基于ARM的3G無線射頻測控平臺設(shè)計與應(yīng)用

陳 峰 ， 韓曉英

（1.華南理工大學(xué) 土木與交通工程學(xué)院，廣東 廣州，510641；2.廣州大學(xué) 實驗中心，廣東 廣州 510006；3.廣東省公共網(wǎng)絡(luò)安全風險評價與預(yù)警應(yīng)急技術(shù)研究中心，廣東 廣州，510075）

隨著3G技術(shù)的發(fā)展，TD-SCDMAD等3G無線網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)覆蓋廣州等十多個大中型城市。自2005年以來，3G上網(wǎng)流量一直保持著接近300%的增速，基于3G網(wǎng)絡(luò)的增值應(yīng)用具有廣闊的發(fā)展前景。

筆者將3G無線網(wǎng)絡(luò)單元與射頻接收端統(tǒng)一于ARM7微處理器平臺，設(shè)計了基于ARM的3G無線射頻測控平臺，可有效滿足分散地域的多種測量控制需求。

1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由ARM微處理器、HID設(shè)頻模塊、3G無線模塊、外部實時時鐘、多個模擬數(shù)字接口和存儲單元6部分組成。考慮到開發(fā)周期、系統(tǒng)穩(wěn)定性等問題，ARM微處理器采用西門子LPC2214微處理器芯片，HID射頻模塊采用成熟的ProcPoint公司6005B型HID讀卡器，3G無線模塊采用華為em560、em200、em770w模塊系列，內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議無線通信模塊。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示?？紤]到準確計時和批量保存考勤數(shù)據(jù)的需要，擴展了I2C總線的外部時鐘芯片1337和采用備用電池供電的外部靜態(tài)ROM存儲單元CY62157ESL。

圖1 基于ARM的3G無線射頻測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Systiem structure of 3G wireless measure and control machine based on ARM microprocessor

1.1 3G無線模塊相關(guān)電路設(shè)計

3G模塊選用華為 em560、em200、em770w模塊系列、帶TPC/IP協(xié)議的無線模塊。該無線模塊系列的3種產(chǎn)品，分別支持TD-SCDMA、CDMA2000、WCDMA3G無線通信技術(shù)，通過簡單的模塊替換，即可兼容不同格式的3G網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)支持AT命令及增強AT命令，提供豐富的語音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)等功能。

由于該系列模塊通過RS232接口實現(xiàn)與主機的通信，因此選用了SP3243E作為232電平的轉(zhuǎn)換芯片。其接口電路如圖2所示。圖中左側(cè)所接電路為無線通信模塊的RS232接口，右側(cè)電路接入LPC2214微處理器芯片串口1相關(guān)管腳。

圖2 3G無線模塊接口電路Fig.2 Circuit of 3G wireless model interface

1.2 基于WEIGAND協(xié)議的射頻讀卡器接口電路設(shè)計

HID射頻模塊采用成熟的ProcPoint公司6005B型HID讀卡器。該讀卡器輸出信號支持WEIGAND26和WEIGAND34協(xié)議。

電路設(shè)計中，將LPC2214的P0.16和P0.20多路復(fù)用管腳功能設(shè)置為外部中斷0和外部中斷3，采用外部中斷的方式實現(xiàn)對6005B型HID讀卡器DATA0和DATA1路數(shù)據(jù)每次讀卡過程26個或34個脈沖信號的采集。由于HID讀卡器輸出為標準TTL電平，ARM微處理器為低功耗CMOS電平，該處使用了74LVX4245電平轉(zhuǎn)換芯片，將5 V標準輸入轉(zhuǎn)換為3.3 V。

接口電路如圖3所示。圖中左側(cè)最上端兩個管腳為LPC2214的輸入管腳，通過對74LVX4245的22腳接低電平實現(xiàn)輸入電壓轉(zhuǎn)換。

圖3 HID讀卡器接口電路原理Fig.3 Circuit of HID card reader interface

1.3 系統(tǒng)通用IO接口電路設(shè)計

LPC2214接口功能豐富，擁有8路10位ADC、PWM輸出以及多達9個外部中斷。通過配制總線，最多可提供76個通用IO接口。

由于讀卡器和無線串口占用了16個通用IO接口，以及其他系統(tǒng)占用了部分接口，因此將P2口的P2.0到P2.31接口設(shè)計為32個通用數(shù)字I/O接口，通過簡單的寄存器設(shè)計設(shè)置為16入、16出；將P3口的P3.0到P3.9接口設(shè)置為10路模擬輸入接口。該種設(shè)計使得系統(tǒng)具備16路數(shù)字輸入、16路數(shù)字輸出和10路模擬信號輸入的能力，成為一臺具有豐富I/O接口的通用測控平臺。

2 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計

軟件系統(tǒng)主要圍繞穩(wěn)定可靠的3G無線通信和兼容WEIGAND26和WEIGAND34協(xié)議的讀卡識別兩方面展開。通過在西門子LPC2214微處理器芯片中植入μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)，增強了系統(tǒng)程序的穩(wěn)定性。其中，3G無線通信程序主要參考國際通用的AT指令集，實現(xiàn)模塊與微處理器的信息交換?？紤]到目前的主流讀卡協(xié)議為WEIGAND26和WEIGAND34協(xié)議兩種，讀卡軟件的編寫在兩種協(xié)議的兼容性方面進行了特殊的設(shè)計。

