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當前，有很多的企業(yè)是采用佩戴工作證來(lái)完成門(mén)禁管理，而且還是采用傳統的人工方式完成，不僅容易被人混入，且沒(méi)有記錄，存在各種人為的失誤。同時(shí)，市場(chǎng)上門(mén)禁系統存在傳輸距離受限制、性能不佳等問(wèn)題。 隨著(zhù)嵌入式技術(shù)日新月異的發(fā)展，以及以太網(wǎng)技術(shù)的普及，使得基于以太網(wǎng)的嵌入式產(chǎn)品越來(lái)越多，發(fā)展也越來(lái)越快。本文研究的就是采用以太網(wǎng)傳輸數據和射頻芯片識別智能卡相結合的門(mén)禁系統，相對于傳統的門(mén)禁系統，以太網(wǎng)解決了傳輸距離上的問(wèn)題。其次，采用了基于80C51內核的射頻芯片PN532，使得性能更加穩定。其工作的基本原理是先將智能卡放在門(mén)禁系統上，系統讀取數據并傳送給主芯片STM32進(jìn)行處理，主芯片處理后再通過(guò)以太網(wǎng)協(xié)議LwIP將數據從ENCN8J60傳輸給服務(wù)器。 1 門(mén)禁系統硬件組成 門(mén)禁系統主要由意法半導體公司的主控芯片STM3H、Microchip公司的以太網(wǎng)控制器ENC28J60和NXP公司的射頻芯片PN532組成。 門(mén)禁系統結構組成如圖1所示。主芯片STM32通過(guò)以太網(wǎng)協(xié)議棧LwIP將數據傳輸到ENC28J60，然后可以通過(guò)網(wǎng)線(xiàn)與服務(wù)器直接連接進(jìn)行通信，也可以通過(guò)路由器再連接到服務(wù)器。在非接觸式卡通信方面，STM32通過(guò)頻率為1MHz的SPI接口與PN532相連。 圖1 門(mén)禁系統組成 1.1 STM32外圍電路設計 本系統采用意法半導體公司以Cortex-M3為內核的32位微處理器STM32F103為主控芯片，其主頻為72 MHz，內部集成存儲空間為256K的Flash和64K的SRAM，還包含I2C、SPI、I2S、USART、CAN、ADC、看門(mén)狗等。性?xún)r(jià)比在同類(lèi)產(chǎn)品中十分突出。硬件連接如圖2所示。 圖2 主控芯片STM32外圍電路結構 在調試時(shí)我們采用SWD取代JTAG，因為SWD不僅引腳更少，而且在高速模式下更加可靠。 1.2 射頻芯片PN532硬件電路設計 PN532是NXP公司推出的一個(gè)高度集成的非接觸式讀寫(xiě)芯片，它包含80C51微控制器內核，集成了13.56 MHz下的各種主動(dòng)/被動(dòng)式非接觸通信方法和協(xié)議。支持ISO14443A/14443B協(xié)議。工作距離超過(guò)75 mm。接收來(lái)自天線(xiàn)的信號并對該數據按照ISO14443規定的幀格式處理數據。 PN532支持三種通信方式：SPI、I2C、HUS。由于我們采用SPI方式與主控芯片STM32進(jìn)行通信，所以I0和I1分別設置為0和1。 PN532外圍電路結構如圖3所示。 圖3 PN532外圍電路結構 1.3 以太網(wǎng)控制器ENC28J60硬件設計 主控芯片ENC28J60是帶有行業(yè)標準串行外設接口(Serial Peripheral Interface，SPI)的獨立以太網(wǎng)控制器。它可作為任何配備有SPI的控制器的以太網(wǎng)接口。ENC28J60符合IEEE802.3的全部規范，采用了一系列包過(guò)濾機制以對傳入數據包進(jìn)行限制。它還提供了一個(gè)內部DMA模塊，以實(shí)現快速數據吞吐和硬件支持的IP校驗和計算。與主控制器的通信通過(guò)兩個(gè)中斷引腳和SPI實(shí)現，數據傳輸速率高達10 Mb/s。 兩個(gè)專(zhuān)用的引腳用于連接LED，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )活動(dòng)狀態(tài)指示。 應當注意的是，當從ENC28J60讀取多個(gè)數據時(shí)，即使不需要主控芯片STM32輸出的數據，每讀取一個(gè)數據前也要向SPI發(fā)送緩沖器寫(xiě)一個(gè)數據用來(lái)啟動(dòng)SPI的接口時(shí)鐘。 