《電子技術(shù)應用》
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基于CAN通信的電梯門禁控制器設計
來源:微型機與應用2012年第21期
王凱華,康 露,陳小平
(蘇州大學 電子信息學院,江蘇 蘇州 215006)
摘要: 應用MIFARE射頻技術(shù),以NXP公司的LPC11C14 ARM微處理器為控制核心,設計了一種基于CAN總線的電梯門禁控制器。詳細介紹了電梯門禁控制器的功能及組成,硬件設計和IC卡讀寫的軟件設計。在分析LPC11C14的CAN控制器工作原理的基礎上,設計了門禁控制器與電梯轎內(nèi)控制板之間進行數(shù)據(jù)交換的CAN通信協(xié)議,實現(xiàn)了對電梯使用權(quán)限的控制。
Abstract:
Key words :

摘  要: 應用MIFARE射頻技術(shù),以NXP公司的LPC11C14 ARM微處理器為控制核心,設計了一種基于CAN總線的電梯門禁控制器。詳細介紹了電梯門禁控制器的功能及組成,硬件設計和IC卡讀寫的軟件設計。在分析LPC11C14的CAN控制器工作原理的基礎上,設計了門禁控制器與電梯轎內(nèi)控制板之間進行數(shù)據(jù)交換的CAN通信協(xié)議,實現(xiàn)了對電梯使用權(quán)限的控制。
關(guān)鍵詞: ARM;CAN;射頻識別;讀卡器

 隨著射頻技術(shù)的飛速發(fā)展及日益成熟,非接觸式射頻卡日益受到人們的青睞,基于IC卡的門禁管理系統(tǒng)有了更廣闊的應用前景。電梯門禁管理系統(tǒng)運用現(xiàn)代化軟件和電子技術(shù),通過計算機和電子設備以及智能IC卡(或ID卡)技術(shù)的有機結(jié)合,為管理者提高工作效率、節(jié)省人力,實現(xiàn)科學管理;同時又讓使用者(業(yè)主)置身于智能化的生活當中,享受極大的方便和安全,提高生活品位[1]。
 本文設計了一種基于CAN通信的電梯門禁控制器,使得物業(yè)管理公司或管理人員能對樓宇內(nèi)各種人員的進出進行有效、安全的管理,控制了閑雜人員的進入。選擇非接觸式低功耗讀寫基站芯片RC522,利用其先進的調(diào)制解調(diào)概念及集成了13.56 MHz下所有類型的被動非接觸式通信方式和協(xié)議的特性[2],制作出操作簡單、性能穩(wěn)定、功能齊全的IC卡讀卡器。通過計算,設計出天線濾波匹配電路,繪制天線線圈,與MIFARE S50卡產(chǎn)生諧振,讀取卡中數(shù)據(jù)。
 設計采用一種開放的CAN現(xiàn)場總線平臺,門禁控制器以獨立智能節(jié)點的形式連接到該總線上,控制器具有唯一的節(jié)點標識符[3],給電梯系統(tǒng)傳送相關(guān)數(shù)據(jù)。此方案充分考慮了刷卡間隔對CAN報文傳送的影響,經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)試與改進,能可靠地實現(xiàn)刷卡呼梯的功能。
1 電梯門禁控制器設計需求
 遵循操作簡單、執(zhí)行準確度高、數(shù)據(jù)安全、成本低的設計思想,基于CAN通信的電梯門禁控制器主要分為三部分:讀卡部分、MIFARE S50卡、電梯CAN通信。門禁控制器的使用流程如圖1所示。讀取S50射頻卡的EEPROM,向16個扇區(qū)中選擇的塊里寫入自行設定的樓層信息資料。使用者憑借合法卡至電梯轎廂內(nèi)刷卡。讀卡器每隔一段時間發(fā)送一組固定頻率的電磁波,卡內(nèi)有一個LC串聯(lián)諧振電路,其頻率與讀卡器發(fā)射的頻率相同,在電磁波的激勵下,LC諧振電路產(chǎn)生共振,從而使IC卡內(nèi)的電容有了電荷,在這個電容的另一端,接有一個單向?qū)ǖ碾娮颖?,將電容?nèi)的電荷送到另一個電容內(nèi)儲存,當所積累的電荷達到2 V時,此電容可作為電源為其他電路提供工作電壓,將卡內(nèi)數(shù)據(jù)發(fā)射至MFRC522射頻芯片。LPC11C14微控制器通過SPI串行接口收到MFRC522內(nèi)存儲的樓層信息,判斷用戶卡片類型,通過芯片內(nèi)置的CAN控制器把報文傳送至電梯,電梯轎內(nèi)控制板根據(jù)與門禁控制器之間制定的CAN通信協(xié)議,選擇內(nèi)選或開放相應樓層按鍵。


