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[摘 要]文章在对钢瓶充气装置业务流程分析和RFID研究的基础之上，提出了一种基于RFID的智能钢瓶充气装置的总体设计方案。描述了其总体设计思想，设计完成了相应的硬件结构、软件结构和通讯协议。
[关键词]RFID；IC卡；RS-485
中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）20-0284-03
1 系统架构
图1为智能充气装置的总体系统架构，智能充气装置选用工业级P89V51RD2单片机作为主控芯片，装置和上位机之间采用常见的工业现场总线RS-485实现数据通讯。RS-485总线具有低成本、易布线、传输距离远等优点，其理论传输距离可达1200米，工业现场可靠传输距离为800米。经试用，整个系统性能稳定，可靠性高。
2 业务流程分析
2.1 单片机状态转换图
智能钢瓶充气装置各种状态间的相互转换由下位硬件系统和上位软件系统协同完成，整个充装过程包括启动、等待、验证、判断、待机、充气和故障等状态。下位硬件系统通过严格的时序控制自动完成各个状态间的转换并和上位软件系统保持实时通讯。状态转换图如图2所示。
2.2 详细分析
1.读卡及卡信息验证
对气瓶IC卡的内的信息进验证：判断“当前气瓶状态”是否为007，表示气瓶通过预检；判断气瓶报废时间是否已到（报废时间<系统时间+30天），气瓶检测时间是否到期（检测时间<系统时间+30天）；该瓶的充装站编号是否与该机器内的充装站信息一致；气瓶种类是否符合规定；上述条件必须全部满足，信息验证方可通过。
2.运行监控功能
系统运行过程中，每0.5秒读取一次气瓶温度，与上位机参考温度进行比较，发现温度连续上升到设限值，自动报警（报警方式采用蜂鸣器，长时间急促声提示，同时LCD屏上显示气瓶的当前温度值及与参考环境温度的差值）、输出报警开关量。
3.写卡功能
摘接机前，系统根据上位机给出的气瓶状态值写入IC卡的stat数据栏及充装的气体种类和充装压力，写入数据成功后，系统提示写卡成功，用户可以摘除传感器。
4.设置运行参数（由上位机分发给下位机）
当前时间time（年、月、日、时、分），以上位机时间数据为标准；温度上升报警上限值；充装的气体（如：高纯氧、工业氧、医用氧、普通氧、低纯氧等）；充装站编号；重装机编号；充装压力。
5.保存300条充装数据记录（含未通过验证的），记录按FIFO的规则，可通过上、下键查阅，同时可通过网络上传至上位机，上传过的可删除。
6.机器工作状态
等待：等待上位机发送机器设置指令或等待用户读卡操作；验证：气瓶读卡后取得气瓶关键数据后验证是否通过验证；待机：验证通过后，等待充气指令；充气：接受充气指令后启动温度传感器，开始监控温度，每500ms采集一次；故障：如果上述过程中有故障，则进入故障状态。
3 硬件设计
3.1 系统硬件框图
本装置的硬件部分由单片机、A/D、键盘、显示器、RFID读写模块、红外测温、环境测温、接收和发送天线、电源、时钟及RS-485通信接口等构成。上述几个部件与器件以周密的逻辑设计配合，通过程序控制完成对钢瓶的充气过程。系统硬件框图如图3所示。其中，IC卡读写电路为本设计的重点，其余电路在常见控制系统中通用，设计较为简单，笔者不再赘述。
3.2 IC卡读写电路
非接触式IC卡作为电子标签安装在钢瓶的规定位置，用来区别钢瓶的类别、记录钢瓶用户的个人信息及缴费金额、余额等。本设计采用FM1702作为读卡芯片，工作在13.56MHZ频段。其D0～D7数据位通过总线和单片机的I/O口连接，在单片机的严格时序控制下，配合天线完成对IC卡的读写。设计电路如图4和图5所示。
4 软件设计
