公共自行车租赁系统混合锁桩设计与实现第4章.docx
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公共自行车租赁系统混合锁桩设计与实现第4章
混合锁桩硬件设计
上一章详细介绍了混合锁桩整体设计，从硬件和软件两方面进行分析，完成了主要芯片的选型和软件总体设计。
混合锁桩硬件设计是基于充电桩的设计，本章按照功能模块设计硬件电路，给出了各功能模块的详细硬件设计，从PCB板布局布线和预防电磁干扰考虑，完成了PCB板的制作。
4.1混合锁桩硬件详细设计
混合锁桩体现在普通桩与充电桩的混合，普通桩为一期系统锁桩，本章针对充电桩进行硬件详细设计。
结合本文第三章给出的混合锁桩硬件总体设计方案，确定了各功能模块与主要芯片，得出充电锁桩硬件详细设计框架如图4.1所示。
图4.1充电锁桩硬件详细设计框图
充电桩电路设计以STM32F107为主控芯片，主要实现用户卡租还车功能。
硬件设计主要包括：
最小系统核心模块、通信模块、读卡模块、语音模块、车锁控制模块、电源模块。
读卡模块采用寄存器方式切换双天线，锁桩采集用户及车辆信息，由通信模块传输至站点。
下文对充电锁桩各功能模块电路进行详细设计。
4.2锁桩硬件电路设计
14.2.1锁桩最小系统设计
STM32单片机最小系统由单片机、时钟电路、复位电路、电源电路组成[23]。
下面对最小系统电路作简要分析。
1.时钟电路
STM32F107芯片引脚OSC_IN（12脚）和OSC_OUT（13脚）分别为芯片内部振荡电路输入端和输出端。
外接定时元件（一个石英晶体和两个电容），内部振荡器可发生自激振荡。
时钟电路中石英晶振为25MHz，两个电容为33pF/10V。
图4.2电源电路
2.复位电路
复位电路的目的是让整个系统重新启动，强制系统恢复到起始状态，促使最小系统稳定工作。
3.电源电路
锁桩供电电压为24V，锁止器工作电压与锁桩供电电压一致，控制电压为5V，STM32单片机工作电压为3.3V。
因此，设计多级电源转换电路。
入口电压由24V转换至5V，再由5V转至3.3V。
考虑到24V直接转5V压降过大，中间增加一级12V过度电路，锁桩电源电路见图4.2。
为方便测试，在电源转换输出端口预留12V、5V、3.3V测试点，测试点后级设计0欧姆电阻，调试电源电路时不焊接。
24.2.2射频识别模块
RFID（RadioFrequencyIdentification，射频识别）读卡器由射频读写芯片FM1702、天线和外围电路组成，天线发射电磁能量为卡片供能[24,25]。
该芯片通过SPI接口与控制器连接，同时驱动两路射频天线。
双天线分别控制车辆卡与用户卡的读写，用于缩短租还车时间。
读卡器硬件连接如图4.3所示。
图4.3FM1702SL硬件连接图
1.读卡器天线设计
天线阻抗匹配是天线设计的难点。
根据天线尺寸经估算公式计算线圈电感，查找线圈电感与匹配电容容值对应关系，以此容值作为天线调谐起始值。
天线电感估算公式为：
式中，
——天线线圈电感
——天线一圈导线的长度
——天线线圈宽度
——天线形状常数（环形天线K=1.07，矩形天线K=1.47）
——线圈匝数
大天线为矩形天线，
，
，
，
，大天线线圈电感
；小天线为环形天线
，
，
，
，小天线线圈电感
。
表4.1线圈电感与匹配电容取值
天线线圈电感/uH
Cs/pf
Cp1/pf
Cp2/pf
1.3
15
180
180
1.4
15
150
180
1.5
15
150
150
1.6
15
120
150
根据大小天线线圈电感查找线圈电感与匹配电容对应表，如表4.1所示。
获得大天线起始容值：
Cs：
15，Cp1：
120，Cp2：
150；小天线起始容值：
Cs：
15，Cp1：
180，Cp2：
180，电容材料选用NPO电介值且误差为±2%。
天线采用PCB线圈，天线电路如图4.5所示。
天线设计时，因Cp电容影响天线谐振频率，将此电容设计为两并联电容。
