钻具出入库自动检测系统毕业设计论文正文(编辑修改稿)

钻具出入库自动检测系统毕业设计论文正文(编辑修改稿)内容摘要：

签被激活，使电子标签将自身编码信号通过内置的射频天线发送出去。 （ 3） 读写器的接收天线接收到电子标签发出的调制信号，经内部的天线调节器将信号传送到读写器的信号处理模块。 （ 4） 经过解调和解码后，将有效信息发送给移动数据管理系统。 钻具出入库自动检测系统设计 11 （ 5） 移动数据管理系统根据逻辑运算识别该电子标签的身份，针对不同的设定作出相应的处理和控制，最后发送指令信号给读写器完成最后的读操作和写操作。 硬件设计 通讯及电源模块设计 本课题设计的自动检测系统的 USB 接口有着非常重要的作用，首先整个系统的电源是靠 USB 接口与 PC 机相连接，给系统供给 5V 的电源；其次整个系统还是靠USB 接口与 PC 机相连接，实现系统与上位机之间的通信。 现如今有许多 PC 机没有串口，将 CH341 芯片应用到单片机中，实现将 USB 接口转为串口的方法，可以解决一些 PC 机没有串口的尴尬。 在异步串口方式下， CH341 提供发送使能，串口接收就绪等交互式 的速率控制信号以及常用的 MODEM 联络信号，用于将普通的串口直接升级到 USB 总线。 CH341 是一个 USB 总线的转接芯片，一般来说，该芯片有四个功能用途。 通过USB 总线提供异步串口、打印口、并口以及常用的 2 线和 4 线等同步串行接口。 在异步串口方式下， CH341 提供串口发送使能，串口接收就绪等控制信号，以及常用的 MODEM 联络信号，用于将普通的串口设备直接升级到 USB 总线。 在打印口方式下， CH341 主要用于将普通的并口打印机直接升级到 USB 总线。 在并口的方式下， CH341 主要用于在不需要单片机 /DSP/MCU的环境下，直接输入输出数据。 最后， CH341 还可以支持一些常用的同步串行接口，如 2 线接口和 4 线接口。 图 CH341 芯片的主要功能 要想 CH341 芯片能够实现将 USB 接口转换为串口的功能，有几个引脚的连接是西南石油大学本科毕业设计（论文） 12 非常重要的。 （ 1） TXD 和 RXD 引脚：这两个引脚是与微控制器 STC89C54RD+的 TXD 和RXD 引脚相连接，实现微控制器控制读写器与测试应用软件的通信。 （ 2） 19 号引脚： TEN.只有当该引脚必须接地的时候，芯片才能够向单片机发送数据，当然这个引脚是由微控制器控制的，当微控制器有空闲接收的数据 的时候将该引脚设置为低电平就可以了。 （ 3） 8 号引脚：这两个引脚都是连接在 USB 接口上的，两者都是输入类型的引脚，其中 7 号引脚作为中断请求输入，上升沿有效； 8 号则是自定义通用输入。 （ 4） 除此之外，在该模块中还设计了一个开关，用来控制整个系统的电源开关。 天线模块设计 为了能够使读写器可以向外发射无线电载波信号和接收电子标签发出的信号，所以必须在读写器内部设置天线模块。 而且为了使天线能够最大功率传输，天线的芯片的输入阻抗必须和天线的输出阻抗匹配。 一般来说，天线可以分为全向天线和方向性天线。 对于仓库管理钻具 的标签来说，应该避免使用全向天线，使用的是方向性天线，方向性天线具有更少的辐射模式和返回损耗的干扰等优点。 对大多数的 RC 500 芯片来说，都是低功耗设计，因此电子标签和天线之间的耦合系数必须满足一定的值，不能相差太大，一般不能低于。 下表是当电子标签与天线之间的耦合系数为 的情况下，天线大小与距离之间的关系表。 表 天线大小与距离的关系表 大小（ mmmm） 距离（ mm） 5050 7 6554 10 8554 12 为了能够使天线能够最大功率的传输信息，天线模块的设计要考虑到 几个主要的物理参量。 包括磁场强度，最佳天线直径，近场耦合，调谐，电感的估算，天线的品质因数等。 经过事实证明：对于圆形线圈的磁场强度来说，当较大的天线在较远的距离处可以呈现出较高的磁场强度。 至于最佳天线直径，每一个读写器都有自己适合的天线最佳直径，并不是天线直径越大越好，也不是越小越好，而是在合适的直径上。 然而实际中的电路设计大部分都可以等效成一 个 RLC 谐振电路 ，本课题设计的天线电路就是这样的。 天线主要包括了滤波器，接收电路，天线匹配电路，和天线线圈。 