硬件方案实例：RFID接口与识读设备

由易福门有限责任公司生产的具有IO-Link接口的串联设备中的其中一款AC5225，是一台典型的配备有RFID接口的设备。RFID接口也就是芯片和触角天线以卷轴的方式出现的接口，得以节省其他数据接口（寻址插口），这使RFID识读器成为了设备互相协同作用中的一种范例识读器。

为了使经由传感器测量的数据通过RFID接口在电路板上能够被追踪、被参数化以及可视化地作为范例展示，易福门有限责任公司这款AC5225设备较常用于端口装配。这台携带传感器的设备是能绑定AS-i-现场总线的AS-IIO-Link网关。它的参数和数据交换是通过由AS-I总控传递到AC5225的指令完成的。这台设备拥有一个通信端口，借助于寻址插口和在待装配的样例中通过RFID端口得以实现。如今，通过寻址设备能够存储以下AS-i典型信息：

• 针对E型调试和A型调试的ID编码。

• 寻址（对于AS-i设备通过预给定一个0～31的数字参数，该参数是描述AS-i网络的参与传感器与执行器）。

当寻址设备和寻址插口被NFC方案替代时，在客户那里，该设备可以在无电源的情况下被识别、被定位，与之相连的传感器就被参数化，在接通电源的情况下，被测量的数值就能可视化。这种状况展示如图5.8所示。

图5.8 RFID芯片在终端客户的应用

来源：作者。

AS-Interface（AS-i）是一个独立控制系统，也就是说，该系统会周期性独立访问所有项目中的子系统，并以4bit使用数据包来和子系统进行一系列的输入和输出数据交换。31台设备之间的数据交换周期是5ms。AC5225设备是为AS-i系统服务的，拥有IO-Link传感器的两个输入端和输出端。

作为总控系统和子系统之间的输送介质的无屏蔽黄色双芯AS-i扁平电缆同时也为电源（24～30V的直流电）服务，例如之前介绍的像IO-Link传感器这样的低耗电量的交流设备。它们之间串联的交流频率是167kHz。在组装时传感器通过两个插脚把它和AS-i电缆绝缘体串联起来。

根据IEC 61131-9标准，IO-Link的电子连接数据以及数字化交流记录都要标准化，通过连接AC5225的传感器实现IO-Link总控的数据交换。一方面，IO-Link总控控制至多连接两台IO-Link设备的交流，另一方面AC5225设备作为AS-i系统服务的端口扮演了AS-i子系统的角色。

IO-Link设备有一个系列编码和参数数据（如敏感性能、连通延迟性或者特征曲线），这些数据通过IO-Link记录以280.4kHz的电压传导可以完成阅读和更改。传感器和执行器的参数信息是模块特定的，因此针对每台设备都有IODD（IO Device Description）形式的参数信息。已经存储在设备中的参数可以在运行过程中通过总控系统得以更改。当AC5225设备处在低电源模式中且在软件中的固件允许更改的情况下，NFC手机就可以扮演第二个总控系统的角色。

在该设备上使用RFID端口的基础是编号为P2011.0188的专利。它和举例中的设备AC5225的一个AS-i网关有关。在专利书说明中也介绍了技术规范中要求的RFID组件和单片机组合连接的可能性。

• 通过唯一系列号进行自动产品跟踪以及以此降低失误。

• 在低电源的设备中，通过NFC端口以及唯一系列号、基本数据、固件和/或总线地址的输入输出（作为有名的线性或者以IR为基础的AS-i和现场总线分配程序的替换方案）。

这样一来，对易福门有限责任公司而言，被描绘的客户使用的价值生成和由此而带来的竞争优势能够从专利层面上得以被保护。另外还有两个其他专利，一个是针对传感器的传感器和电路板应用的专利，另一个是涵盖ifm electronic gmbh几乎其他所有产品的专利。

