基于Mifare1射頻卡的非接觸式淋浴器的硬件設(shè)計
基于Mifare1射頻卡的非接觸式淋浴器的硬件設(shè)計
來源：一卡通世界 作者：周新宇 2012-2-25 13:21:24 評論 0 條
摘要：非接觸式IC卡的使用日益普及。但簡單的近距離非接觸式數(shù)據(jù)傳輸已經(jīng)不能滿足需要,如何發(fā)揮非接觸式卡的特點, 安全、合理、環(huán)保的應(yīng)用是未來的趨勢。設(shè)計基于ARM Cortex-M3內(nèi)核32位的LM3S301 主控芯片, 使用基于ISO14443A標準協(xié)議的讀卡器芯片, PCF8562驅(qū)動LCD顯示系統(tǒng)時間、賬戶余額等信息, 能夠在使用時精確計算水量、安全交易金額。
0 引言
基于以上的現(xiàn)狀分析,在水資源緊缺的現(xiàn)實環(huán)境下,為了提高人們的節(jié)水意識,發(fā)揮先進科學(xué)技術(shù)在現(xiàn)實生活中的作用,有了此項研究項目。本設(shè)計是基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的處理芯片,使用非接觸式IC卡Mifare1 進行用戶數(shù)據(jù)交換的淋浴器系統(tǒng),這是一種理想的解決方案。本系統(tǒng)是全封閉的結(jié)構(gòu),使用的流量計是基于水表的旋翼式結(jié)構(gòu),而將葉輪機構(gòu)上提取的電信號用頻率脈沖計數(shù),實現(xiàn)水的流量計量,以保持葉輪流量計結(jié)構(gòu)簡單、精度高的優(yōu)點。同時,還能夠按時間計費,通過Mifare1非接觸式IC卡在全封閉的結(jié)構(gòu)下進行用戶信息交互處理,有效避免了浴室內(nèi)部潮濕的環(huán)境對系統(tǒng)的影響,而且處理數(shù)據(jù)速度快。機內(nèi)數(shù)據(jù)可通過紅外與外界交換,或經(jīng)UART-CAN 接口轉(zhuǎn)換由CAN 總線將消費數(shù)據(jù)上傳至PC,既方便用戶,又方便管理,同時還具有環(huán)保節(jié)能的特點。
1 硬件及各部分原理
1. 1 主控芯片及周邊電路
在本設(shè)計中,主控芯片要求對流量入口信息讀取, LCD顯示控制,電磁閥控制,存儲用戶信息等,同時在軟件上,還要求能夠順暢地運行ucos2操作系統(tǒng),對主控芯片有一定的速度和存儲空間的要求,經(jīng)過比較, 最終選擇了周立功單片機公司的LM3S301作為主控芯片,如圖1所示。
LuminaryMicro Stellaris系列微控制器是首款基于ARM CortexTM-M3 的控制器,它將高性能的32 位計算引入到對價格敏感的嵌入式微控制器應(yīng)用中。這些堪稱先鋒的器件,價格與8位和16位器件相同,卻能為用戶提供32 位器件的性能,并且所有器件都是以小型封裝的形式提供。
Stellaris系列的LM3S301 微控制器擁有ARM微控制器所具有的眾多優(yōu)點,如擁有廣泛使用的開發(fā)工具,片上系統(tǒng)( SoC)的底層結(jié)構(gòu)IP 的應(yīng)用,以及眾多的用戶群體。此外,控制器還采用了ARM可兼容Thumb的Thumb22指令集來降低內(nèi)存的需求量,進而降低成本。
圖1 主控芯片LM3S301管腳圖
對于主控芯片,需要使用J tag方式調(diào)試程序及在線編程,聯(lián)合測試行動組( JTAG-Joint Test ActionGroup)端口是一個IEEE 標準,它定義了數(shù)字集成電路的測試訪問端口和邊界掃描架構(gòu),并為控制相關(guān)的測試邏輯提供了一個標準的串行接口。TAP、指令寄存器( IR)和數(shù)據(jù)寄存器(DR)可以用來測試集成印刷電路板的互連,以及獲取組件的制造信息。JTAG端口還提供了一種訪問和控制“可測試性設(shè)計( design-for-test) 特性的方法,如觀察與控制I/O管腳,掃描測試,以及調(diào)試。
JTAG端口由5個標準的管腳組成: TRST、TCK、TMS、TD I和TDO。數(shù)據(jù)通過TD I串行發(fā)送至控制器,然后通過TDO管腳從控制器串行輸出。該數(shù)據(jù)的解析視TAP控制器的當(dāng)前狀態(tài)而定。
LM I JTAG控制器是與植入Cortex-M3內(nèi)核內(nèi)的ARM JTAG控制器一起工作的。這可以通過多路復(fù)用這兩個JTAG控制器的TDO 輸出管腳來實現(xiàn)。ARM JTAG指令選擇ARM TDO 輸出管腳,而LM IJTAG指令則選擇LM I TDO輸出管腳。多路復(fù)用器將由LM I JTAG控制器控制,它可以對ARM、LM I和未執(zhí)行的JTAG指令進行綜合編程。而在本設(shè)計中,為了PCB版圖設(shè)計以及布線的方便性,使用的JTAG接口不是標準的,其管腳順序與標準的不同(這就造成在使用JTAG仿真器調(diào)試的時候,還得先使用一個自己制作的JTAG接口轉(zhuǎn)換電路) 。