天线调谐时，固定某电容容值，对另一电容微调。
小天线运用环境较大天线更恶劣，Cs电容也设计为两电容并联，分两级微调，提高天线参数调谐精度。
天线电路设计如图4.4所示（原理图标号唯一，大天线Cs标号为C1，Cp1标注为C2，Cp2标注为C3）。
图4.4天线设计
2.读卡器滤波电路
天线匹配电路调节天线发射谐振频率至13.56Mhz，匹配发射电路电阻至读卡芯片输出电阻附近，使得天线部分获得最大功率，提升读卡距离[26]。
图4.5滤波电路
滤波电路设计如图4.5所示。
读卡芯片内部携带TX1和TX2两路发射信号，大小天线共用RX接收端，接收端分别从大小天线处接入820Ω电阻作为分压器。
34.2.3CAN总线通信模块
CAN总线通信设计包括CAN控制器和收发器。
本设计中STM32主控自带CAN总线控制器。
CAN收发器是CAN控制器和物理总线之间的接口，将CAN控制器的逻辑电平转换为CAN总线的差分电平，在两条平行总线上传输数据。
其选型主要考虑收发器的驱动能力（最大节点数）、信号电平、通信速率和抗干扰能力。
收发器根据通信速率的不同，分为隔离收发器、高速收发器和容错收发器。
本节针对目前市场上主流的CAN总线收发器做对比分析，如表3.1所示。
同时，结合项目应用场景，选择最合适的收发器件。
表4.2CAN总线收发器比较
芯片型号
节点数
通信速率/Kbps
分类
备注
CTM1051
110
隔离收发器
具有隔离、静电保护能力
TJA1050
110
50-1024
高速收发器
支持较高的CAN通信速率
PCA82C251
110
0-50
通用收发器
支持较低的CAN通信速率
本设计选用带隔离、静电保护的收发器CTM1051，该芯片具有较高的抗干扰能力，工作温度范围在-40℃—+85℃，满足环境温度和静电防护的需求。
收发器CTM1051负责电平转换，自带保护电路，其工作电压为为4.5V~5.5V（DC5.0V±10%），CAN总线设计如图4.6所示。
图4.6CAN总线收发器设计
引脚TXD和RXD分别为数据收发引脚，CANH、CANL分别为CAN总线高低电平接口[27,28]。
为避免信号在电缆中传播时产生反射，引起电平变化，在CAN总线终端并联120欧姆“终端电阻”，降低信号传播反射[29]。
44.2.4PSAM智能卡接口模块
PSAM（PurchaseSecureAccessModule，销售点终端安全存取模块）卡有两类（A类和B类），通过供电电压区分。
A类为5V供电，B类为3.3V供电，本设计为B类PSAM卡[30]。
PSAM智能卡接口设计如图4.7所示。
图4.7PSAM智能卡接口电路
54.2.5存储模块设计
站点以锁桩编号为依据实现锁桩的动态管理，锁桩编号与锁桩位置一一对应。
首次启动时，管理人员依次为锁桩分配编号，安装位置决定锁桩编号顺序。
编号分配后固化于锁桩内部，掉电重启后不丢失、不更改。
外挂存储设备能达到锁桩编号存储的目的，Flash存储芯片具有高效永久存储能力，通过SPI接口即可读写，FLASH存储模块硬件连接如图4.8所示。
图4.8FLASH存储模块硬件连接图
64.2.6串口通信模块设计
原显示板与锁桩通信方式是串口。
为提高显示板的通用性，实现通信接口兼容，显示板和电量板均采用串口通信。
STM32处理器自带多路串行接口，输出TTL（TransistorTransistorLogic，逻辑电平）电平经SP3232芯片转换。
显示板和充电板分别实现屏幕显示与电量检测，由锁桩板统一供电。
因此，连接接口除发送（TX）与接收（RX）引脚外，设计5V电源。
串口通信接口电路如图4.9所示。
图4.9显示板与充电板串口通信设计
74.2.7语音模块设计
语音是判断租还车成功的重要手段，常见支持语音拷贝功能的语音芯片有ISD1760、PM66，本节对两款语音芯片做对比分析。
表4.3语音芯片比较
芯片型号
采样率
烧录方式
拷贝方式
ISD系列
外部振荡电阻调节采样率，采样率固定
