1、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
2、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1 4.2.1 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
3、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。2 4.
4、2.2 射频识别模块RFID（Radio Frequency Identification，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4.3 FM1702SL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
5、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/uHCs/pfCp1/pfCp2/pf1.3151801801.4151501801.5151501501.615120150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
6、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820电
7、阻作为分压器。3 4.2.3 CAN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4.2 CAN总线收发器比较芯片型号节点数通信速率/Kbps分类备注CTM10
8、51110隔离收发器具有隔离、静电保护能力TJA105011050-1024高速收发器支持较高的CAN通信速率PCA82C2511100 - 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4.5V5.5V（DC5.0V10%），CAN总线设计如图4.6所示。图4.6 CAN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
9、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。4 4.2.4 PSAM智能卡接口模块PSAM（Purchase Secure Access Module，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4.7 PSAM智能卡接口电路5 4.2.5 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
10、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4.8 FLASH存储模块硬件连接图6 4.2.6 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（Transistor Transistor Logic，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
11、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7 4.2.7 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（Ipulse Width Modulation，脉冲宽度调制）和DAC（
12、Digital to Analog Converter，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8 4.2.8 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
13、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 4.3 PCB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
14、隔离，射频阻抗匹配以及电磁兼容等。1 4.3.1 PCB布局设计锁桩PCB板为两层设计，机械尺寸：100mm100mm。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
15、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2 4.3.2 PCB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Altium Designer 13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。