2 門禁控制器的硬件設計
2.1 微控制器的選擇

 本系統(tǒng)所運用的LPC11C14 ARM微處理器以Cortex-M0為內(nèi)核,是為嵌入式系統(tǒng)應用而設計的高性能、低功耗的32 bit微處理器。該款ARM所屬的LPC1100系列是市場上定價較低的32 bit微控制器解決方案,其價值和易用性比現(xiàn)有的8/16 bit微控制器更勝一籌。該微處理器性能卓越、簡單易用、功耗低,更重要的是,它能顯著降低所有8/16 bit應用的代碼長度。完善的LPC11C14外設包括:32 KB閃存,8 KB 數(shù)據(jù)存儲器,1個CAN控制器,1個快速模式Plus I2C總線接口,1個EIA-485 UART,2個具有SSP功能的SPI接口,四個通用計數(shù)器/定時器,1個10 bit ADC,40個通用I/O引腳。
 在門禁控制器中,LPC11C14的任務主要是通過CAN通信全程接收主板信息,了解電梯所處模式,控制刷卡模塊,當且僅當電梯處于自動模式、司機模式、VIP模式時,刷卡有效;控制系統(tǒng)節(jié)拍,每隔一段時間尋一次卡以消除刷卡對CAN通信的干擾;讀到卡后和轎內(nèi)控制板進行通信握手,握手成功后蜂鳴器響,表示刷卡成功。
2.2 門禁控制器的硬件結(jié)構(gòu)
 此電梯門禁控制系統(tǒng)的硬件設計電路包括:RFID單元、CAN驅(qū)動器TJA1050、CORTEX_M0微處理器LPC11C14、電源模塊及讀卡指示單元。其硬件電路組成如圖2所示。

 設計的電梯門禁控制器需符合電梯CAN通信協(xié)議,能與轎內(nèi)控制板、主板通信。讀卡指示單元包括蜂鳴器及LED指示燈,在讀合法卡和不合法卡時有不同指示。RFID射頻單元采用非接觸式讀寫卡芯片RC522[4],該款芯片提供標準的數(shù)字接口,有利于減少連線、縮小PCB板面積,同時也降低成本。選擇高速同步串行SPI接口與ARM連接,速度高達10 Mb/s。電梯系統(tǒng)供電為24 V,本設計擬運用在電梯系統(tǒng)中,CAN驅(qū)動芯片需5 V供電,射頻芯片及ARM需3.3 V供電,所以供電系統(tǒng)電路選擇以LM2575為核心的開關(guān)穩(wěn)壓集成電路及LM1117-3.3低壓差電源調(diào)節(jié)芯片。
3 門禁控制器的軟件設計
 電梯門禁控制器使用KEIL C軟件編程,通過J-Link對LPC11C14進行在線調(diào)試。軟件程序設計關(guān)系到整個門禁控制器的穩(wěn)定性、可靠性。其軟件設計主要思想為:在上電初始化后,開看門狗,保證系統(tǒng)跑飛后能自行復位;程序不停地接收主板CAN信息,獲取電梯所處狀態(tài),若電梯處于允許讀卡狀態(tài),則可以讀卡。再把讀到的卡片信息通過CAN通信傳給轎內(nèi)控制板,轎內(nèi)控制板發(fā)送確認信息給控制器,接收到確認信息,即握手成功,蜂鳴器響,LED燈亮,一次通信結(jié)束。門禁控制器的軟件流程如圖3所示。