智能充装系统在待机状态下通过查询方式扫描4个功能键，从而完成每个功能键所对应的处理工作，系统流程图如图6所示。
读卡键用于IC卡读写操作，当读卡键按下时，系统开始扫描卡片。如果扫描到卡片，系统进入IC卡处理子程序；如果在限定的时间范围内没有扫描到卡片，则退出卡片扫描程序，重新进入键盘扫描程序。
测温键用于测量环境温度，当测温键按下时，系统读取环境温度，并将结果显示在LCD界面上。正常情况下，系统完成读取和显示操作后重新进入键盘扫描程序；异常情况下，系统显示异常并报警。
验证键的处理程序是整个系统的核心部分。当验证键按下时，系统开始验证钢瓶的合法性，通过合法验证的钢瓶即刻进入红外测温子程序。系统通过读取钢瓶表面的温度与环境进行对比，如果对比结果在设定安全范围之内，则控制系统打开电磁球阀，对钢瓶充气。在充气过程中，系统定时读取钢瓶表面的温度，并检查其与环境温度的差值是否合法。一旦检验结果超出设定的安全范围，系统则认为钢瓶已经充满，即刻关闭电磁球阀，停止充气。充气结束后，系统将充气结果及参数上传给上位机，同时将信息记录在IC卡上，完成交易。
查询键用于完成信息查询。在上、下位机间不能正常通讯的情况下，系统任然可以控制钢瓶充气的过程。此时，所有的交易记录全部保存在下位机的FLASH中，按下查询键后，根据系统提示信息，通过上下键完成查询工作。
5 通讯协议
通讯协议用来规定上、下位机之间数据传输的格式和含义，是本设计的又一重点。它的合理性和优劣性直接决定着整个系统的性能指标，由命令字、数据格式和电子标签数据格式组成。
5.1 命令字（见表1）
5.2 数据格式
说明：字头：1字节1个ASCII码，40H 设备地址：1字节2个ASCII码，0—255（即0---0x0ffH）
标志：1字节2个ASCII码，bit0～bit7（bit0=0为读，bit0=1为写；bit=0为不打包；bit3bit2=00数据类型为字节，bit3bit2=01数据类型为字，bit3bit2=1x数据类型为浮点数）
数据地址：2字节4个ASCII码，0x0000～0xffff。
数据字节数：1字节2个ASCII码，1—100，实际读写的数据的字节数。
数据…：实际的数据转换为ASCII码，个数为字节数乘2。
异或：异或从设备地址到异或字节前，异或值转换成2个ASCII码。
CR：0x0d。
5.2.1 上位机发送读命令
下位机应答：
（1）正常：
（2）不正常：
5.2.2 上位机发送写命令
下位机应答：
（1）正常：
（2）不正常：
5.3 电子标签数据格式（见表2）
6 结束语
设计了一种智能钢瓶充气装置，该装置以P89V51RD2单片机为核心控制芯片，以FM1702作为读卡接口芯片，以RS-485总线完成上、下位机间的通讯。在充气过程中，通过计算钢瓶表面温度与环境温度的差值来判断是否停止充气。设计理念新颖，总体设计方案科学合理，具有一定的实际应用价值。
参考文献
[1] 郑惠娜，陈春燕，季炜淞等.基于STC12C5410AD的智能充气系统设计[J].电子测量技术报，2001（2）.
[2] 唐承佩，倪江群.基于MF-RC500的通用射频读写模块的设计[J].仪表技术与传感器，2005（7）.
[3] 沈红星.一种基于RS485总线的网络协议及其实现方法[J]单片机与嵌入式系统应用，2003（6）.
[4] 孙炳阳.使用89C52单片机的智能IC卡读写器[J].华侨大学学报（自然科学版），2002（2）.
[5] 位永辉，刘笃仁.基于MF RC500的非接触式IC卡读写器设计[J].新器件应用，2007（5）.
[6] 李科让.一种实用的非接触式IC卡读写器系统的设计[J].重庆邮电学院学报，2001（6）.
[7] 陈胜恩.IC卡系统技术与应用动向[J].磁记录材料，1998（4）.
[8] 李志刚.IC卡与智能收费系统[J].电子技术应用，1997（3）.
