基于Cortex-M3的嵌入式以太網(wǎng)門禁系統(tǒng)設(shè)計(jì)

內(nèi)容摘要：闡述了采用Cortex—M3內(nèi)核的STM32為主控芯片、射頻芯片PN532、以太網(wǎng)控制器ENC28J60的硬件電路和軟件設(shè)計(jì)框架，同時(shí)對(duì)以太網(wǎng)協(xié)議LwIP進(jìn)行了詳細(xì)的分析。本門禁系統(tǒng)傳輸距離遠(yuǎn)，超低功耗，性能優(yōu)異且穩(wěn)定，完全適用于校園以及公司的門禁系統(tǒng)。

引 言

當(dāng)前，有很多的企業(yè)是采用佩戴工作證來完成門禁管理，而且還是采用傳統(tǒng)的人工方式完成，不僅容易被人混入，且沒有記錄，存在各種人為的失誤。同時(shí)，市場(chǎng)上門禁系統(tǒng)存在傳輸距離受限制、性能不佳等問題。

隨著嵌入式技術(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)品越來越多，發(fā)展也越來越快。本文研究的就是采用以太網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)和射頻芯片識(shí)別智能卡相結(jié)合的門禁系統(tǒng)，相對(duì)于傳統(tǒng)的門禁系統(tǒng)，以太網(wǎng)解決了傳輸距離上的問題。其次，采用了基于80C51內(nèi)核的射頻芯片PN532，使得性能更加穩(wěn)定。其工作的基本原理是先將智能卡放在門禁系統(tǒng)上，系統(tǒng)讀取數(shù)據(jù)并傳送給主芯片STM32進(jìn)行處理，主芯片處理后再通過以太網(wǎng)協(xié)議LwIP將數(shù)據(jù)從ENCN8J60傳輸給服務(wù)器。

1 門禁系統(tǒng)硬件組成

門禁系統(tǒng)主要由意法半導(dǎo)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。

門禁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。主芯片STM32通過以太網(wǎng)協(xié)議棧LwIP將數(shù)據(jù)傳輸?shù)紼NC28J60，然后可以通過網(wǎng)線與服務(wù)器直接連接進(jìn)行通信，也可以通過路由器再連接到服務(wù)器。在非接觸式卡通信方面，STM32通過頻率為1MHz的SPI接口與PN532相連。

1.1 STM32外圍電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用意法半導(dǎo)體公司以Cortex—M3為內(nèi)核的32位微處理器STM32F103為主控芯片，其主頻為72 MHz，內(nèi)部集成存儲(chǔ)空間為256K的Flash和64K的SRAM，還包含I2C、SPI、I2S、USART、CAN、ADC、看門狗等。性價(jià)比在同類產(chǎn)品中十分突出。硬件連接如圖2所示。

在調(diào)試時(shí)我們采用SWD取代JTAG，因?yàn)镾WD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(shè)計(jì)

PN532是NXP公司推出的一個(gè)高度集成的非接觸式讀寫芯片，它包含80C51微控制器內(nèi)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75 mm。接收來自天線的信號(hào)并對(duì)該數(shù)據(jù)按照ISO14443規(guī)定的幀格式處理數(shù)據(jù)。

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(shè)置為0和1。

PN532外圍電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。

1.3 以太網(wǎng)控制器ENC28J60硬件設(shè)計(jì)

主控芯片ENC28J60是帶有行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)串行外設(shè)接口(Serial Peripheral Interface，SPI)的獨(dú)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(guī)范，采用了一系列包過濾機(jī)制以對(duì)傳入數(shù)據(jù)包進(jìn)行限制。它還提供了一個(gè)內(nèi)部DMA模塊，以實(shí)現(xiàn)快速數(shù)據(jù)吞吐和硬件支持的IP校驗(yàn)和計(jì)算。與主控制器的通信通過兩個(gè)中斷引腳和SPI實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)10 Mb/s。

兩個(gè)專用的引腳用于連接LED，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)狀態(tài)指示。

