 RC 500 芯片來說，都是低功耗設計，因此電子標簽和天線之間的耦合系數必須滿足一定的值，不能相差太大，一般不能低于 。下表是當電子標簽與天線之間的耦合系數為 的情況下，天線大小與距離之間的關系表。 表 天線大小與距離的關系表 大小（ mmmm） 距離（ mm） 5050 7 6554 10 8554 12 為了能夠使天線能夠最大功率的傳輸信息，天線模塊的設計要考慮到 幾個主要的物理參量。包括磁場強度，最佳天線直徑，近場耦合，調諧，電感的估算，天線的品質因數等。經過事實證明：對于圓形線圈的磁場強度來說，當較大的天線在較遠的距離處可以呈現出較高的磁場強度。至于最佳天線直徑，每一個讀寫器都有自己適合的天線最佳直徑，并不是天線直徑越大越好，也不是越小越好，而是在合適的直徑上。然而實際中的電路設計大部分都可以等效成一 個 RLC 諧振電路 ，本課題設計的天線電路就是這樣的。 天線主要包括了濾波器，接收電路，天線匹配電路，和天線線圈。天線獲取信號鉆具出入庫自動檢測系統設計 13 后通過天線匹配電路傳到 RC 500 芯片的 RX 引腳，然后再經過該芯片內部的處理，通過并行接口發出數據。此外， RC 500 芯片的 TX1， TX2， DVSS,TVSS,AVSS,WMD等引腳都是與天線模塊相連接的。這些引腳都有自己的功能，其中 TX1， TX2 引腳主要起到天線驅動器的功能，有輸出緩沖的作用； DVSS,TVSS,AVSS 起到電感隔離的作用，而 WMD 引腳則是模擬參考電壓。 由于現實所設計的大部分天線模塊的電路都可以等效成一個 RLC 諧振電路 ，所以可以將所有的天線模塊等效成一個如圖 這樣的等效電路。其中 R為 TX1 和 TX2之間天線線圈的電阻消耗 ， C 為線圈與 TX1 和 TX2 之間的電容消耗， L 為天線線圈電感。 圖 天線線圈等效電路 整個等效電路是將電容 C 和天線線圈電路并聯，所以可以看成是一個振諧電路，振諧頻率就是 ,其值是由湯姆遜公式得來的： 從（ 1）式子中可以看出頻率 f 與 LC 有關。 一般來說，讀寫器設備與天線之間的連接方式有兩種。一種是適用于射頻模塊和天線之間的距離比較近的系統，采用直接匹配的天線；另一種是距離較長的系統，采用 50 歐匹配的天線。本課題設計的系統就是采用的第一種，直接匹配的天線。 而且在整個讀寫器中，其工作 頻率是由一個 的石英晶體發出的，在工作過程中會產生高次諧波，所以在設計電路時在射頻模塊的發送端口 TX TX2 引腳和地 TVSS， DVSS 之間引入一個濾波器電路。如圖 所示：其中 L1 和 L2 均為,兩個電容為 47uH。 讀寫器的天線有很多種形狀，但常見的只有兩種形狀，就是圓環形和矩形的。本次課題的設計就是采用矩形的天線線圈。 西南石油大學本科畢業設計（論文） 14 微控制器設計 本次課題設計采用的是用 STC89C54RD+來作微控制器，主要完成了數據的采集，處理，存儲和控制整個硬件電路。本次設計采用 STC 系列單片機 作微控制器，是因為該系列的單片機相對于其他系列的單片機有一定的優勢。 STC 系列單片機可以降低成本，提升性能，原有程序可以直接使用，硬件無需改動。而且使用時，直接使用STC_ISP 工具直接將 HEX 文件燒寫進去即可，非常簡單。 STC89C54RD+單片機中將可用的 Data flash(EEPROM)的地址分成了 64 個扇區，每個扇區 512 字節，一般最好只用 128 字節以下。 微控制器 STC89C54RD+和 MF RC500 芯片的主要引腳連接有： （ 1） 兩者的 /RD,/WR 引腳相連接，來控制讀操作和寫操作； （ 2） 兩個芯片的 /CS 相連接，控制整個系統的片選。 （ 3） 微控制器的 P00(AD0)到 P07(AD7)與 P10 到 P17 引腳同時連接在 RC 500芯片的 D0 到 D7 上，采用地址數據復用方式的連接方式。 （ 4） 此外兩個芯片的 ALE,RST,IRQ 也是連接的，分別有地址鎖存控制信號，復位，中斷請求等功能，在整個微控制器中有非常重要的作用。 軟件設計 整個系統除了硬件設計之外，軟件設計也是相當的重要的。本課題設計的系統的軟件設計主要包括三個方面，包括主程序設計，顯示屏程序設計， ISO14443 標準協議程序設計。其中主程序中主要包括了系統的初 始化，相應上位機的各種命令；顯示屏程序設計主要包括寫命令，寫數據，初始化，顯示不同卡型號的數據； ISO14443標準協議程序設計主要包括尋卡，防沖撞，選卡，與上位機相對應進行操作。 主程序設計 本次設計的主程序包括兩種情況，一種是帶有顯示屏的，另一種是沒有顯示屏的。其中帶有顯示屏的是讓讀寫器主動尋卡，只有當卡進入到讀卡器的工作范圍內時候，整個上位機才正常工作；而沒有顯示屏的是讓讀寫器被動尋卡。