摘 要：应用MIFARE射频技术，以NXP公司的LPC11C14ARM微处理器为控制核心，设计了一种基于CAN总线的电梯门禁控制器。详细介绍了电梯门禁控制器的功能及组成，硬件设计和IC卡读写的软件设计。在分析LPC11C14的CAN控制器工作原理的基础上，设计了门禁控制器与电梯轿内控制板之间进行数据交换的CAN通信协议，实现了对电梯使用权限的控制。
关键词：ARM；CAN；射频识别；读卡器
随着射频技术的飞速发展及日益成熟，非接触式射频卡日益受到人们的青睐，基于IC卡的门禁管理系统有了更广阔的应用前景。电梯门禁管理系统运用现代化软件和电子技术，通过计算机和电子设备以及智能IC卡（或ID卡）技术的有机结合，为管理者提高工作效率、节省人力，实现科学管理；同时又让使用者（业主）置身于智能化的生活当中，享受极大的方便和安全，提高生活品位[1]。
本文设计了一种基于CAN通信的电梯门禁控制器，使得物业管理公司或管理人员能对楼宇内各种人员的进出进行有效、安全的管理，控制了闲杂人员的进入。选择非接触式低功耗读写基站芯片RC522，利用其先进的调制解调概念及集成了13.56 MHz下所有类型的被动非接触式通信方式和协议的特性[2]，制作出操作简单、性能稳定、功能齐全的IC卡读卡器。通过计算，设计出天线滤波匹配电路，绘制天线线圈，与MIFARE S50卡产生谐振，读取卡中数据。
设计采用一种开放的CAN现场总线平台，门禁控制器以独立智能节点的形式连接到该总线上，控制器具有唯一的节点标识符[3]，给电梯系统传送相关数据。此方案充分考虑了刷卡间隔对CAN报文传送的影响，经过现场调试与改进，能可靠地实现刷卡呼梯的功能。
1 电梯门禁控制器设计需求
遵循操作简单、执行准确度高、数据安全、成本低的设计思想，基于CAN通信的电梯门禁控制器主要分为三部分：读卡部分、MIFARE S50卡、电梯CAN通信。门禁控制器的使用流程如图1所示。读取S50射频卡的EEPROM，向16个扇区中选择的块里写入自行设定的楼层信息资料。使用者凭借合法卡至电梯轿厢内刷卡。读卡器每隔一段时间发送一组固定频率的电磁波，卡内有一个LC串联谐振电路，其频率与读卡器发射的频率相同，在电磁波的激励下，LC谐振电路产生共振，从而使IC卡内的电容有了电荷，在这个电容的另一端，接有一个单向导通的电子泵，将电容内的电荷送到另一个电容内储存，当所积累的电荷达到2 V时，此电容可作为电源为其他电路提供工作电压，将卡内数据发射至MFRC522射频芯片。LPC11C14微控制器通过SPI串行接口收到MFRC522内存储的楼层信息，判断用户卡片类型，通过芯片内置的CAN控制器把报文传送至电梯，电梯轿内控制板根据与门禁控制器之间制定的CAN通信协议，选择内选或开放相应楼层按键。
2 门禁控制器的硬件设计
2.1 微控制器的选择
本系统所运用的LPC11C14 ARM微处理器以Cortex-M0为内核，是为嵌入式系统应用而设计的高性能、低功耗的32 bit微处理器。该款ARM所属的LPC1100系列是市场上定价较低的32 bit微控制器解决方案，其价值和易用性比现有的8/16 bit微控制器更胜一筹。该微处理器性能卓越、简单易用、功耗低，更重要的是，它能显著降低所有8/16 bit应用的代码长度。完善的LPC11C14外设包括：32 KB闪存，8 KB 数据存储器，1个CAN控制器，1个快速模式Plus I2C总线接口，1个EIA-485 UART，2个具有SSP功能的SPI接口，四个通用计数器/定时器，1个10 bit ADC，40个通用I/O引脚。
在门禁控制器中，LPC11C14的任务主要是通过CAN通信全程接收主板信息，了解电梯所处模式，控制刷卡模块，当且仅当电梯处于自动模式、司机模式、VIP模式时，刷卡有效；控制系统节拍，每隔一段时间寻一次卡以消除刷卡对CAN通信的干扰；读到卡后和轿内控制板进行通信握手，握手成功后蜂鸣器响，表示刷卡成功。
2.2 门禁控制器的硬件结构
此电梯门禁控制系统的硬件设计电路包括：RFID单元、CAN驱动器TJA1050、CORTEX_M0微处理器LPC11C14、电源模块及读卡指示单元。其硬件电路组成如图2所示。