AC5225设备的电路板有六层，有两块来自ATMEL公司（见图5.9）的芯片，一个通过AS-i来完成寻址的ATmega88V（J302），还有一个是用来完成已连接或待连接的IO-Link传感器参数化的ATmega64（J600）。两个单片机能够通过C和固件用130～135个操作指令编程。

两个微处理器拥有一个Inter-Integrated Circuit（I²C）端口，通过它实现与NFC芯片的连接。相应的NFC端口需要四个接口：串行时钟（SCL），串行数据（SDA），串行数据质量（Ground，GND）以及1.8～5.5V的正电压源（VDD）。当ATmega64的IO-Link一边对应插脚未被使用时，它已经在ATmega88被用于模拟数字转换器而被占用。此时才能测试是否这个功能能够被应用到之前的插脚19和22（ADAC6和ADAC7）。在一台示例设备上可以使ATmega64和NFC芯片结合。

当我们想将寻址插口（见图5.9）的任务交付到NFC芯片上时，我们不仅可以利用被它占据的空间，而且也可以节省成本，客户也可以省去机械接口的寻址设备及其带来的问题。当我们通过NFC芯片连通ATmega88的固件时，当然，唯一的任务是为网关分配1～31的地址。这个任务也可以由ATmega64和ATmega88之间的连接绕行完成。待连接传感器的预参数化和通过ATmega64来实现在设备连接后为客户考量的数值可视化是一个非常庞大的任务。对此，NFC芯片会被和ATmega64的TWI插脚衔接。

图5.9 AC5225装配图示

来源：根据易福门。

NFC芯片和触角天线被以此安装在电路板的IO-Link部分，即在光耦合器J101～J104（见图5.9）的左边，其发射的互不影响的电隔离电路信号由IO-Link和AS-i共同承担。由于考虑到电磁兼容性（EMV），也需要考虑调制AS-i信号。在研发过程中，电路板要被重新规划，这样才能够真正利用拿掉寻址插口获得的空间。

为了生产配有RFID芯片的AC5225NFC设备样机，要对设备中的电路板做如下改动：

• 线圈（见图5.9，L100和L102）不要像原装设备那样与壳体相连接。

• NFC芯片会和一个承载5V的电源以及ATmega64的TWI触角天线线圈相接。

7M的AC5225固件会被易福门有限责任公司作为源代码应用到样机研发中。在数据库中该固件会被拆分应用于ATmega88、SPI以及ATmega64，并且根据电路板改变相应的结构（见图5.10）。

图5.10 AC5225固件结构

来源：根据SchneiderD.，2012年。

对样机而言，为了使在电路板上的芯片同ATmega64的编程相适应，有一个补充环节相当有必要。以此对该固件而言，需要为通过ATmega64和NFC芯片来完成IO-Link数据传输的TWI另外编程。该补充程序由编译器和调试器为C/C++进行8～32位单片机“IAR嵌入式工作台”（IAR系统，1995—2012年）共同执行。由ifm economic gmbh提供的适配器会被用于简化固件编程（见图5.11）。

图5.11 适用于AC5225的编程适配器

来源：ifm datalink有限责任公司。(www.xing528.com)

除此之外，在固件中还需要做一个改动：通过连接两台ATmega设备的串行外设接口（Serial Peripheral Interface，SPI）来实现关于RFID芯片、ATmega64和ATmega88对AS-I标准CMOSIC（ASI4U）寻址的转交。对此NFC智能手机扮演了第二个总控系统的角色，尤其当设备接通电源且通过智能手机的参数化被执行时，它发挥了重要作用。在这种情况下，现有的参数会匹配设备中已存储的参数。

在IO-Link主状态机中（已经存在于程序ATmega64的序列），被更改的固件会访问NFC芯片的EEPROM的旗标。如果这个旗标是立起的，那么就会执行NFC请求程序，请求方式已经存储在EEPROM之中。根据请求的方式来调动EEPROM中的数据并发送至每个IO-Link设备中或者保存在设备中的EEPROM中，以及发送至NFC智能手机上。此时信息会被拆分存储到EEPROM之中，NFC智能手机也会接收信号并从中调取信息。

