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基于Mifare1射频卡的非接触式淋浴器的硬件设计

来源:一卡通世界      作者:周新宇      2012-2-25 13:21:24

    摘要:非接触式IC卡的使用日益普及。但简单的近距离非接触式数据传输已经不能满足需要,如何发挥非接触式卡的特点, 安全、合理、环保的应用是未来的趋势。设计基于ARM Cortex-M3内核32位的LM3S301 主控芯片, 使用基于ISO14443A标准协议的读卡器芯片, PCF8562驱动LCD显示系统时间、账户余额等信息, 能够在使用时精确计算水量、安全交易金额。

    0 引言

    基于以上的现状分析,在水资源紧缺的现实环境下,为了提高人们的节水意识,发挥先进科学技术在现实生活中的作用,有了此项研究项目。本设计是基于ARM Cortex-M3内核的处理芯片,使用非接触式IC卡Mifare1 进行用户数据交换的淋浴器系统,这是一种理想的解决方案。本系统是全封闭的结构,使用的流量计是基于水表的旋翼式结构,而将叶轮机构上提取的电信号用频率脉冲计数,实现水的流量计量,以保持叶轮流量计结构简单、精度高的优点。同时,还能够按时间计费,通过Mifare1非接触式IC卡在全封闭的结构下进行用户信息交互处理,有效避免了浴室内部潮湿的环境对系统的影响,而且处理数据速度快。机内数据可通过红外与外界交换,或经UART-CAN 接口转换由CAN 总线将消费数据上传至PC,既方便用户,又方便管理,同时还具有环保节能的特点。

    1 硬件及各部分原理

    1. 1 主控芯片及周边电路

    在本设计中,主控芯片要求对流量入口信息读取, LCD显示控制,电磁阀控制,存储用户信息等,同时在软件上,还要求能够顺畅地运行ucos2操作系统,对主控芯片有一定的速度和存储空间的要求,经过比较, 最终选择了周立功单片机公司的LM3S301作为主控芯片,如图1所示。

    LuminaryMicro Stellaris系列微控制器是首款基于ARM CortexTM-M3 的控制器,它将高性能的32 位计算引入到对价格敏感的嵌入式微控制器应用中。这些堪称先锋的器件,价格与8位和16位器件相同,却能为用户提供32 位器件的性能,并且所有器件都是以小型封装的形式提供。

    Stellaris系列的LM3S301 微控制器拥有ARM微控制器所具有的众多优点,如拥有广泛使用的开发工具,片上系统( SoC)的底层结构IP 的应用,以及众多的用户群体。此外,控制器还采用了ARM可兼容Thumb的Thumb22指令集来降低内存的需求量,进而降低成本。

 主控芯片LM3S301管脚图

图1 主控芯片LM3S301管脚图

    对于主控芯片,需要使用J tag方式调试程序及在线编程,联合测试行动组( JTAG-Joint Test ActionGroup)端口是一个IEEE 标准,它定义了数字集成电路的测试访问端口和边界扫描架构,并为控制相关的测试逻辑提供了一个标准的串行接口。TAP、指令寄存器( IR)和数据寄存器(DR)可以用来测试集成印刷电路板的互连,以及获取组件的制造信息。JTAG端口还提供了一种访问和控制“可测试性设计( design-for-test) 特性的方法,如观察与控制I/O管脚,扫描测试,以及调试。

    JTAG端口由5个标准的管脚组成: TRST、TCK、TMS、TD I和TDO。数据通过TD I串行发送至控制器,然后通过TDO管脚从控制器串行输出。该数据的解析视TAP控制器的当前状态而定。

    LM I JTAG控制器是与植入Cortex-M3内核内的ARM JTAG控制器一起工作的。这可以通过多路复用这两个JTAG控制器的TDO 输出管脚来实现。ARM JTAG指令选择ARM TDO 输出管脚,而LM IJTAG指令则选择LM I TDO输出管脚。多路复用器将由LM I JTAG控制器控制,它可以对ARM、LM I和未执行的JTAG指令进行综合编程。而在本设计中,为了PCB版图设计以及布线的方便性,使用的JTAG接口不是标准的,其管脚顺序与标准的不同(这就造成在使用JTAG仿真器调试的时候,还得先使用一个自己制作的JTAG接口转换电路) 。

