奶牛数字化虚拟仪器测控网络USB的通信设计

耿丽微+李泉辉

摘要： 针对传统的奶牛养殖场数字化管理系统开发RS232串行总线通信方式的局限性，使用由FTDI公司的通用串行总线（USB）转TTL串口的UART模块FT232BL实现奶牛养殖场数字化管理关键技术中多子系统与上位机的自由通信。上位机利用虚拟仪器开发工具（LabWindows/cvi）开发，下位机为笔者所在研究室专为奶牛场开发的射频读卡器。重点论述奶牛数字化虚拟仪器测控网络中USB通信设计，并给出阅读器软硬件和主机的软件系统结构的设计与实现。

关键词： 奶牛；养殖场；数字化管理；USB-UART模块；射频；虚拟仪器

中图分类号： TP277.2 文献标志码： A 文章编号：1002-1302（2016）03-0431-03

随着我国科学技术水平的不断发展，以奶牛为主体的畜牧养殖数字化程度不断提高，奶牛养殖的数字化和信息化已成为奶牛养殖业发展的大势所趋。当前，国内大部分中小型奶牛养殖场主要依靠饲养员的观察来获取奶牛个体的信息及牛舍内的相关信息，相较依托现代通信技术和网络信息技术实现对所有奶牛的实时监控管理手段已落后很多[1]。本试验通过深入分析、细致研究，主要探讨系统开发过程中多个测控子系统（如奶牛场综合信息监控系统，奶牛个体信息自动化采集、身份识别和行为监测等）与上位机连接所需的计算机外设接口的选择问题。

我国传统的奶牛场通常采取RS232串口或其他串行总线方式来实现数字化管理系统的数据采集部分，但是由于采用RS232串口通信存在接口连接复杂、传输速效低等不足之处，而采用通用串行总线（USB）则较好地解决以上问题。USB接口具有即插即用、安全性高、高传输速率等优点，并结合现代数据传输技术，实现与计算机之间高速安全的数据通信，解决传统通信技术带给大家的不便。因而以计算机为上位机的测控系统中采用FTDI公司的 FT232BL设计的USB转TTL串口的UART模块，作为奶牛场开发的射频识别（RFID）系统的通信主控芯片[2]，可以很好地解决奶牛场多个测控子系统与上位机的通信问题，实现奶牛场各种参数的实时采集。因此，本研究采用USB接口转串口的方案与PC机进行通信，很好地解决了奶牛养殖场PC机串口资源需求较多的问题。

本研究主要介绍利用USB-UART桥接芯片实现上位机与读卡器通信的软硬件设计，以及根据通信协议实现单片机对射频芯片操作的软硬件设计。该系统上位机程序由虚拟仪器开发工具（LabWindows/cvi）开发，读卡器的开发是利用 Atmel 公司的AVR单片机系列的ATmega162单片机、Philps公司的MF RC500射频识别读写器芯片、FTDI公司的 USB-UART 桥接电路模块FT232BL、Mifare One卡等设计[3]。

1 USB接口通信协议设计

由于计算机会自动识别USB转TTL串口的UART模块FT232BL并为其虚拟成模拟串口，所以PC机与卡读写器的操作可以看作通过RS232串口连接，PC机通过规定格式的数据（或调用动态连接库）向卡读写器发送命令，并接收卡读写器返回的数据，传送的数据为16进制。PC机为主，卡读写器为从，卡读写器始终处于应答状态，不主动向PC机发送命令。

命令格式采用“命令头+长度字+设备标识符+命令码+命令内容+校验字”。命令头用2BYTE用0xAADD表示；设备标志为2BYTE；命令码用1BYTE表示；命令内容为命令报文（可以为空）；校验字为1BYTE、从长度字取反到命令内容的逐字节异或。例如发送AA BB 05 FA 00 00 01 03 F8表示串口初始化命令，读卡器接收该数据后将执行初始化串口操作波特率设置为9 600 bps。

