摘 要： 應用MIFARE射頻技術，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控制板之間進行數據交換的CAN通信協議，實現了對電梯使用權限的控制。
關鍵詞： ARM；CAN；射頻識別；讀卡器
隨著射頻技術的飛速發展及日益成熟，非接觸式射頻卡日益受到人們的青睞，基于IC卡的門禁管理系統有了更廣闊的應用前景。電梯門禁管理系統運用現代化軟件和電子技術，通過計算機和電子設備以及智能IC卡（或ID卡）技術的有機結合，為管理者提高工作效率、節省人力，實現科學管理；同時又讓使用者（業主）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，使得物業管理公司或管理人員能對樓宇內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，利用其先進的調制解調概念及集成了13.56 MHz下所有類型的被動非接觸式通信方式和協議的特性[2]，制作出操作簡單、性能穩定、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卡產生諧振，讀取卡中數據。
設計采用一種開放的CAN現場總線平臺，門禁控制器以獨立智能節點的形式連接到該總線上，控制器具有唯一的節點標識符[3]，給電梯系統傳送相關數據。此方案充分考慮了刷卡間隔對CAN報文傳送的影響，經過現場調試與改進，能可靠地實現刷卡呼梯的功能。
1 電梯門禁控制器設計需求
遵循操作簡單、執行準確度高、數據安全、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刷卡。讀卡器每隔一段時間發送一組固定頻率的電磁波，卡內有一個LC串聯諧振電路，其頻率與讀卡器發射的頻率相同，在電磁波的激勵下，LC諧振電路產生共振，從而使IC卡內的電容有了電荷，在這個電容的另一端，接有一個單向導通的電子泵，將電容內的電荷送到另一個電容內儲存，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，將卡內數據發射至MFRC522射頻芯片。LPC11C14微控制器通過SPI串行接口收到MFRC522內存儲的樓層信息，判斷用戶卡片類型，通過芯片內置的CAN控制器把報文傳送至電梯，電梯轎內控制板根據與門禁控制器之間制定的CAN通信協議，選擇內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
本系統所運用的LPC11C14 ARM微處理器以Cortex-M0為內核，是為嵌入式系統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 數據存儲器，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；控制系統節拍，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構
此電梯門禁控制系統的硬件設計電路包括：RFID單元、CAN驅動器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通信協議，能與轎內控制板、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。電梯系統供電為24 V，本設計擬運用在電梯系統中，CAN驅動芯片需5 V供電，射頻芯片及ARM需3.3 V供電，所以供電系統電路選擇以LM2575為核心的開關穩壓集成電路及LM1117-3.3低壓差電源調節芯片。
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進行在線調試。軟件程序設計關系到整個門禁控制器的穩定性、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，若電梯處于允許讀卡狀態，則可以讀卡。再把讀到的卡片信息通過CAN通信傳給轎內控制板，轎內控制板發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，一次通信結束。門禁控制器的軟件流程如圖3所示。
3.1 CAN通信協議分析
LPC11C14內嵌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、數據字節。控制器有CAN消息時，取出命令字節，根據命令字節判斷電梯工作模式。
門禁控制器采用CAN中斷方式從主板接收消息，在中斷到來時把數據傳送到隊列中去，應用層判斷隊列是否為空，有數據則通過CAN接收數據函數CANMessageGet（）獲得總線數據，數據接收流程如圖4所示。
門禁控制器通過CAN向轎廂板發送消息，發送數據時，把數據放置在CAN的FIFO中，當發送完成后標志位置位，只有發送完成標志置位，才可以發送下一數據，也就是發送之前檢查緩沖區是否為空，以防止數據丟失。數據發送流程如圖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線將數據發到MF RC522，MF RC522通過MISO線發回至ARM。兩根數據線上的信號電平在時鐘信號上升沿到來時傳送數據，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1的塊0存儲每張卡片所能到達的樓層參數，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收發有影響，所以在與轎內控制板通信時，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。經過現場調試與改進，采用CAN總線傳輸數據穩定可靠，易于調試與維護，性價比好。基于CAN總線的電梯門禁控制器以其可靠、穩定、靈活、快速的特點將有一個很好的應用前景。
參考文獻
[1] 黎連業.智能大廈智能小區基礎教程[M].北京：科學出版社，2000.
[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].電子技術應用，2005，31（10）：11-13.
[3] 孫炳陽.基于CAN總線的非接觸式IC卡門禁與巡更監察系統[J].計算機工程與應用，2002（19）：243-245.
[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[J].微計算機信息，2007，23（11-2）：230-231.
[5] 曹均平，王長林.LPC2000系列的CAN總線驗收濾波器應用[J].單片機與嵌入式系統運用，2007（1）：41，46.
[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.