摘  要： 應(yīng)用MIFARE射頻技術(shù)，以NXP公司的LPC11C14 ARM微處理器為控制核心，設(shè)計(jì)了一種基于CAN總線的電梯門禁控制器。詳細(xì)介紹了電梯門禁控制器的功能及組成，硬件設(shè)計(jì)和IC卡讀寫的軟件設(shè)計(jì)。在分析LPC11C14的CAN控制器工作原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了門禁控制器與電梯轎內(nèi)控制板之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的CAN通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電梯使用權(quán)限的控制。
關(guān)鍵詞： ARM；CAN；射頻識(shí)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(yīng)用前景。電梯門禁管理系統(tǒng)運(yùn)用現(xiàn)代化軟件和電子技術(shù)，通過計(jì)算機(jī)和電子設(shè)備以及智能IC卡（或ID卡）技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，為管理者提高工作效率、節(jié)省人力，實(shí)現(xiàn)科學(xué)管理；同時(shí)又讓使用者（業(yè)主）置身于智能化的生活當(dāng)中，享受極大的方便和安全，提高生活品位[1]。
　本文設(shè)計(jì)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(duì)樓宇內(nèi)各種人員的進(jìn)出進(jìn)行有效、安全的管理，控制了閑雜人員的進(jìn)入。選擇非接觸式低功耗讀寫基站芯片RC522，利用其先進(jìn)的調(diào)制解調(diào)概念及集成了13.56 MHz下所有類型的被動(dòng)非接觸式通信方式和協(xié)議的特性[2]，制作出操作簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、功能齊全的IC卡讀卡器。通過計(jì)算，設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)采用一種開放的CAN現(xiàn)場(chǎng)總線平臺(tái)，門禁控制器以獨(dú)立智能節(jié)點(diǎn)的形式連接到該總線上，控制器具有唯一的節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)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(duì)CAN報(bào)文傳送的影響，經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試與改進(jìn)，能可靠地實(shí)現(xiàn)刷卡呼梯的功能。
1 電梯門禁控制器設(shè)計(jì)需求
　遵循操作簡(jiǎn)單、執(zhí)行準(zhǔn)確度高、數(shù)據(jù)安全、成本低的設(shè)計(jì)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(gè)扇區(qū)中選擇的塊里寫入自行設(shè)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(shí)間發(fā)送一組固定頻率的電磁波，卡內(nèi)有一個(gè)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(lì)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(gè)電容的另一端，接有一個(gè)單向?qū)ǖ碾娮颖?，將電容?nèi)的電荷送到另一個(gè)電容內(nèi)儲(chǔ)存，當(dāng)所積累的電荷達(dá)到2 V時(shí)，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(chǔ)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(bào)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(yīng)樓層按鍵。

2 門禁控制器的硬件設(shè)計(jì)
2.1 微控制器的選擇
　本系統(tǒng)所運(yùn)用的LPC11C14 ARM微處理器以Cortex-M0為內(nèi)核，是為嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的高性能、低功耗的32 bit微處理器。該款A(yù)RM所屬的LPC1100系列是市場(chǎng)上定價(jià)較低的32 bit微控制器解決方案，其價(jià)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(jiǎn)單易用、功耗低，更重要的是，它能顯著降低所有8/16 bit應(yīng)用的代碼長(zhǎng)度。完善的LPC11C14外設(shè)包括：32 KB閃存，8 KB 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，1個(gè)CAN控制器，1個(gè)快速模式Plus I2C總線接口，1個(gè)EIA-485 UART，2個(gè)具有SSP功能的SPI接口，四個(gè)通用計(jì)數(shù)器/定時(shí)器，1個(gè)10 bit ADC，40個(gè)通用I/O引腳。
　在門禁控制器中，LPC11C14的任務(wù)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(dāng)且僅當(dāng)電梯處于自動(dòng)模式、司機(jī)模式、VIP模式時(shí)，刷卡有效；控制系統(tǒng)節(jié)拍，每隔一段時(shí)間尋一次卡以消除刷卡對(duì)CAN通信的干擾；讀到卡后和轎內(nèi)控制板進(jìn)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(shè)計(jì)電路包括：RFID單元、CAN驅(qū)動(dòng)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(shè)計(jì)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(shí)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(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字接口，有利于減少連線、縮小PCB板面積，同時(shí)也降低成本。選擇高速同步串行SPI接口與ARM連接，速度高達(dá)10 Mb/s。電梯系統(tǒng)供電為24 V，本設(shè)計(jì)擬運(yùn)用在電梯系統(tǒng)中，CAN驅(qū)動(dòng)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(shè)計(jì)
　電梯門禁控制器使用KEIL C軟件編程，通過J-Link對(duì)LPC11C14進(jìn)行在線調(diào)試。軟件程序設(shè)計(jì)關(guān)系到整個(gè)門禁控制器的穩(wěn)定性、可靠性。其軟件設(shè)計(jì)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(fù)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(rèn)信息給控制器，接收到確認(rèn)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(yàn)收濾波器。驗(yàn)收濾波器為CAN控制器提供全局的報(bào)文標(biāo)識(shí)過濾功能，能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的報(bào)文ID過濾，大大減輕微控制器的負(fù)擔(dān)[5]。通過配置驗(yàn)收濾波器，使系統(tǒng)只接收廣播的報(bào)文和目的ID號(hào)為本控制器的ID號(hào)的報(bào)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(bào)文形式傳送信息，一條報(bào)文包含8 B，分三部分：目的ID號(hào)、命令字節(jié)、數(shù)據(jù)字節(jié)?？刂破饔蠧AN消息時(shí)，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(shí)把數(shù)據(jù)傳送到隊(duì)列中去，應(yīng)用層判斷隊(duì)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(shí)，把數(shù)據(jù)放置在CAN的FIFO中，當(dāng)發(fā)送完成后標(biāo)志位置位，只有發(fā)送完成標(biāo)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(shè)計(jì)
　LPC11C14通過SPI方式控制MF RC522進(jìn)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(hào)電平在時(shí)鐘信號(hào)上升沿到來時(shí)傳送數(shù)據(jù)，在下降沿到來時(shí)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(yàn)證；（5）讀寫；（6）休眠該卡[6]。LPC11C14對(duì)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(chǔ)每張卡片所能到達(dá)的樓層參數(shù)，塊3存儲(chǔ)了密碼，卡片初始時(shí)默認(rèn)密碼為全1。因?yàn)橐恢睂た▽?duì)CAN收發(fā)有影響，所以在與轎內(nèi)控制板通信時(shí)，設(shè)置了一段讀卡間隔時(shí)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(yīng)用在了電梯項(xiàng)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(jiǎn)便，安全性高，設(shè)計(jì)滿足了對(duì)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(chǎng)調(diào)試與改進(jìn)，采用CAN總線傳輸數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠，易于調(diào)試與維護(hù)，性價(jià)比好。基于CAN總線的電梯門禁控制器以其可靠、穩(wěn)定、靈活、快速的特點(diǎn)將有一個(gè)很好的應(yīng)用前景。
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