應(yīng)當(dāng)注意的是，當(dāng)從ENC28J60讀取多個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)，即使不需要主控芯片STM32輸出的數(shù)據(jù)，每讀取一個(gè)數(shù)據(jù)前也要向SPI發(fā)送緩沖器寫一個(gè)數(shù)據(jù)用來啟動(dòng)SPI的接口時(shí)鐘。

ENC28J60典型應(yīng)用電路如圖4所示。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 以太網(wǎng)協(xié)議LwIP

LwIP是瑞士計(jì)算機(jī)科學(xué)院開發(fā)的小型開源的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(yùn)行，所以很適合在硬件資源并不充裕的嵌入式系統(tǒng)中使用。

LwIP屬于比較松散的通信機(jī)制，通過共享內(nèi)存的方式實(shí)現(xiàn)應(yīng)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，開發(fā)難度大，其優(yōu)點(diǎn)是相對(duì)于其他兩種方式占用的資源少，效率更加高，更適合于對(duì)于資源相對(duì)少的嵌入式使用，所以我們采用RAM API方式進(jìn)行編寫。

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(shù)據(jù)的可靠傳輸，UDP提供的是不可靠傳輸，由于門禁系統(tǒng)中必須要求傳輸數(shù)據(jù)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(yīng)用程序放在一個(gè)進(jìn)程里，該函數(shù)基于函數(shù)回調(diào)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(tǒng)，我們不用，所以填寫為1：

#define NO_SYS 1

配置heap的大?。?/p>

#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(jù)了LwIP協(xié)議棧大部分的內(nèi)存，需要根據(jù)自己的需要修改成合適的值。

(2)LwIP代碼

①分別設(shè)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(shù)，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(yuǎn)程主機(jī)，當(dāng)連接建立，就會(huì)調(diào)用第4個(gè)參數(shù)Conn_Back：

tcp_connect(TCP_PCB，&ipaddr，1026，Conn_back);

④當(dāng)有新的數(shù)據(jù)接收到時(shí)調(diào)用的回調(diào)函數(shù)：

tcp_recv(TCP_pcb.tcp_recv_callback);

⑤服務(wù)器成功接收到數(shù)據(jù)后調(diào)用的回調(diào)函數(shù)：

tcp_sent(TCP_pcb，tcp_sent_callback);

⑥處理錯(cuò)誤的回調(diào)函數(shù)：

tcp_err(pcb，CMD_conn_err);

⑦是否接收到數(shù)據(jù)：

ethernetif_input(&enc28j60);

通信一旦結(jié)束或者出現(xiàn)異常狀況后，一定要使用pbuf_free()函數(shù)釋放pbuf，避免內(nèi)存的浪費(fèi)。還有一點(diǎn)要注意的是，系統(tǒng)在正常運(yùn)行的過程中，定時(shí)器函數(shù)tcp_fasttmr()和tcp_slowtmr()函數(shù)必須以固定的時(shí)間間隔被規(guī)律地調(diào)用。

2.2 門禁系統(tǒng)軟件架構(gòu)與設(shè)計(jì)

門禁系統(tǒng)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(jiān)測(cè)是否需要調(diào)用LwIP內(nèi)部的快速定時(shí)器和慢速定時(shí)器。然后監(jiān)測(cè)服務(wù)器是否有斷開，如果斷開則重新連接服務(wù)器，沒有斷開的話則檢測(cè)是否有智能卡，有的話接收卡中信息進(jìn)行處理然后發(fā)送給服務(wù)器。

結(jié)語

本文對(duì)使用STM32為主控芯片的門禁系統(tǒng)的硬件和軟件架構(gòu)進(jìn)行了相應(yīng)的描述，對(duì)于文中所涉及的芯片和以太網(wǎng)協(xié)議的使用具有指導(dǎo)意義，能夠較大幅度地降低成本，同時(shí)門禁系統(tǒng)的使用會(huì)更加穩(wěn)定，傳輸距離更長(zhǎng)。