2 读卡器硬件设计

RFID 射频读写器的硬件电路主要由电子标签读写芯片、通信天线电路、处理器核心芯片（AT-MEGA162）和USB转串口硬件电路4个部分组成。其中，与电子标签通信的射频信号产生、安全认证、信号的调制及解调和防冲突等全部由标签读写芯片来完成，本研究以MF RC500作为电子标签的读写芯片，FT232BL为上位机与微处理器通信的USB主控芯片，整个系统对电子标签的读写操作是通过微控制器对读写芯片的特殊寄存器操作来完成的。因此，MF RC500可以看作微控制器与电子标签之间信息交换的媒介，微控制器只须将特定的指令传送给MF RC500，就可以通过读写器硬件电路实现与电子标签的信息交互。

2.1 FT232BL硬件电路设计

读写器的数据是通过USB接口传送到主机的。下位机与PC之间通信的主控芯片采用工控界中最好的FTDI公司设计的 USB转TTL串口的UART模块FT232BL。FT232BL提供的USB转232串口在RS232和USB口之间很容易建立可靠的连接，其连接PCB原理如图1所示。

FT232BL是环保无铅产品，其USB端口到串行端口通信，支持RS232串行端口及RS422等的介面，其虚拟串口驱动程序（VCP）支持Windows 98及98 SE、Win 2 000、WinME、WinXP、MAC OS-8及MAC OS-9、MAC OS-X、Linux 2.4等，其USB驱动程序（D2XX）支持Win 98及98 SE、Win 2 000、WinME、WinXP 等系统，完全兼容USB V2.0 规范，支持384 B接收缓存和128 B发送缓存。USB全速连接 12 Mb/s；USB总线直接取电，无需外接电源；支持自动握手协议；高达1 Mb/s（RS232）或者3 Mb/s（RS422/RS485）的传输速率；支持远程唤醒和电源管理[4]。

2.2 主控芯片及射频芯片硬件电路设计

该读写器的MCU控制核心采用AVR系列的 ATMEGA162 单片机，射频卡读写芯片采用Philps公司的MF RC500。该MCU的ALE、8路外部数据/地址线以及WR和RD使其可以方便地与RC500物理引脚进行连接和通信[5]，并且 ATMEGA162 的SPI接口、2个串口和3个外部中断等丰富的硬件资源，可以很好地完成读写器集成设计。PCB电路原理如图2所示。

2.3 读写天线硬件电路设计

本设计采用直接匹配的天线设计方式，天线电路由射频模块接收电路、天线和匹配电路与滤波和电阻转换电路3个部分组成。电子标签选择符合ISO14443typeA接口标准的Mifare1卡，作为无源电子标签卡，它是通过读卡器天线（根据变压器原理）获得能量的。ISO14443typeA标准规定读卡器与卡之间采用100%的ASK、Miller编码、副载波负载调制的方式进行数据传输[6]。读卡器天线设计原理如图3所示。

2.4 读写电路板的制作

该读写器电路板采用2层设计，通过天线底层设计不封闭的屏蔽环来吸收天线线圈产生的电场，从而改良天线EMC[7]。图4为该读卡器的PCB板图。

3 系统软件设计

系统软件设计主要包括PC机的软件设计以及单片机的软件设计2部分。PC机软件由虚拟仪器开发工具（LabWindows/cvi）开发，单片机程序的开发则利用单片机C语言开发，且通过JTAG仿真调试。

3.1 PC机软件的设计

PC机软件由虚拟仪器开发工具LabWindows/cvi开发，PC机会识别USB设备为模拟串口。所以，PC机软件由虚拟仪器开发工具LabWindows/cvi开发，全部为对标准RS23串口操作。所用到的函数包括打开及串口初始化、读/写以及关闭串口等，主要函数如下：

OpenComConfig （4，“COM4”，19200，0，8，1，512，512）；//串口初始化与连接ComWrtByte （4，0xaa）；//向单片机发送一字节数据ComRdByte （4）；//接收单片机一字节数据CloseCom （4）。//关闭串口上位机。