AS-i和NFC主机的优先顺序是通过AS-i请求的绝对优先性执行的。如果没有AS-i请求，则NFC存储器扮演AS-i的角色。对于AS-i的请求是同时性还是先后性的问题，应该要在NFC请求被更换之前找到一个解决方案。

为了调试样机的RFID端口，RFID芯片和触角天线的大小都要适配电路板。

在5.2.3小节中，配有单片机衔接的NFC芯片会被作为应答器和RFID端口而进行分列。基本上，这里会用到由意法半导体公司生产的三种拥有双界面EEPROM的RFID芯片（见表5.14）：

• M24LR04E-R（4Kbit存储空间，参见STMicroelectronics，2012B）

• M24LR16E-R（16 Kbit）

• M24LR64-R（64 Kbit）

以上三种由意法半导体公司生产的RFID芯片都执行ISO/IEC15693标准。HF不适用该标准，但是根据ISO14443以及ISO15693标准规定，意法半导体公司的方案允许在群中借助递归防碰撞算法识读群信息，从而在群中实现选择性和一般性的信息识读。ISO15693标准意味着最大识读间距为1m，而意法半导体公司的电路板上最长触角天线和最大功率的识读器的间距最大距离为42mm。

表5.14 双界面EEPROM可用ST-Tag方案和以厘米为单位的附有识读器的有效范围

来源：意法半导体公司，2012A。

配备曼彻斯特编码的负载调制和幅移键控（ASK）或者辅助频率（423kHz或423kHz和485kHz）的二位频移键控（2-FSK）可以由识读器来完成筛选：以6.62Kbit/s（长距离模式）或者26.48Kbit/s的数据传输率来完成。除了这两种通用速度之外，ST芯片还提供53Kbit/s的数据传输模式，一种“Fast Command”（快速指令）。这个传输速率低于由AS-Interface（167Kbit/s）和由IO-Link（230.4Kbit/s）最高速率所能达到的速度，原则上也能在一定程度上应用在本地申请上。根据意法半导体公司的报告，未来还会根据ISO14443标准生产出传输速率更高的一种芯片（最高能够达到848Kbit/s）。但是由于无限增益在有效距离和传输速率之间存在一种负相关关系，高的传输速率对有效距离会造成负担。所以该由产品的具体使用情况来决定使用何种芯片。

意法半导体公司的所有芯片都有3个32bit密码防护区，例如可以用来保护非法拷贝以及为ifm和客户提供不同的应用。这些防护区能够配备分离的识读和/或刻录权限。另一个32bit密码为I²C总线服务。作为“产品秘钥”的密码以及其他密码可以被易福门有限公司及客户使用。

2013年，富士通用MB89R112介绍了一种和意法半导体公司相似的解决方案，虽然是用FRAM代替EEPROM，用SPI代替I²C总线。目前，与EEPROM相比，这个更频繁更快的可写存储器的消耗比它低了100倍能耗，这个因素值得作为优势而得到关注。

在面对缺少密码支撑，未提及的ESD强度以及关于一个更低的使用寿命的数据防护而言，更快的速度、更高的刻录频率以及更少的能量消耗就显得尤为重要了（见表5.15）。

表5.15 存储器比较

来源：参见Schwarz，2012；富士通，2012；意法半导体公司，2012A。

因为AS-i的5ms快速识读周期并能长久保存的特性使易福门有限责任公司的设备使用寿命达到十年以上，这使得意法半导体公司的解决方案还有待考量。在意法半导体公司的方案中，I²C总线中会出现更少的电磁兼容性（EMV）问题。尤为关键的是样机解决方案中富士通的SPI连接中需要三个插脚，而AC5225的ATmega64，如上文所提及，只要两个插脚即可。在串口技术发展方面，应由客户方使用的设备决定具体芯片方案的选择，只要芯片达到NFC15693标准即可。