手动计算语音地址分布，依次烧录语音文件
烧录语音时地址分布连续才能拷贝
PM66系列
软件调节采样频率，采样率可变
依据音频文件大小自动分配录音地址空间
直接拷贝
从语音拷贝难易程度考虑，语音芯片选用较为成熟的PM66，该芯片有PWM（IpulseWidthModulation，脉冲宽度调制）和DAC（DigitaltoAnalogConverter，数字模拟转换器）两种输出方式。
PWM能直接推动8欧姆0.5W喇叭；DAC需要外接功放器件。
根据3.1节混合锁桩需求分析知，锁桩分时段自主调节音量大小，DAC输出方式能满足设计要求。
在语音芯片后端与功放芯片前端设计译码电路，通过译码器选择功放电路阻值，控制功放芯片LM4871输出增益，达到音量控制的目的。
语音模块硬件电路设计如图4.10所示。
图4.10语音模块硬件连接图
84.2.8锁止器控制模块设计
锁止器控制接口电压为5V，主控芯片控制引脚电压3.3V，无法直接控制锁止器工作。
三极管的开关特性能很好解决控制端电压不匹配问题，双锁硬件控制电路如图4.11所示。
LOCK为高电平时，S9013三极管导通，CTRL接口下拉至低电平，此时锁止器弹出，状态信号ON为高电平，OFF为低电平；同理，LOCK为低电平时，S9013三极管截止，CTRL接口拉高至5V，锁止器弹入，状态信号ON为低电平，OFF为高电平。
图4.11锁止器控制电路
4.3PCB设计分析
本章4.2节完成PCB设计前期准备，PCB设计主要考虑电路板层面、元器件封装、铜模导线、过孔、焊盘、地与电源线的绘制，元器件、去耦电容放置以及电磁兼容控制等设计问题。
本文设计的PCB包含差分电路、晶振电路、退耦电路、模拟信号以及数字信号，在设计时考虑差分对布线、数字电源和模拟电源的隔离，射频阻抗匹配以及电磁兼容等。
14.3.1PCB布局设计
锁桩PCB板为两层设计，机械尺寸：
100mm×100mm。
首先，确定定位安装，然后合理布局电路元器件，最后完成走线工作。
PCB布局是布线的基础，在布局时按照功能模块就近集中原则[31]，考虑外设芯片封装尺寸和通信接口电路。
根据锁桩板尺寸调整布局，缩短走线长度。
读卡模块和语音模块包含模拟电路，与数字电路分开放置。
CAN总线差分信号对平行走线，电源模块与其它芯片、器件保持一定间距，处理器晶振和读卡器晶振放置位置紧靠时钟输入引脚。
锁桩PCB板布局如图4.12所示。
（1）电源的布局主要考虑芯片散热，以及对其他芯片的干扰，电源模块放置在左侧，与其他模块隔离。
（2）时钟电路靠近芯片时钟引脚，缩短时钟电路的连线[32]。
（3）数字电路芯片的电源和地之间放置IC去藕电容，电容靠近芯片电源引脚。
（4）处理器模块居中设计，外围模块围绕处理器布局。
图4.12锁桩PCB布局
24.3.2PCB板电磁干扰设计
本文设计的RFID读卡器包含13.56Mhz射频信号，CAN总线通信电路包含差分信号，其PCB具有潜在的电磁干扰，与纯数字电路设计有所区别。
射频天线布线时设定特征阻抗为50ohms，采用圆弧角布线，为避免磁场涡流效应，不对天线正反面敷铜[33]。
差分信号是平行、成对、等长信号，其抗干扰能力强。
CAN信号线采用差分走线，能相互抵消对外辐射电磁场，抑制电磁干扰。
布线时同层走线，设置差分信号线宽0.5mm，线间距0.5mm，与其他走线保持同等间距。
本设计根据PCB设计规则和注意事项，用AltiumDesigner13软件完成了锁桩板和读卡器天线的PCB绘制，分别如图4.13、图4.14所示。
图4.13锁桩PCB板
图4.14天线PCB设计
4.4本章小结
混合锁桩硬件设计是基于充电桩的设计，本章主要完成充电锁桩硬件电路设计。
首先按照功能模块设计硬件电路；然后根据功能模块进行详细设计，并完成了原理图的绘制；最后结合布局布线要求，完成锁桩板和大小天线PCB板的绘制。
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