井下人员定位系统毕业设计(8)

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图4-3读写器的安装示意图

4.2电子标签的设计与安装

4.2.1电子标签的选型与设计

根据前面对井下无线通信最佳频率选择的分析，就确定了在本系统设计中要采用900MHz频率的射频标签。在满足系统设计的要求下，最终选用意法半导体(ST)公司推出的超高频RFID存储芯片XRA00作为系统中使用的射频标签。 1. XRA00的主要特点

XRA00是一个工作在超高频的用于射频识别的应答器或者称标签集成电路。XRA00为超长射频器件类芯片，从阅读器到芯片的操作距离长达10米。该芯片具有以下特点:

(1)完全符合EPCglobal1.0规范

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(2)采用868MHzISM频带和15MHzISM频带超高频载波频率

(3)接收信号是异步脉宽调制(PWM)脉冲编码的50%到100%幅度(ASK)调制信号，应答为双空间编码信号

(4)内含带锁存的128位EEPROM和96位ePC (5)具有库存、读取、编程和擦除功能 (6)提供删除命令

(7)采用标准30ms编程时l司 (8)可循环擦写10000次以上 (9)数据可保存40年以上 2. XRA00性能概述

XRA00的逻辑框图如图4-4所示，其中AC0和AC1为天线连接点。和天线连接之后，XRA00便可以从读卡器辐射的射频能量中获得工作所需要的电源。如果需要，用户可通过XRA00中的非易失性存储器为标签编程，XRA00只有在接收到读卡器有效的正确命令之后才会对阅读器做出应答。

图4-4 XRAOO的逻辑框图

此外，ARX00内部还有一个针对RFID应用的噪声应用环境的快速防冲突协议，该协议完全符合自动识别中心1类超高频规范。

3. XRAOO工作过程

当ePC信息写入之后，对EEPROM中的锁存位进行编程可保护芯片中的数据。此时XRA00即进入用户模型。在用户模式下，ERASED、PROGRAMMEID和VERIFYID等命令通常未被激活，XRA00只对防冲突命令做出响应。此时，XRA00芯片支持SCROLLID、SCROLLALLID、PINGID、QUIET、TALK、KILL、ERASEID、PROGRAMMEID和VERIFYID等命令，每个命令的含义如表4—1所列。 SCROLLID SCROLLALLID

表4—1 XRAOO支持的指令 XRA00匹配数据，返回整个ID代码作为应答 XRA00不进行辨别，返回整个ID代码作为应答 中国矿业大学2009届本科毕业生设计 第28页

PINGID QUIET TALK KILL ERASEID PROGRAMMEID VERIFYID 用于XRA00时防冲突的情况，XRA00匹配数据并在特定的时间段做出响应 XRA00匹配数据，进入休眠状态，不再响应读卡器的命令，直到接收到Talk命令或失去电源能量 XRA00匹配数据，进入工作状态，响应读卡器的命令 XRA00永久删除存储器内ID代码和所有数据 擦除XRA00内部存储器内容 在没有锁存的状态下对XRA00内部存储器编程（一次16位） 校验XRA00存储器中的所有数据位，确保正确编程 在进行射频识别时，读卡器和XRA00之间一般按照如下步骤进行对话:首先，阅读器辐射的超高频工作场使XRA00获得应答器所需的电源能量，并使其进入激活状态，准备接收阅读器的命令;然后，阅读器发射包含命令的信号并等待XRA00的应答;最后由XRA00根据接收到的命令发射应答信号。这种工作方式被称为RTF(Read Talk First)。 4. XRA00存储器映射

XRA00内部的128位存储器共分为8个块，每块16位。XRA00的内部存储器映射如图4—5所示。读取时每一位可以单独读取，写入则可按照每块16位的方式写入。其中第一个存储器块用来存储。PC规范定义的CRC(循环冗余校验码)，接下来六块全部都用来存储库存序列号中用到的96位代码，最后一块由8位删除代码和8个锁存位公用，其中8个锁存位用于保护存储器里的数据。

图4-5XRAOO存储器分配图

5. XRAOO信息写入

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通过应用软件将唯一的ID信息写入射频标签，当标签进入阅读器的工作范围内被激活时，标签将其本身携带的唯一的ID码传送给阅读器，完成携带此标签的井下人员信息的采集。 4.2.2 XRAOO的天线

射频标签天线主要用于接收到达射频标签的射频能量及指令，并转发射频标签的相关信息，它是射频标签和阅读器进行数据交换的桥梁。

如XRA00的逻辑框图4-4所示，AC0和AC1即为天线连接点。目前，频率较高的标签通常为印刷贴片天线形式。 4.2.3 基于XRA00的电子标签安装

由于射频标签体积小，重量极轻。在本系统设计中，将射频芯片安装在下井人员的安全帽内，如下图4-6射频电子标签的原理示：

图4-6电子标签的安装示意图

4.3基站介绍

基站的功能就是收集并暂存由读写器发来的人员信息数据，并通过CAN总线将数据发送到地面监控中心的主机服务器中。同时也就接受上位机发送来的命令信息。基站还有一个重要功能就是将阅读器发送来的数据打上时间戳，这个时间对整个系统而言是非常重要并且不可或缺的一部分。数据库系统以及上位机软件正是通过这个时间戳来判断井下人员的行走的路线以及人员队后到达的位置所以基站应包括RS-485接口、CAN总线接口、存储模块、以及时间模块。基站的基本框图如下4-7所示：

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RS485接口模块CAN总线接口模块51单片机存储模块时间模块 4.3.1时间模块设计

图4-7基站的模块组成

在井下基站的设计中，分站需要将工作人员经过基站时的时间与射频卡中的信息一起传送出去，所以这就用到时钟模块。经比较，最终选择了PCF8563日历时钟芯片。

PCF8563是PHILIPS公司推出的一款工业级内含I2C总线接口功能的具有极低功耗的多功能时钟/日历芯片。PCF8563的多种报警功能、定时器功能、时钟输出功能以及中断输出功能完成各种复杂的定时服务，甚至可为单片机提供看门狗功能。内部时钟电路、内部振荡电路、内部低电压检测电路(1.0V)以及两线制IC总线通讯方式，不但使外围电路及其简洁，而且也增加了芯片的可靠性。同时每次读写数据后，内嵌的字地址寄存器会自动产生增量。

PCF8563是一款性价比极高的时钟芯片，它已被广泛用于电表、水表、气表、电话、传真机、便携式仪器以及电池供电的仪器仪表等产品领域。

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图4-8 PCF8563管脚图

PCF8563管脚图及管脚描述见表4-2，它的应用范围比较广泛，其应用特性优越，特性如下:

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