作者简介：黄宝山（1979—），男，甘肃靖远人，本科学历，现为酒钢集团肃北天亨矿业有限责任公司电气主管，主要从事工业电气自动化生产现场管理、高低压电气设备运行管理。
作者简介：杨栋（1982-），男，甘肃靖远人，硕士研究生学历，曾供职于兰州兰大小精灵新技术有限责任公司，任项目经理，现为兰州铁路局银川电务段工程师，主要从事铁路信号、计算机测控及工业现场总线方面的研究。
[关键词]RFID；IC卡；RS-485
中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）20-0284-03
1 系统架构
图1为智能充气装置的总体系统架构，智能充气装置选用工业级P89V51RD2单片机作为主控芯片，装置和上位机之间采用常见的工业现场总线RS-485实现数据通讯。RS-485总线具有低成本、易布线、传输距离远等优点，其理论传输距离可达1200米，工业现场可靠传输距离为800米。经试用，整个系统性能稳定，可靠性高。
2 业务流程分析
2.1 单片机状态转换图
智能钢瓶充气装置各种状态间的相互转换由下位硬件系统和上位软件系统协同完成，整个充装过程包括启动、等待、验证、判断、待机、充气和故障等状态。下位硬件系统通过严格的时序控制自动完成各个状态间的转换并和上位软件系统保持实时通讯。状态转换图如图2所示。
2.2 详细分析
1.读卡及卡信息验证
对气瓶IC卡的内的信息进验证：判断“当前气瓶状态”是否为007，表示气瓶通过预检；判断气瓶报废时间是否已到（报废时间<系统时间+30天），气瓶检测时间是否到期（检测时间<系统时间+30天）；该瓶的充装站编号是否与该机器内的充装站信息一致；气瓶种类是否符合规定；上述条件必须全部满足，信息验证方可通过。
2.运行监控功能
系统运行过程中，每0.5秒读取一次气瓶温度，与上位机参考温度进行比较，发现温度连续上升到设限值，自动报警（报警方式采用蜂鸣器，长时间急促声提示，同时LCD屏上显示气瓶的当前温度值及与参考环境温度的差值）、输出报警开关量。
3.写卡功能
摘接机前，系统根据上位机给出的气瓶状态值写入IC卡的stat数据栏及充装的气体种类和充装压力，写入数据成功后，系统提示写卡成功，用户可以摘除传感器。
4.设置运行参数（由上位机分发给下位机）
当前时间time（年、月、日、时、分），以上位机时间数据为标准；温度上升报警上限值；充装的气体（如：高纯氧、工业氧、医用氧、普通氧、低纯氧等）；充装站编号；重装机编号；充装压力。
5.保存300条充装数据记录（含未通过验证的），记录按FIFO的规则，可通过上、下键查阅，同时可通过网络上传至上位机，上传过的可删除。
6.机器工作状态
等待：等待上位机发送机器设置指令或等待用户读卡操作；验证：气瓶读卡后取得气瓶关键数据后验证是否通过验证；待机：验证通过后，等待充气指令；充气：接受充气指令后启动温度传感器，开始监控温度，每500ms采集一次；故障：如果上述过程中有故障，则进入故障状态。
3 硬件设计
3.1 系统硬件框图
本装置的硬件部分由单片机、A/D、键盘、显示器、RFID读写模块、红外测温、环境测温、接收和发送天线、电源、时钟及RS-485通信接口等构成。上述几个部件与器件以周密的逻辑设计配合，通过程序控制完成对钢瓶的充气过程。系统硬件框图如图3所示。其中，IC卡读写电路为本设计的重点，其余电路在常见控制系统中通用，设计较为简单，笔者不再赘述。
3.2 IC卡读写电路
非接触式IC卡作为电子标签安装在钢瓶的规定位置，用来区别钢瓶的类别、记录钢瓶用户的个人信息及缴费金额、余额等。本设计采用FM1702作为读卡芯片，工作在13.56MHZ频段。其D0～D7数据位通过总线和单片机的I/O口连接，在单片机的严格时序控制下，配合天线完成对IC卡的读写。设计电路如图4和图5所示。
4 软件设计
智能充装系统在待机状态下通过查询方式扫描4个功能键，从而完成每个功能键所对应的处理工作，系统流程图如图6所示。
