STM32門禁系統(tǒng)的4路韋根信號(hào)采集與處理※

劉靜靜

（蘇州高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，蘇州215009）

引 言

最近幾年，隨著感應(yīng)卡技術(shù)的發(fā)展，門禁系統(tǒng)得到了飛躍式的發(fā)展。各類射頻卡通過(guò)讀卡器讀取后，轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制數(shù)據(jù)，通常通過(guò)韋根信號(hào)接口與控制設(shè)備相連。韋根信號(hào)傳輸距離遠(yuǎn)、處理方便，一個(gè)處理器可以對(duì)多路韋根信號(hào)進(jìn)行處理，從而達(dá)到控制多路門的目的。本文從實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，探討一種新的韋根信號(hào)采集方法。

STM32系列是專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用設(shè)計(jì)的ARM Cortex-M3內(nèi)核的處理器。將STM32與門禁系統(tǒng)結(jié)合，是中低端智能門禁系統(tǒng)的較好選擇。

1 韋根協(xié)議與ID卡簡(jiǎn)介

韋根協(xié)議是摩托羅拉公司制定的一種通信協(xié)議。該協(xié)議適用于涉及門禁控制系統(tǒng)的讀卡器以及卡片的多種特性，具有多種格式，其中標(biāo)準(zhǔn)的26位是最常用的格式。

韋根26位輸出格式：E XXXX XXXX XXXX XXXX XXXX XXXX O

其中E表示前12位偶校驗(yàn)，X表示24位數(shù)據(jù)，O表示后12位奇校驗(yàn)，以上數(shù)據(jù)高位在前，從左至右順序發(fā)送。24位數(shù)據(jù)中前8位為ID卡的HID（隱含碼）低8位，后16位為ID卡PID（公開碼）。韋根數(shù)據(jù)輸出由兩根數(shù)據(jù)線組成，分別為DATA0和DATA1，兩根線輸出為“0”或“1”。輸出0時(shí)，DATA0線上出現(xiàn)負(fù)脈沖；輸出1時(shí)，DATA1線上出現(xiàn)負(fù)脈沖；無(wú)信號(hào)時(shí)，兩根線都為＋5 V高電平。負(fù)脈沖寬度為100μs左右，脈沖間隔為1 600μs左右。示波器上看到的韋根26信號(hào)如圖1所示。

圖1 韋根26數(shù)據(jù)波形

ID卡（Identification Card）即身份識(shí)別卡，是一種不可寫入感應(yīng)卡。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)采用EEPROM，存儲(chǔ)容量共64位，包括制造商、發(fā)行商以及用戶代碼。卡號(hào)在封卡前寫入，之后不可再更改，確保卡號(hào)的唯一性和安全性。ID卡的載 波 頻 率 為 125 k Hz（THRC12）或 13.56 MHz（THRC13），本設(shè)計(jì)使用的是常用的125 k Hz ID卡。

卡內(nèi)固化了64位數(shù)據(jù)，由5個(gè)區(qū)組成：9個(gè)引導(dǎo)位、10個(gè)行偶校驗(yàn)位P0～P9、4個(gè)列偶校驗(yàn)位PC0～PC3、40個(gè)數(shù)據(jù)位D00～D39和1個(gè)停止位S0。9個(gè)引導(dǎo)位是出廠時(shí)已經(jīng)掩膜在芯片內(nèi)的，其值為“111111111”。當(dāng)它輸出數(shù)據(jù)時(shí)，先輸出9個(gè)引導(dǎo)位，然后是10組由4個(gè)數(shù)據(jù)位及1個(gè)行偶校驗(yàn)位組成的數(shù)據(jù)串，其次是4個(gè)列偶校驗(yàn)位，最后是停止位“0”。D00～D13是一個(gè)8位晶體版本號(hào)或ID識(shí)別碼。D20～D93為卡號(hào)，是8組32位的芯片信息。通常，一張白卡上有兩段數(shù)據(jù)，前段數(shù)據(jù)為韋根34的卡號(hào)，后段數(shù)據(jù)為韋根26的卡號(hào)。后段數(shù)據(jù)常用逗號(hào)隔開，逗號(hào)前為一個(gè)字節(jié)的ID卡的HID碼，逗號(hào)后為兩個(gè)字節(jié)的ID卡的PID碼。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