天线获取信号钻具出入库自动检测系统设计 13 后通过天线匹配电路传到 RC 500 芯片的 RX 引脚，然后再经过该芯片内部的处理，通过并行接口发出数据。 此外， RC 500 芯片的 TX1， TX2， DVSS,TVSS,AVSS,WMD等引脚都是与天线模块相连接的。 这些引脚都有自己的功能，其中 TX1， TX2 引脚主要起到天线驱动器的功能，有输出缓冲的作用； DVSS,TVSS,AVSS 起到电感隔离的作用，而 WMD 引脚则是模拟参考电压。 由于现实所设计的大部分天线模块的电路都可以等效成一个 RLC 谐振电路 ，所以可以将所有的天线模块等效成一个如图 这样的等效电路。 其中 R为 TX1 和 TX2之间天线线圈的电阻消耗 ， C 为线圈与 TX1 和 TX2 之间的电容消耗， L 为天线线圈电感。 图 天线线圈等效电路 整个等效电路是将电容 C 和天线线圈电路并联，所以可以看成是一个振谐电路，振谐频率就是 ,其值是由汤姆逊公式得来的： 从（ 1）式子中可以看出频率 f 与 LC 有关。 一般来说，读写器设备与天线之间的连接方式有两种。 一种是适用于射频模块和天线之间的距离比较近的系统，采用直接匹配的天线；另一种是距离较长的系统，采用 50 欧匹配的天线。 本课题设计的系统就是采用的第一种，直接匹配的天线。 而且在整个读写器中，其工作 频率是由一个 的石英晶体发出的，在工作过程中会产生高次谐波，所以在设计电路时在射频模块的发送端口 TX TX2 引脚和地 TVSS， DVSS 之间引入一个滤波器电路。 如图 所示：其中 L1 和 L2 均为,两个电容为 47uH。 读写器的天线有很多种形状，但常见的只有两种形状，就是圆环形和矩形的。 本次课题的设计就是采用矩形的天线线圈。 西南石油大学本科毕业设计（论文） 14 微控制器设计 本次课题设计采用的是用 STC89C54RD+来作微控制器，主要完成了数据的采集，处理，存储和控制整个硬件电路。 本次设计采用 STC 系列单片机 作微控制器，是因为该系列的单片机相对于其他系列的单片机有一定的优势。 STC 系列单片机可以降低成本，提升性能，原有程序可以直接使用，硬件无需改动。 而且使用时，直接使用STC_ISP 工具直接将 HEX 文件烧写进去即可，非常简单。 STC89C54RD+单片机中将可用的 Data flash(EEPROM)的地址分成了 64 个扇区，每个扇区 512 字节，一般最好只用 128 字节以下。 微控制器 STC89C54RD+和 MF RC500 芯片的主要引脚连接有： （ 1） 两者的 /RD,/WR 引脚相连接，来控制读操作和写操作； （ 2） 两个芯片的 /CS 相连接，控制整个系统的片选。 （ 3） 微控制器的 P00(AD0)到 P07(AD7)与 P10 到 P17 引脚同时连接在 RC 500芯片的 D0 到 D7 上，采用地址数据复用方式的连接方式。 （ 4） 此外两个芯片的 ALE,RST,IRQ 也是连接的，分别有地址锁存控制信号，复位，中断请求等功能，在整个微控制器中有非常重要的作用。 软件设计 整个系统除了硬件设计之外，软件设计也是相当的重要的。 本课题设计的系统的软件设计主要包括三个方面，包括主程序设计，显示屏程序设计， ISO14443 标准协议程序设计。 其中主程序中主要包括了系统的初 始化，相应上位机的各种命令；显示屏程序设计主要包括写命令，写数据，初始化，显示不同卡型号的数据； ISO14443标准协议程序设计主要包括寻卡，防冲撞，选卡，与上位机相对应进行操作。 主程序设计 本次设计的主程序包括两种情况，一种是带有显示屏的，另一种是没有显示屏的。 其中带有显示屏的是让读写器主动寻卡，只有当卡进入到读卡器的工作范围内时候，整个上位机才正常工作；而没有显示屏的是让读写器被动寻卡。 在带有显示屏的情况下，整个上位机先是默认的 ISO14443A 协议，然后再在显示屏上出现欢迎界面。 然后读卡器 开启天线，扫描是否有电子标签进入到读卡器的工作范围内，并且执行防冲撞函数，如果扫描到电子标签就显示卡的类型（钻具名称），然后再显示卡的序列号（钻具卡的 ID）。 在主程序设计中还包括了与上位机中的程序的功能的相对应，由于钻具出入库自动检测系统设计 15 整个设计采用的上位机是已经设计好的软件，所以在主程序设计中就必须编写与上位机功能相对应的功能函数。 