2.1 3G無線通信軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計

整個軟件體系如圖4所示，首先啟動μC/OS-Ⅱ系統(tǒng)，建立主任務(wù)，進行串口等的初始化，然后通過串口信號線驅(qū)動Modem，AT指令集進行一系列Modem參數(shù)設(shè)置，并撥號到GGSN，新建PPP任務(wù)進行數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層的協(xié)商，得到IP，完成上網(wǎng)過程。此時可以建立發(fā)送數(shù)據(jù)任務(wù)，作為客戶端向網(wǎng)絡(luò)主機發(fā)送建立TCP連接請求，經(jīng)過2次握手成功后，雙方TCP連接狀態(tài)都到達ESTABLISH（建立連接）狀態(tài)[4]，此時便可以將搜集到的數(shù)據(jù)通過套接字傳輸回網(wǎng)絡(luò)主機，完成傳輸任務(wù)[5]。接下來可以結(jié)束任務(wù)或等待下一次采集數(shù)據(jù)時間到，再次進行傳輸。

圖4 3G無線通信軟件流程Fig.4 Flow chart of 3G wireless communication program

2.2 HID射頻讀卡識別軟件設(shè)計

WEIGAND（韋根）協(xié)議在數(shù)據(jù)的傳輸中只需兩條數(shù)據(jù)線，一條為DATA0，另一條為DATA1。協(xié)議規(guī)定，兩條數(shù)據(jù)線在無數(shù)據(jù)時均為高電平，如果DATA0為低電平代表數(shù)據(jù)0，DATA1為低電平代表數(shù)據(jù)1（低電平信號低于1 V，高電平信號大于4 V）。兩個脈沖間的時間間隔在200 μs到 20 ms之間。

韋根26位輸出格式：

E XXXX XXXX XXXX XXXX XXXX XXXX O

其中，第1位E表示前12BIT偶校驗碼，最后1位O表示后12BIT奇校驗碼，第2位到第9位為區(qū)域碼，第10位到第25位為卡號。以上數(shù)據(jù)從左至右順序發(fā)送。高位在前。韋根34與韋根26的區(qū)別在于區(qū)域碼由8位擴展到16位，首尾的校驗碼均為16位而不是12位校驗碼。

考慮到現(xiàn)有HID射頻卡多為WEIGAND26和WEIGAND34兩種格式，設(shè)計了可兼容兩種協(xié)議的讀卡程序。

程序流程如圖5所示。采用捕捉外部中斷的方式對DATA0和DATA1的脈沖計數(shù)，同時記錄脈沖間隔時間。當脈沖間隔時間>30 ms時，認為一次讀卡過程結(jié)束。若脈沖數(shù)等于26或34，作為WEIGAND26卡或WEIGAND34卡處理，記錄卡號和讀卡時間；否則，丟棄數(shù)據(jù)，通過顯示屏和喇叭發(fā)出刷卡失敗報警信息，提示使用人員重新刷卡。

圖5 兼容WEIGAND26、34協(xié)議的讀卡程序流程Fig.5 Flow chart of WEIGAND26 and 34 compatibility reading cards program

系統(tǒng)數(shù)據(jù)校驗采用32位CRC校驗 （循環(huán)冗余校驗）方式：在發(fā)送端根據(jù)要傳送的k位二進制碼序列，以一定的規(guī)則產(chǎn)生一個校驗用的r位監(jiān)督碼（CRC碼），附在原始信息后邊，構(gòu)成一個新的二進制碼序列數(shù)共k+r位，然后發(fā)送出去。在接收端，根據(jù)信息碼和CRC碼之間所遵循的規(guī)則進行檢驗，以確定傳送中是否出錯。該種校驗方法檢錯能力強，占用系統(tǒng)資源少，用來檢測或校驗數(shù)據(jù)傳輸或者保存后可能出現(xiàn)的錯誤，是進行數(shù)據(jù)傳輸差錯檢測地一種很好的手段。

3 系統(tǒng)應(yīng)用

以該無線測控平臺為基礎(chǔ)，針對湛江移動分公司多個分散營業(yè)廳統(tǒng)一考勤需要，通過設(shè)計相應(yīng)的上位機軟件，系統(tǒng)以無線統(tǒng)一考勤的方式在散布于湛江地區(qū)80個移動營業(yè)廳開展了應(yīng)用。從應(yīng)用結(jié)果看來，該系統(tǒng)對WEIGAND26和WEIGAND34協(xié)議的不同種類HID卡均可正確識別，讀卡響應(yīng)快，數(shù)據(jù)存儲和無線傳輸穩(wěn)定可靠。

圖6為散布于湛江地區(qū)80個移動營業(yè)廳的無線考勤系統(tǒng)15天（21 600 min）實際運行在線率統(tǒng)計結(jié)果。從圖中可看出，除56號機等處于偏遠地區(qū)，經(jīng)實際測試無線信號很弱的設(shè)備掉線時間較長外，90%的無線測控平臺在線率達90%以上，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠。

圖6 系統(tǒng)試運行在線率統(tǒng)計Fig.6 Online ratio of trail running

4 結(jié) 論

將華為3G無線模塊與HID讀卡器統(tǒng)一于西門子LPC2214 ARM微處理器芯片，設(shè)計了一種基于ARM微處理器的3G無線測控硬件平臺，在此基礎(chǔ)上，設(shè)計了可兼容WEIGAND26和WEIGAND34協(xié)議的讀卡程序、3G無線通信程序和其它軟件。系統(tǒng)在分散于湛江地區(qū)的80個移動營業(yè)廳實地應(yīng)用表明，該設(shè)備讀卡正確率高、響應(yīng)快，數(shù)據(jù)存儲和無線傳輸穩(wěn)定可靠，可滿足大范圍分散地域的多種測控需求。

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