ENC28J60典型應用電路如圖4所示。 圖4 ENC28J60典型應用電路 圖5 TCP處理框圖 2 系統軟件設計 2.1 以太網(wǎng)協(xié)議LwIP LwIP是瑞士計算機科學(xué)院開(kāi)發(fā)的小型開(kāi)源的TCP/IP協(xié)議棧。由于它只需要十幾K的RAM和40K左右的ROM就可以運行，所以很適合在硬件資源并不充裕的嵌入式系統中使用。 LwIP屬于比較松散的通信機制，通過(guò)共享內存的方式實(shí)現應用層與底層協(xié)議之間的通信。它提供了三種API：①RAM API，②LwIP API，③BSD API。 其中的RAM API其缺點(diǎn)就是代碼不易于理解，開(kāi)發(fā)難度大，其優(yōu)點(diǎn)是相對于其他兩種方式占用的資源少，效率更加高，更適合于對于資源相對少的嵌入式使用，所以我們采用RAM API方式進(jìn)行編寫(xiě)。 在TCP/IP傳輸層中有TCP和UDP兩種協(xié)議，TCP提供IP環(huán)境下數據的可靠傳輸，UDP提供的是不可靠傳輸，由于門(mén)禁系統中必須要求傳輸數據的正確，所以采用TCP。圖5是LwIP下的TCP處理流程框圖。 RAM API把協(xié)議棧和應用程序放在一個(gè)進(jìn)程里，該函數基于函數回調技術(shù)，下面是LwIP的部分關(guān)鍵配置和代碼。 (1)LwIP配置 在LwIP的配置文件lwipopts.h中修改如下地方。 是否使用操作系統，我們不用，所以填寫(xiě)為1： #define NO_SYS 1 配置heap的大�。� #define MEM_SIZE 配置pool的大小 #define PBUF_POOL_SIZE #define PBUF_POOL_BUFSIZE 以上三個(gè)配置占據了LwIP協(xié)議棧大部分的內存，需要根據自己的需要修改成合適的值。 (2)LwIP代碼 ①分別設置IP地址，子網(wǎng)掩碼和網(wǎng)關(guān)： IP4_ADDR(&ipaddr，192，168，2，28); IP4_ADDR(&netmask，255，255，255，0); IP4_ADDR(&gw，192，168，2，254); ②初始化底層函數，也就是配置MAC地址，初始化ENC28J60，配置最大輸出單元等： low_level_init(netif); ③連接遠程主機，當連接建立，就會(huì )調用第4個(gè)參數Conn_Back： tcp_connect(TCP_pcb，&ipaddr，1026，Conn_back); ④當有新的數據接收到時(shí)調用的回調函數： tcp_recv(TCP_pcb.tcp_recv_callback); ⑤服務(wù)器成功接收到數據后調用的回調函數： tcp_sent(TCP_pcb，tcp_sent_callback); ⑥處理錯誤的回調函數： tcp_err(pcb，CMD_conn_err); ⑦是否接收到數據： ethernetif_input(&enc28j60); 通信一旦結束或者出現異常狀況后，一定要使用pbuf_free()函數釋放pbuf，避免內存的浪費。還有一點(diǎn)要注意的是，系統在正常運行的過(guò)程中，定時(shí)器函數tcp_fasttmr()和tcp_slowtmr()函數必須以固定的時(shí)間間隔被規律地調用。 2.2 門(mén)禁系統軟件架構與設計 門(mén)禁系統的主要流程如圖6所示，每次重新啟動(dòng)后，首先初始化相關(guān)寄存器，初始化各個(gè)模塊，確定已經(jīng)連接服務(wù)器，然后進(jìn)入程序主循環(huán)。 首先監測是否需要調用LwIP內部的快速定時(shí)器和慢速定時(shí)器。然后監測服務(wù)器是否有斷開(kāi)，如果斷開(kāi)則重新連接服務(wù)器，沒(méi)有斷開(kāi)的話(huà)則檢測是否有智能卡，有的話(huà)接收卡中信息進(jìn)行處理然后發(fā)送給服務(wù)器。 圖6 門(mén)禁系統的主要流程圖 結語(yǔ) 本文對使用STM32為主控芯片的門(mén)禁系統的硬件和軟件架構進(jìn)行了相應的描述，對于文中所涉及的芯片和以太網(wǎng)協(xié)議的使用具有指導意義，能夠較大幅度地降低成本，同時(shí)門(mén)禁系統的使用會(huì )更加穩定，傳輸距離更長(cháng)。 |