CLRC632是NXP公司生產(chǎn)的應(yīng)用于13.56 MHz的非接觸式射頻讀卡芯片，本設(shè)計(jì)中采用4個(gè)CLRC632來(lái)讀取4個(gè)門的刷卡數(shù)據(jù)，并送入韋根信號(hào)采集電路的相應(yīng)通道中。4個(gè)讀卡器所輸出的數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)為：1DATA0和1DATA1、2DATA0和2DATA1、3DATA0和3DATA1、4DATA0和4DATA1。1號(hào)門所對(duì)應(yīng)的的讀卡器電路如圖2所示。

圖2 1號(hào)門讀卡器電路

其他3個(gè)門對(duì)應(yīng)的讀卡器電路與此類似，各門所輸出的數(shù)據(jù)送入對(duì)應(yīng)的韋根信號(hào)采集通道。通常，韋根信號(hào)傳輸?shù)木嚯x比較遠(yuǎn)，有很多干擾，若韋根信號(hào)線上出現(xiàn)低電平脈沖時(shí)受到干擾，電壓可能會(huì)被抬高，因此，在本設(shè)計(jì)中，在韋根信號(hào)采集電路的設(shè)計(jì)上采用了比較器。在比較器的反相輸入端接一個(gè)2 V左右的參考電壓，比較器同相輸入端接韋根信號(hào)。為了更好地得到韋根信號(hào)波形，在比較器的同相輸入端輸入信號(hào)前面，加入RC濾波電路以及TVS瞬態(tài)抑制二極管，韋根信號(hào)的脈沖寬度在100μs左右，所以在實(shí)際設(shè)計(jì)中，R和C的取值分別為10 kΩ和1000 p F，t＝RC＝10μs，濾去10μs左右的毛刺。

在沒有韋根數(shù)據(jù)到達(dá)前，韋根信號(hào)線上為高電平＋5 V，比較器輸出高電平；當(dāng)有韋根脈沖數(shù)據(jù)到達(dá)時(shí)，韋根信號(hào)線上為低電平，比較器輸出為低電平。將STM32的GPIO引腳設(shè)置為內(nèi)部上拉輸入，與比較器的輸出端相連，每路韋根信號(hào)有兩個(gè)輸出，4路共8個(gè)信號(hào)分別接在STM32的GPIO的PB8～PB15引腳上。同時(shí)，所有輸出端通過(guò)二極管線與的方式接入STM32的一個(gè)GPIO引腳PC3上，這樣，只要有一路信號(hào)為低電平，該GPIO引腳上就會(huì)讀到低電平，在軟件中將該引腳設(shè)置為外部中斷輸入，采用二極管線與的方式，可以節(jié)省一個(gè)與門芯片，節(jié)約了成本。二極管選用雙共陽(yáng)極二級(jí)管BAW56，供兩路信號(hào)共用。只要處理器的GPIO端口夠用，使用該方式就可以擴(kuò)展出更多路的韋根信號(hào)。4路韋根信號(hào)采集電路如圖3所示。

該采集電路中，比較器選用內(nèi)有4個(gè)比較器的LM339，使用兩片就可以滿足4路韋根信號(hào)的數(shù)據(jù)采集。LM339的輸出為集電極開路型，必須外加上拉電阻。LM339供電為＋3.3 V，韋根信號(hào)為＋5 V，但LM339內(nèi)部有鉗位電路，不會(huì)影響韋根信號(hào)的采集。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 4路韋根信號(hào)的采集