在帶有顯示屏的情況下，整個上位機先是默認的 ISO14443A 協議，然后再在顯示屏上出現歡迎界面。然后讀卡器 開啟天線，掃描是否有電子標簽進入到讀卡器的工作范圍內，并且執行防沖撞函數，如果掃描到電子標簽就顯示卡的類型（鉆具名稱），然后再顯示卡的序列號（鉆具卡的 ID）。在主程序設計中還包括了與上位機中的程序的功能的相對應，由于鉆具出入庫自動檢測系統設計 15 整個設計采用的上位機是已經設計好的軟件，所以在主程序設計中就必須編寫與上位機功能相對應的功能函數。因此，主程序中的設計大部分是與上位機的功能有關的，單片機中的程序主要包括了系統初始化， MF RC500 芯片初始化，響應上位機發送的天線命令，響應上位機的驗證 A 卡秘鑰的命令，響應上位機的讀卡命令，響應 上位機的寫卡命令，以及串行中斷，接收上位機的數據等函數。 圖 主程序流程圖 從圖 可以看出整個主程序的流程圖，這里的開始主要是指給硬件供電，打開電源，系統初始化，芯片初始化后一個延時函數，這個延時時間非常短，基本上可以忽略不計，然后再是顯示屏初始化，顯示屏顯示歡迎界面。然后通過尋卡來判讀是否有鉆具卡進入到讀寫器的工作范圍內，如果沒有鉆具卡，則繼續處于尋卡狀態；如果掃描到鉆具卡的存在，顯示屏則顯示鉆具卡的名稱和 ID，而且上位機可以接收到鉆具卡的序列號，上位機可以對鉆具卡進行操作。最后判斷卡是否移開，如果鉆具卡移開，讀寫器又處于尋卡狀態，如果沒有移開，顯示屏仍然顯示鉆具卡的信息，不 再尋西南石油大學本科畢業設計（論文） 16 卡。 主程序的設計模塊主要可以分成三個模塊來實現：初始化模塊，主要包括系統初始化，顯示屏初始化，芯片初始化，以及默認的標準協議；顯示屏模塊，主要是調用顯示屏模塊中的函數來實現在顯示屏上顯示鉆具卡的名稱和 ID。上位機功能模塊，主要是用 switch case 結構來實現上位機功能函數的調用。 圖 主程序結構圖 首先是初始化模塊包括以下幾個方面： （ 1）系統初始化，用的是 InitializeSystem（）來表示。該函數主要用來實現兩個功能： 功能一：設置整個系統的寄存器狀態，主要包括了 TMOD,PCON,SCON 等寄存器狀態的設置。 功能二：波特率的設置，本次設計的波特率設置為 19200，用 TH1=TL1= BOUND19200 來表示。 （ 2） 顯示屏初始化，用的是 initial_LCD（）來表示。在顯示屏初始化中主要實現了五個功能： 功能一：設置顯示屏與單片機的連接為并口，用 PSB=1 表示； 功能二：在屏幕初始化過程中，必須要清屏，用 WriteCommand（ 0x01）表示； 鉆具出入庫自動檢測系統設計 17 功能三：設置 8 字節界面，用 WriteCommand（ 0x30）表示； 功能四：整體顯示設置，用 WriteCommand（ 0x0c） 表示； 功能五：輸入方式設置，光標右移，地址位加 1，而且是整體右移。用WriteCommand（ 0x06）表示； （ 3）初始化 RC500 芯片，用的是 Rc500Ready（）來表示。用一個變量 status來記錄是否有卡的到來，先要設置該變量為復位 RC500 的函數 PcdReset（）。然后用MI_OK 來代表卡，當 status 不等于 MI_OK 的時候，繼續賦值 status 為 PcdReset（），就是繼續復位。只有當 status 等于 MI_OK 的時候，蜂鳴器發出一聲響聲，燈亮一下。用 BELL = 0， redled = 0 來表示。 （ 4）整個系統默認使用的是 typeA 協議的卡，用 PcdConfigISOType( 39。A39。 )來表示，然后蜂鳴器再響一聲表示讀卡成功。 其次是主函數中調用顯示屏模塊函數來實現顯示屏的顯示： （ 1）顯示屏初始化顯示：“西南石油大學計科，請刷鉆具卡！”。調用 文件中的 DisplayLcd（）來實現； （ 2）顯示鉆具卡的名稱：調用尋卡函數 RequestA（）來實現。 在該函數中用一個 status 來標記是否有卡的存在，然后用 do while 來進行判斷，如果有鉆具卡的存在，調用底層文件 文件中的尋卡函數 PcdRequest（）函數，并且賦值給 status。然后送顯示卡類型的函數 disCardTYPE（）。 底層文件 ISO14443A 協議中的尋卡函數主要有兩個參數變量，第一個參數變量表示的是尋卡的方式，通常情況下有兩種情況，第一種是用 0x52 表示尋所有符合ISO14443A 協議的卡，第二種是用 0x26 表示尋未進入休眠狀態的卡。第二個參數變量表示的是卡的類型，其中 0x0400 就表示石油鉆桿類型的卡片。 （ 3）顯示鉆具卡的 ID：直接調用顯示屏文件 中的函數 disCardID（）來實現。 最后一部分也是本次設計最重要的一部分之一，就是上位機功能模塊的實現： 首先用偽代碼的形式來表示整個