在样机方案中用到意法半导体公司的M24LR64芯片，不仅因为它以64Kbit的速度比其他ST芯片拥有更多的存储空间（M24LR16E是16Kbit，M24LR4E是4Kbit），而且因为当它和触角天线连接时能更好地完成刻录。对此必须要有意识放弃M24LR16E和M24LR4E的集能功能，因为ecomatic的电路板需要3.3～5V的输出电压，而意法半导体公司的解决方案却最多产生2.5V电压（见表5.16）。

这种集能功能仅对小传感器有意义，而且也只有ifm其他的子公司在生产该传感器。对此可以省略很多在提供电源情况下的电路板测试，并能在很大程度上节省生产资料和生产成本。

表5.16 M24LR16E-R芯片的节能情况

来源：意法半导体公司，2012A，第11页。

对一个理想的触角天线—芯片结合体的研发而言，要从触角天线、附属过滤器以及阻抗调整开关的设计着手。用于触角天线的阻抗调整开关必须要有一定的灵敏度。RFID芯片必须要非常精准地适配触角天线并焊接。为了克服样机研发中的困难，会选择一块已经完成测试的芯片—触角天线结合体来安装。对此我们会选用意法半导体公司提供的触角天线解决方案。

根据表5.14，在电路板上，意法半导体公司的卷轴方案比寻址插口需要更少的空间。为了能够通过端口和智能手机连接以实现刻写，电路板和设备壳体之间的间距在1cm左右是尤为关键的。根据表5.14，卷轴的直径要在7.8～9.8mm，智能手机阅读间距的最大距离是10.5cm。

由于选择RFID芯片M24LR64-R已经被预先选定，所以ANT3-M24LR-A要被分列，它的读写范围被视为刚达到要求。在电路板上，它作为卷轴不需要占很多空间。当上文所给的卷轴天线和已选定的RFID芯片的结合体通过意法半导体公司作为参考设计预先设定好时，在超出样机使用范围的情况下，当然必须要给出理想的卷轴种类和大小。

作为识读器，在样机中使用一个商用标准、可以实现NFC的智能手机（这里用的是三星Galaxy Nexus）和意法半导体公司为RFID识别组件预定的智能终端核心软件样例的DEMO-CR95-HF-A。客户使用的NFC智能手机要确保有一个连接ifm系统的无线发射点。

意法半导体公司DEMO-CR95-HF-A的替换方案可以是在产品的机器和手动工位安装ifm（DTE100）作为连接器的非接触式射频识别（RFID）处理器及其附属读磁头或者天线。基本上优先选用这套方案，因为这套方案对产品而言成本最低而且便于实施操作。但与意法半导体公司应答机的兼容性必须要通过测试检验（参见第5.4节）。正如处理器参数单数据所示，设备必须要同连接DPV1（推荐使用）以及DPVO第一等级的现场总线总控相连接。所需识读间距由检验确定（参见第5.4节）。同时，在较大识读间距时要考虑线路和车间的生产情况（很有可能造成相邻或等候区电路板识读错误）。

在物流方面，可以用为NXP高频芯片服务的，由生产商给定的99.95%以上识读速率为7m/min的高频隧道识读器来替代弯铁装置。这里也能通过检验测定，是否纸板箱内这些标记均在隧道识读器中被识读。还有一种解决方案是把阅读器放入每个货架底部，这样能够在每次取出设备时直接检测其是否被放入正确的纸板箱内（货架识读器，参见同样使用高频技术的Würth地铁未来商店“Smart shelves”或者“CPS@iShelf”）。在每个火车站作为读磁头来打开包裹的框架天线是被写入案例教材以及和防呆管理兼容的最优方案。

因为物流方案的检验并不是易福门有限责任公司自己的方案，因此不予纳入考量范围。