设计的电梯门禁控制器需符合电梯CAN通信协议，能与轿内控制板、主板通信。读卡指示单元包括蜂鸣器及LED指示灯，在读合法卡和不合法卡时有不同指示。RFID射频单元采用非接触式读写卡芯片RC522[4]，该款芯片提供标准的数字接口，有利于减少连线、缩小PCB板面积，同时也降低成本。选择高速同步串行SPI接口与ARM连接，速度高达10 Mb/s。电梯系统供电为24 V，本设计拟运用在电梯系统中，CAN驱动芯片需5 V供电，射频芯片及ARM需3.3 V供电，所以供电系统电路选择以LM2575为核心的开关稳压集成电路及LM1117-3.3低压差电源调节芯片。
3 门禁控制器的软件设计
电梯门禁控制器使用KEIL C软件编程，通过J-Link对LPC11C14进行在线调试。软件程序设计关系到整个门禁控制器的稳定性、可靠性。其软件设计主要思想为：在上电初始化后，开看门狗，保证系统跑飞后能自行复位；程序不停地接收主板CAN信息，获取电梯所处状态，若电梯处于允许读卡状态，则可以读卡。再把读到的卡片信息通过CAN通信传给轿内控制板，轿内控制板发送确认信息给控制器，接收到确认信息，即握手成功，蜂鸣器响，LED灯亮，一次通信结束。门禁控制器的软件流程如图3所示。
3.1 CAN通信协议分析
LPC11C14内嵌CAN控制器和验收滤波器。验收滤波器为CAN控制器提供全局的报文标识过滤功能，能实现复杂的报文ID过滤，大大减轻微控制器的负担[5]。通过配置验收滤波器，使系统只接收广播的报文和目的ID号为本控制器的ID号的报文，系统一直接收CAN总线上的信息来判断电梯模式。CAN以报文形式传送信息，一条报文包含8 B，分三部分：目的ID号、命令字节、数据字节。控制器有CAN消息时，取出命令字节，根据命令字节判断电梯工作模式。
门禁控制器采用CAN中断方式从主板接收消息，在中断到来时把数据传送到队列中去，应用层判断队列是否为空，有数据则通过CAN接收数据函数CANMessageGet（）获得总线数据，数据接收流程如图4所示。
门禁控制器通过CAN向轿厢板发送消息，发送数据时，把数据放置在CAN的FIFO中，当发送完成后标志位置位，只有发送完成标志置位，才可以发送下一数据，也就是发送之前检查缓冲区是否为空，以防止数据丢失。数据发送流程如图5所示。
3.2 RC522射频单元软件设计
LPC11C14通过SPI方式控制MF RC522进行读写操作，ARM通过MOSI线将数据发到MF RC522，MF RC522通过MISO线发回至ARM。两根数据线上的信号电平在时钟信号上升沿到来时传送数据，在下降沿到来时才允许改变。读卡流程主要包括：（1）寻卡；（2）防冲突；（3）选择卡片；（4）密码验证；（5）读写；（6）休眠该卡[6]。LPC11C14对MIFARE S50卡操作的流程如图6所示。程序选择扇区1的块0存储每张卡片所能到达的楼层参数，块3存储了密码，卡片初始时默认密码为全1。因为一直寻卡对CAN收发有影响，所以在与轿内控制板通信时，设置了一段读卡间隔时间，保证通信正常。
基于CAN通信的电梯门禁控制器已成功地应用在了电梯项目中，其性能稳定可靠，功能齐全，使用非接触式IC卡，操作简便，安全性高，设计满足了对电梯楼层呼梯控制的要求，提高了楼宇的安全水平。经过现场调试与改进，采用CAN总线传输数据稳定可靠，易于调试与维护，性价比好。基于CAN总线的电梯门禁控制器以其可靠、稳定、灵活、快速的特点将有一个很好的应用前景。
参考文献
[1] 黎连业.智能大厦智能小区基础教程[M].北京：科学出版社，2000.
[2] 程东海，于海勋.新一代Mifare射频基站IC MFRC522在水表中的应用[J].电子技术应用，2005，31（10）：11-13.
[3] 孙炳阳.基于CAN总线的非接触式IC卡门禁与巡更监察系统[J].计算机工程与应用，2002（19）：243-245.
[4] 陈保平，王月波，马伯元.基于MF RC522的Mifare射频卡读写模块开发[J].微计算机信息，2007，23（11-2）：230-231.
[5] 曹均平，王长林.LPC2000系列的CAN总线验收滤波器应用[J].单片机与嵌入式系统运用，2007（1）：41，46.
[6] 黄俊祥，陶维青.基于MFRC522的RFID读卡器模块设计[J].微型机与应用，2010，29（22）：16-18.