1. 2 電源電路設(shè)計
在本設(shè)計中,需要有電源供電的電路有:主控芯片LM3S301需要電源電壓為3. 3V,電磁閥控制電路需要的電源電壓為6. 3V,Mifare1 卡的控制和PCB天線信號發(fā)射部分需要的電源電壓為5V。本方案下的所有電源供電由外接的電源轉(zhuǎn)換由220V市電轉(zhuǎn)換為9V1A電源接入實驗板,再由一些電源轉(zhuǎn)換電路分別轉(zhuǎn)換為5V, 6. 3V和3. 3V電壓提供給各部分電路供電。
外接9V 電源通過橋式整流器后,經(jīng)過電容減少自激振蕩后,使用低壓差線性調(diào)節(jié)器LM1117調(diào)節(jié)電壓。
LM1117是一個低壓差電壓調(diào)節(jié)器系列。其壓差在1. 2V輸出,負載電流為800mA時為1. 2V。它與國家半導(dǎo)體的工業(yè)標準器件LM317有相同的管腳排列。LM1117有可調(diào)電壓的版本,通過2個外部電阻可實現(xiàn)1. 25～13. 8V輸出電壓范圍。另外還有5個固定電壓輸出(1. 8V、2. 5V、2. 85V、3. 3V和5V)的型號。
LM1117輸出了5V和6. 3V的電壓后,再使用SP6201微功耗CMOS LDO調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)電壓到3. 3V給芯片提供電源使用。
SP6201 是CMOS LDO 器件,適用于要求高精度、快速操作和方便使用的應(yīng)用。它們提供極低的靜態(tài)電流,靜態(tài)電流只有在帶負載的情況下才會稍微有所上升,這為雙極型LDO的地電流操作提供了便利。SP6201 LDO器件可處理極寬的負載范圍,在1μF的輸出陶瓷電容下仍可穩(wěn)定工作。它們有極好的低頻PSRR,這是其它CMOS LDO不具備的,可對產(chǎn)生的異常進行線性調(diào)整。高頻PSRR 比高達400kHz的40dB 更好。SP6201 良好的負載調(diào)節(jié)特性和溫度的穩(wěn)定性可與雙極性LDO相媲美。
對于液晶驅(qū)動芯片PCF8562, PCF8562 是一種能與幾乎所有低復(fù)用速率的LCD接口的外圍設(shè)備。它為所有靜態(tài)和復(fù)合的LCD (包含最多4個背極和32段)產(chǎn)生驅(qū)動信號。PCF8562 與大多數(shù)微處理器/微控制器兼容并可以通過兩線雙向的I2 C總線通信。通過帶自動增量尋址的顯示RAM、硬件子地址尋址和顯示存儲器切換(靜態(tài)和復(fù)合驅(qū)動模式)可以將通信的開銷降至最低。
I2 C總線用于在不同的IC或模塊之間進行雙向的兩線通信。這兩條線是串行數(shù)據(jù)線( SDA)和串行時鐘線( SCL) 。當(dāng)這兩條線連接到器件的輸出級時必須通過上拉電阻連接到正電源。而且只有當(dāng)總線空閑時才能初始化數(shù)據(jù)傳輸。
1. 3 Mifare1卡信息讀取電路及天線設(shè)計
Mifare1 IC智能(射頻)卡的核心是Philips公司的Mifare1 IC S50 ( - 01, - 02, - 03, - 04)系列微模塊(微晶片) 。內(nèi)建有高速的CMOS EEPROM,MCU等�？ㄆ蠠o源(無任何電池) ,工作時的電源能量由卡片讀寫器天線發(fā)送無線電載波信號耦合到卡片上天線而產(chǎn)生電能,一般可達2V以上,供卡片上IC工作。工作頻率13. 56MHz。Mifare1 IC 智能(射頻)卡上具有先進的數(shù)據(jù)通信加密并雙向驗證密碼系統(tǒng),而且每張卡都具有唯一的序列號,使得金融交易安全,管理方便可靠。
1. 4 流量計入口電路
通過韋根傳感器傳遞來的脈沖信號,其電壓低,功率不夠,難以被檢測出來,需要放大電路對其信號進行放大,使用如下的放大電路放大后信號進入芯片CCP引腳,提供對使用水量的實時監(jiān)控比且根據(jù)此來收費。
1. 5 系統(tǒng)總體設(shè)計
整個系統(tǒng)在總體設(shè)計上有主控和Mifare1卡讀寫模塊,LCD顯示模塊,電源及電磁閥驅(qū)動模塊,通過如下的方法使之成為一個完整的系統(tǒng)。除去以上這些硬件設(shè)計之外,為了系統(tǒng)工作的需要,還設(shè)計了串口232、紅外信號傳輸接口以及按鍵等,這里略過。
2 結(jié)束語
在設(shè)計中,Mifare1 非接觸IC卡完成系統(tǒng)與用戶信息的交換,使用紅外或者串行口傳輸數(shù)據(jù),保證了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的完全密封性,利于在浴室的溫濕環(huán)境中能夠正常使用。
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