STM32的主頻為72 MHz，中斷響應(yīng)很快，為μs級(jí)，而韋根信號(hào)的兩個(gè)脈沖之間的時(shí)間間隔為1～2 ms。因此，在程序設(shè)計(jì)時(shí)，完全可以在每一個(gè)脈沖到來(lái)時(shí)就中斷一次，并進(jìn)入中斷響應(yīng)函數(shù)。中斷響應(yīng)函數(shù)所要完成的任務(wù)是：依次掃描STM32的GPIO口PB8～PB15，判斷哪個(gè)GPIO口為低電平，PB8～PB15依次對(duì)應(yīng)讀卡器1～4的DATA0、DATA1。對(duì)8個(gè)GPIO端口依次查詢是否為低電平，當(dāng)DATA0數(shù)據(jù)線上出現(xiàn)低電平脈沖時(shí)，將相應(yīng)的DATA[i]（i代表讀卡器號(hào)，取值范圍為0～3）數(shù)組變量右移1位，同時(shí)將計(jì)數(shù)變量數(shù)據(jù)I[i]的值加1；當(dāng)DATA1數(shù)據(jù)線上出現(xiàn)低電平脈沖時(shí)，將相應(yīng)的DATA[i]數(shù)組或者0x01再右移1位，同時(shí)將計(jì)數(shù)變量數(shù)組I[i]的值加1；當(dāng)計(jì)數(shù)變量數(shù)組I[i]的值等于26時(shí)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。將DATA[i]數(shù)組的值向右移18位，存儲(chǔ)在PID[i]數(shù)組中，右移兩位存儲(chǔ)在UID[i]數(shù)組中，同時(shí)將I[i]和 DATA[i]數(shù)組清零。

圖3 4路韋根信號(hào)采集電路

從以上4路韋根信號(hào)采集的分析中可以得出，利用上述的中斷查詢方法可以準(zhǔn)確地采集各路數(shù)據(jù)，并且4個(gè)通道互不干擾，邏輯清晰。其中，中斷響應(yīng)函數(shù)的設(shè)計(jì)流程如圖4所示。其中，4個(gè)通道依次進(jìn)行采集。

圖4 韋根信號(hào)采集軟件流程圖

3.2 4路韋根信號(hào)的處理

在本設(shè)計(jì)中，已經(jīng)注冊(cè)過(guò)的用戶信息都保存在STM32的Flash中。STM32F103RET6的Flash地址從0x 0800 0000到0x 0808 0000（共512 KB），該系統(tǒng)全部程序?yàn)?0 KB左右，程序設(shè)計(jì)時(shí)，從0x 0801 f800（第126K）處開始存儲(chǔ)ID卡的數(shù)據(jù)，從0x 0801 f800開始的4個(gè)字節(jié)存儲(chǔ)注冊(cè)卡記錄總數(shù)，從0x 0801 f804處開始正式存儲(chǔ)記錄數(shù)據(jù)，每4個(gè)字節(jié)為一條記錄；第一個(gè)字節(jié)為門號(hào)，共4個(gè)門，門號(hào)從01～04；第二個(gè)字節(jié)為ID卡的PID碼；第三和第四個(gè)字節(jié)為ID卡的UID碼。

當(dāng)采集到的韋根數(shù)據(jù)到達(dá)時(shí)，從Flash地址0x 0801 f800中讀出注冊(cè)卡的總數(shù)num，根據(jù)num依次循環(huán)檢查各門的數(shù)據(jù)，如果該卡已經(jīng)在該門注冊(cè)過(guò)，則控制電磁鎖開門，同時(shí)保存當(dāng)前韋根數(shù)據(jù)和系統(tǒng)時(shí)間，便于向上位機(jī)上傳數(shù)據(jù)。處理1號(hào)門韋根數(shù)據(jù)的程序流程圖略——編者注。其余各門的操作與之類似。

結(jié) 語(yǔ)

韋根信號(hào)采集的方法在現(xiàn)實(shí)門禁控制器中得到了很好的運(yùn)用，該方法能準(zhǔn)確無(wú)誤地獲得多路刷卡信息。該方法簡(jiǎn)便實(shí)用、容易實(shí)現(xiàn)，且穩(wěn)定可靠，也便于擴(kuò)展更多路的韋根信號(hào)采集，降低整個(gè)門禁控制器成本。

編者注：本文為期刊縮略版，全文見本刊網(wǎng)站 www.mesnet.com.cn。

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