读卡键用于IC卡读写操作，当读卡键按下时，系统开始扫描卡片。如果扫描到卡片，系统进入IC卡处理子程序；如果在限定的时间范围内没有扫描到卡片，则退出卡片扫描程序，重新进入键盘扫描程序。
测温键用于测量环境温度，当测温键按下时，系统读取环境温度，并将结果显示在LCD界面上。正常情况下，系统完成读取和显示操作后重新进入键盘扫描程序；异常情况下，系统显示异常并报警。
验证键的处理程序是整个系统的核心部分。当验证键按下时，系统开始验证钢瓶的合法性，通过合法验证的钢瓶即刻进入红外测温子程序。系统通过读取钢瓶表面的温度与环境进行对比，如果对比结果在设定安全范围之内，则控制系统打开电磁球阀，对钢瓶充气。在充气过程中，系统定时读取钢瓶表面的温度，并检查其与环境温度的差值是否合法。一旦检验结果超出设定的安全范围，系统则认为钢瓶已经充满，即刻关闭电磁球阀，停止充气。充气结束后，系统将充气结果及参数上传给上位机，同时将信息记录在IC卡上，完成交易。
查询键用于完成信息查询。在上、下位机间不能正常通讯的情况下，系统任然可以控制钢瓶充气的过程。此时，所有的交易记录全部保存在下位机的FLASH中，按下查询键后，根据系统提示信息，通过上下键完成查询工作。
5 通讯协议
通讯协议用来规定上、下位机之间数据传输的格式和含义，是本设计的又一重点。它的合理性和优劣性直接决定着整个系统的性能指标，由命令字、数据格式和电子标签数据格式组成。
5.1 命令字（见表1）
5.2 数据格式
说明：字头：1字节1个ASCII码，40H 设备地址：1字节2个ASCII码，0—255（即0---0x0ffH）
标志：1字节2个ASCII码，bit0～bit7（bit0=0为读，bit0=1为写；bit=0为不打包；bit3bit2=00数据类型为字节，bit3bit2=01数据类型为字，bit3bit2=1x数据类型为浮点数）
数据地址：2字节4个ASCII码，0x0000～0xffff。
数据字节数：1字节2个ASCII码，1—100，实际读写的数据的字节数。
数据…：实际的数据转换为ASCII码，个数为字节数乘2。
异或：异或从设备地址到异或字节前，异或值转换成2个ASCII码。
CR：0x0d。
5.2.1 上位机发送读命令
下位机应答：
（1）正常：
（2）不正常：
5.2.2 上位机发送写命令
下位机应答：
（1）正常：
（2）不正常：
5.3 电子标签数据格式（见表2）
6 结束语
设计了一种智能钢瓶充气装置，该装置以P89V51RD2单片机为核心控制芯片，以FM1702作为读卡接口芯片，以RS-485总线完成上、下位机间的通讯。在充气过程中，通过计算钢瓶表面温度与环境温度的差值来判断是否停止充气。设计理念新颖，总体设计方案科学合理，具有一定的实际应用价值。
参考文献
[1] 郑惠娜，陈春燕，季炜淞等.基于STC12C5410AD的智能充气系统设计[J].电子测量技术报，2001（2）.
[2] 唐承佩，倪江群.基于MF-RC500的通用射频读写模块的设计[J].仪表技术与传感器，2005（7）.
[3] 沈红星.一种基于RS485总线的网络协议及其实现方法[J]单片机与嵌入式系统应用，2003（6）.
[4] 孙炳阳.使用89C52单片机的智能IC卡读写器[J].华侨大学学报（自然科学版），2002（2）.
[5] 位永辉，刘笃仁.基于MF RC500的非接触式IC卡读写器设计[J].新器件应用，2007（5）.
[6] 李科让.一种实用的非接触式IC卡读写器系统的设计[J].重庆邮电学院学报，2001（6）.
[7] 陈胜恩.IC卡系统技术与应用动向[J].磁记录材料，1998（4）.
[8] 李志刚.IC卡与智能收费系统[J].电子技术应用，1997（3）.
作者简介：黄宝山（1979—），男，甘肃靖远人，本科学历，现为酒钢集团肃北天亨矿业有限责任公司电气主管，主要从事工业电气自动化生产现场管理、高低压电气设备运行管理。
作者简介：杨栋（1982-），男，甘肃靖远人，硕士研究生学历，曾供职于兰州兰大小精灵新技术有限责任公司，任项目经理，现为兰州铁路局银川电务段工程师，主要从事铁路信号、计算机测控及工业现场总线方面的研究。