3.1 CAN通信協(xié)議分析
 LPC11C14內(nèi)嵌CAN控制器和驗收濾波器。驗收濾波器為CAN控制器提供全局的報文標識過濾功能,能實現(xiàn)復雜的報文ID過濾,大大減輕微控制器的負擔[5]。通過配置驗收濾波器,使系統(tǒng)只接收廣播的報文和目的ID號為本控制器的ID號的報文,系統(tǒng)一直接收CAN總線上的信息來判斷電梯模式。CAN以報文形式傳送信息,一條報文包含8 B,分三部分:目的ID號、命令字節(jié)、數(shù)據(jù)字節(jié)??刂破饔蠧AN消息時,取出命令字節(jié),根據(jù)命令字節(jié)判斷電梯工作模式。
 門禁控制器采用CAN中斷方式從主板接收消息,在中斷到來時把數(shù)據(jù)傳送到隊列中去,應用層判斷隊列是否為空,有數(shù)據(jù)則通過CAN接收數(shù)據(jù)函數(shù)CANMessageGet()獲得總線數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)接收流程如圖4所示。
門禁控制器通過CAN向轎廂板發(fā)送消息,發(fā)送數(shù)據(jù)時,把數(shù)據(jù)放置在CAN的FIFO中,當發(fā)送完成后標志位置位,只有發(fā)送完成標志置位,才可以發(fā)送下一數(shù)據(jù),也就是發(fā)送之前檢查緩沖區(qū)是否為空,以防止數(shù)據(jù)丟失。數(shù)據(jù)發(fā)送流程如圖5所示。

 

 

3.2 RC522射頻單元軟件設計
 LPC11C14通過SPI方式控制MF RC522進行讀寫操作,ARM通過MOSI線將數(shù)據(jù)發(fā)到MF RC522,MF RC522通過MISO線發(fā)回至ARM。兩根數(shù)據(jù)線上的信號電平在時鐘信號上升沿到來時傳送數(shù)據(jù),在下降沿到來時才允許改變。讀卡流程主要包括:(1)尋卡;(2)防沖突;(3)選擇卡片;(4)密碼驗證;(5)讀寫;(6)休眠該卡[6]。LPC11C14對MIFARE S50卡操作的流程如圖6所示。程序選擇扇區(qū)1的塊0存儲每張卡片所能到達的樓層參數(shù),塊3存儲了密碼,卡片初始時默認密碼為全1。因為一直尋卡對CAN收發(fā)有影響,所以在與轎內(nèi)控制板通信時,設置了一段讀卡間隔時間,保證通信正常。
 基于CAN通信的電梯門禁控制器已成功地應用在了電梯項目中,其性能穩(wěn)定可靠,功能齊全,使用非接觸式IC卡,操作簡便,安全性高,設計滿足了對電梯樓層呼梯控制的要求,提高了樓宇的安全水平。經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)試與改進,采用CAN總線傳輸數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠,易于調(diào)試與維護,性價比好?;贑AN總線的電梯門禁控制器以其可靠、穩(wěn)定、靈活、快速的特點將有一個很好的應用前景。
參考文獻
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[2] 程東海,于海勛.新一代Mifare射頻基站IC MFRC522在水表中的應用[J].電子技術(shù)應用,2005,31(10):11-13.
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[4] 陳保平,王月波,馬伯元.基于MF RC522的Mifare射頻卡讀寫模塊開發(fā)[J].微計算機信息,2007,23(11-2):230-231.
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[6] 黃俊祥,陶維青.基于MFRC522的RFID讀卡器模塊設計[J].微型機與應用,2010,29(22):16-18.

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