因此，主程序中的设计大部分是与上位机的功能有关的，单片机中的程序主要包括了系统初始化， MF RC500 芯片初始化，响应上位机发送的天线命令，响应上位机的验证 A 卡秘钥的命令，响应上位机的读卡命令，响应 上位机的写卡命令，以及串行中断，接收上位机的数据等函数。 图 主程序流程图 从图 可以看出整个主程序的流程图，这里的开始主要是指给硬件供电，打开电源，系统初始化，芯片初始化后一个延时函数，这个延时时间非常短，基本上可以忽略不计，然后再是显示屏初始化，显示屏显示欢迎界面。 然后通过寻卡来判读是否有钻具卡进入到读写器的工作范围内，如果没有钻具卡，则继续处于寻卡状态；如果扫描到钻具卡的存在，显示屏则显示钻具卡的名称和 ID，而且上位机可以接收到钻具卡的序列号，上位机可以对钻具卡进行操作。 最后判断卡是否移开，如果钻具卡移开，读写器又处于寻卡状态，如果没有移开，显示屏仍然显示钻具卡的信息，不 再寻西南石油大学本科毕业设计（论文） 16 卡。 主程序的设计模块主要可以分成三个模块来实现：初始化模块，主要包括系统初始化，显示屏初始化，芯片初始化，以及默认的标准协议；显示屏模块，主要是调用显示屏模块中的函数来实现在显示屏上显示钻具卡的名称和 ID。 上位机功能模块，主要是用 switch case 结构来实现上位机功能函数的调用。 图 主程序结构图 首先是初始化模块包括以下几个方面： （ 1）系统初始化，用的是 InitializeSystem（）来表示。 该函数主要用来实现两个功能： 功能一：设置整个系统的寄存器状态，主要包括了 TMOD,PCON,SCON 等寄存器状态的设置。 功能二：波特率的设置，本次设计的波特率设置为 19200，用 TH1=TL1= BOUND19200 来表示。 （ 2） 显示屏初始化，用的是 initial_LCD（）来表示。 在显示屏初始化中主要实现了五个功能： 功能一：设置显示屏与单片机的连接为并口，用 PSB=1 表示； 功能二：在屏幕初始化过程中，必须要清屏，用 WriteCommand（ 0x01）表示； 钻具出入库自动检测系统设计 17 功能三：设置 8 字节界面，用 WriteCommand（ 0x30）表示； 功能四：整体显示设置，用 WriteCommand（ 0x0c） 表示； 功能五：输入方式设置，光标右移，地址位加 1，而且是整体右移。 用WriteCommand（ 0x06）表示； （ 3）初始化 RC500 芯片，用的是 Rc500Ready（）来表示。 用一个变量 status来记录是否有卡的到来，先要设置该变量为复位 RC500 的函数 PcdReset（）。 然后用MI_OK 来代表卡，当 status 不等于 MI_OK 的时候，继续赋值 status 为 PcdReset（），就是继续复位。 只有当 status 等于 MI_OK 的时候，蜂鸣器发出一声响声，灯亮一下。 用 BELL = 0， redled = 0 来表示。 （ 4）整个系统默认使用的是 typeA 协议的卡，用 PcdConfigISOType( 39。 A39。 )来表示，然后蜂鸣器再响一声表示读卡成功。 其次是主函数中调用显示屏模块函数来实现显示屏的显示： （ 1）显示屏初始化显示：“西南石油大学计科，请刷钻具卡。 ”。 调用 文件中的 DisplayLcd（）来实现； （ 2）显示钻具卡的名称：调用寻卡函数 RequestA（）来实现。 在该函数中用一个 status 来标记是否有卡的存在，然后用 do while 来进行判断，如果有钻具卡的存在，调用底层文件 文件中的寻卡函数 PcdRequest（）函数，并且赋值给 status。 然后送显示卡类型的函数 disCardTYPE（）。 底层文件 ISO14443A 协议中的寻卡函数主要有两个参数变量，第一个参数变量表示的是寻卡的方式，通常情况下有两种情况，第一种是用 0x52 表示寻所有符合ISO14443A 协议的卡，第二种是用 0x26 表示寻未进入休眠状态的卡。 第二个参数变量表示的是卡的类型，其中 0x0400 就表示石油钻杆类型的卡片。 （ 3）显示钻具卡的 ID：直接调用显示屏文件 中的函数 disCardID（）来实现。 最后一部分也是本次设计最重要的一部分之一，就是上位机功能模块的实现： 首先用伪代码的形式来表示整个。