    1. 2 电源电路设计

    在本设计中,需要有电源供电的电路有:主控芯片LM3S301需要电源电压为3. 3V,电磁阀控制电路需要的电源电压为6. 3V,Mifare1 卡的控制和PCB天线信号发射部分需要的电源电压为5V。本方案下的所有电源供电由外接的电源转换由220V市电转换为9V1A电源接入实验板,再由一些电源转换电路分别转换为5V, 6. 3V和3. 3V电压提供给各部分电路供电。

    外接9V 电源通过桥式整流器后,经过电容减少自激振荡后,使用低压差线性调节器LM1117调节电压。

    LM1117是一个低压差电压调节器系列。其压差在1. 2V输出,负载电流为800mA时为1. 2V。它与国家半导体的工业标准器件LM317有相同的管脚排列。LM1117有可调电压的版本,通过2个外部电阻可实现1. 25~13. 8V输出电压范围。另外还有5个固定电压输出(1. 8V、2. 5V、2. 85V、3. 3V和5V)的型号。

    LM1117输出了5V和6. 3V的电压后,再使用SP6201微功耗CMOS LDO调节器调节电压到3. 3V给芯片提供电源使用。

    SP6201 是CMOS LDO 器件,适用于要求高精度、快速操作和方便使用的应用。它们提供极低的静态电流,静态电流只有在带负载的情况下才会稍微有所上升,这为双极型LDO的地电流操作提供了便利。SP6201 LDO器件可处理极宽的负载范围,在1μF的输出陶瓷电容下仍可稳定工作。它们有极好的低频PSRR,这是其它CMOS LDO不具备的,可对产生的异常进行线性调整。高频PSRR 比高达400kHz的40dB 更好。SP6201 良好的负载调节特性和温度的稳定性可与双极性LDO相媲美。

    对于液晶驱动芯片PCF8562, PCF8562 是一种能与几乎所有低复用速率的LCD接口的外围设备。它为所有静态和复合的LCD (包含最多4个背极和32段)产生驱动信号。PCF8562 与大多数微处理器/微控制器兼容并可以通过两线双向的I2 C总线通信。通过带自动增量寻址的显示RAM、硬件子地址寻址和显示存储器切换(静态和复合驱动模式)可以将通信的开销降至最低。

    I2 C总线用于在不同的IC或模块之间进行双向的两线通信。这两条线是串行数据线( SDA)和串行时钟线( SCL) 。当这两条线连接到器件的输出级时必须通过上拉电阻连接到正电源。而且只有当总线空闲时才能初始化数据传输。

    1. 3 Mifare1卡信息读取电路及天线设计

    Mifare1 IC智能(射频)卡的核心是Philips公司的Mifare1 IC S50 ( - 01, - 02, - 03, - 04)系列微模块(微晶片) 。内建有高速的CMOS EEPROM,MCU等。卡片上无源(无任何电池) ,工作时的电源能量由卡片读写器天线发送无线电载波信号耦合到卡片上天线而产生电能,一般可达2V以上,供卡片上IC工作。工作频率13. 56MHz。Mifare1 IC 智能(射频)卡上具有先进的数据通信加密并双向验证密码系统,而且每张卡都具有唯一的序列号,使得金融交易安全,管理方便可靠。

    1. 4 流量计入口电路

    通过韦根传感器传递来的脉冲信号,其电压低,功率不够,难以被检测出来,需要放大电路对其信号进行放大,使用如下的放大电路放大后信号进入芯片CCP引脚,提供对使用水量的实时监控比且根据此来收费。

    1. 5 系统总体设计

    整个系统在总体设计上有主控和Mifare1卡读写模块,LCD显示模块,电源及电磁阀驱动模块,通过如下的方法使之成为一个完整的系统。除去以上这些硬件设计之外,为了系统工作的需要,还设计了串口232、红外信号传输接口以及按键等,这里略过。

    2 结束语

    在设计中,Mifare1 非接触IC卡完成系统与用户信息的交换,使用红外或者串行口传输数据,保证了系统结构的完全密封性,利于在浴室的温湿环境中能够正常使用。

    作者简介: 周新宇( 1964 - ) ,女,工程师,本科, 1997年毕业于黑龙江省省委党校经济管理专业, 1992年至今从事电子信息产品监督检验工作

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