界面及与奶牛卡片数据块四通信结果如图5所示。

3.2 单片机软件的设计

单片机软件控制程序主要包括与上位机进行UART串行通信的部分和通过对射频模块进行寄存器命令初始化、读写、中断处理等2部分。该读卡器的控制芯片为ATMEGA162，其有2个UART端口，其中本USB串口芯片UART0：UART1用于其他功能扩展接口，可以做成计步器的上位机，从而使该设计更加简约。

串行通信用C语言编写，其中接收中断处理函数为该系统的核心负责接收上位机数据的校验，以及根据命令对单片机以及射频读写芯片的操作[8]。利用ATMEGA162的中断模式实现串行通信程序如下：

void USART0_Init（unsigned int baud）；//串口初始化

ISR（USART0_TXC_vect）；//发送中断处理

ISR（USART0_RXC_vect）；//接收中断处理

读卡器操作函数及实现程序如下：

char PcdRequest（uchar req_code）//寻卡函数req_code为寻卡方式：req_code=0x52时寻天线区内所有符合14443A标准的卡，req_code=0x26时只寻未进入休眠状态的卡char PcdAnticoll（uchar *snr）防冲撞：寻卡成功后，通过此函数向天线区内卡片发送防冲撞命令，无论天线区内有几张卡此函数只得到一张卡片的序列号Pcdselect（）//选卡，则所有后续命令针对此卡PcdHalt（）//命令此卡进入休眠状态，再寻未进入休眠状态的卡，可进行其他卡片的操作snr=存放序列号（4byte）的内存单元首地址char PcdSelect（uchar *snr）//选定一张卡void WriteRawRC（uchar Address，uchar value）//写RC500寄存器ucahr ReadRC（uchar Address）//读RC500寄存器等。

4 测试结果分析

为了验证USB通信接口在测控网络工作的可靠性，采用6张Mifare One卡作为身份标识节点。在河北农业大学测控实验室进行数据测试。把FT232BL设备与计算机连接，驱动程序安装后，在设备管理器中会有FT232BL虚拟的COM口。采集结果如表1所示。

PC机通过射频卡读写器与奶牛射频卡通信结果表明，该设计能很好地读取射频卡的序列号以及卡特定存储区块的数据结果。该设计开发快捷、使用可靠，可以作为奶牛养殖场数字化管理关键技术研究课题中多子系统与上位机的通信标准模块。

5 结论

该设计中由USB转TTL串口的UART通信模块FT232BL被成功地嵌入到笔者所在研究室专为奶牛场开发的射频读卡器当中，可以方便地实现虚拟仪器测控网络中上位机与多下位机之间的通信，同时完成的为奶牛场设计的读卡器具有稳定可靠、成本低和响应快等优点，对奶牛场RFID系统的推广具有重要意义。

参考文献：

[1]柳平增，丁为民，汪小旵，等. 奶牛发情期自动检测系统的设计[J]. 测控技术，2006，25（11）：48-51.

[2]孙智刚，梁卫波. RFID技术发展趋势预测研究[J]. 商场现代化，2012（22）：22-24.

[3]郭建强，彭 华，王泽勇，等. MSP430系统与PC机通信的USB接口设计[J]. 信息技术，2012（8）：102-107.

[4]刘 建，武树飞. 基于FT232BL的USB接口快速设计[J]. 舰船电子工程，2009（6）：51-54.

[5]沙 超，董挺挺，王汝传，等. 无线传感器网络硬件平台的研究与设计[J]. 电子工程师，2006，32（5）：52-55.

[6]Future technology devices international FT232BL designers guide[EB/OL]. （2006-08-16）[2014-11-05]. http：//www.ftdchip. com.

[7]Philips Semiconductors. MF RC500 Highly Integrated ISO14443A Reader IC-Preliminary Product Specification Revision 2.0 CONFI-DENTIAL[M]. Austria：Philips Semiconductors Gratkom GmbH，2001.

[8]ISO/IEC 14443-4—2001 无接触点集成电路卡传输协议[S]. 江苏农业科学，2016，44（3）：434-438.