基于單片機的樓宇門禁系統的設計與實現

2、系統總體設計

2.1硬件的總體設計
為了使門禁系統智能化，需要一個主控芯片對整個門禁系統進行管理控制。接著還需要對應的模塊完成包括數字密碼驗證和IC卡識別驗證的功能。當出現非法闖入、驗證失敗等情況時還需要對操作人員進行警告。最后需要一個人機交互界面方便管理人員對門禁系統進行管理控制。硬件總體設計框圖如圖2.1所示。
本設計采用STM32F103為主控芯片，控制其他模塊，對信息進行處理運算。STM32相比于51單片機性能更快，引出的GPIO口更多，功能更加豐富，相比起其他高性能的嵌入式設備具有功耗低，成本低的特點，更加適用于低成本的智能化門禁系統。
MRC522射頻識別模塊與主控芯片STM32F103通過SPI接口連接，MRC522接收主控芯片發送的命令，進行相應的操作，并將內部發送數據給主控芯片。同時與搜索的IC卡進行通信，識別IC卡的信息。MRC522采用的是NFC原理與IC卡通信，有三輪認證機制，通信過程安全快速，同時擁有防沖突機制，可以在多張卡的情況下選擇卡片進行識別。同時IC卡相比對ID卡有密碼驗證方式，不容易被復制，更加的安全。
觸摸屏通過8080接口與STM32F103連接，觸摸屏包含液晶顯示屏和電阻屏。液晶顯示屏內帶有控制芯片和顯存，主控芯片只要向顯存寫入數據就可以在液晶顯示屏上顯示內容，使用起來方便，電阻屏也自帶有控制芯片，處理觸摸數據，可以降低對主控芯片性能的需求。管理人員可以通過按壓電阻屏進行操作，并看到液晶顯示屏的顯示信息，方便管理人員對門禁系統進行管理。觸摸屏還可以用于數字密碼驗證，解決用戶忘記攜帶IC卡的情況，同時數字密碼可以作為管理人員的驗證方式。為了更好地反饋操作結果，提供錯誤警告，使用RGB等和蜂鳴器作為報警系統。
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圖2.1 硬件總體框圖

3.系統的硬件設計

3.1 STM32芯片
本次采用STM32F103VET6芯片作為主控芯片，該芯片對外有100個引出的GPIO接口，方便和其他模塊進行連接，從而控制其他模塊，實現更多的功能。還有512K FLASH閃存，64KRAM，充足的內存可以讓芯片裝載的程序更大，存儲的數據更多。芯片的實物圖如圖3.1所示。

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圖3.1 STM32F103VET6實物圖
STM32F103內部已經經過了封裝，由內核和片上外設構成。STM32F103采用的是由ARM公司研究設計Cortex-M3內核，外接晶振可達72MKZ主頻，性能強大。STM32F103包含了SPI、I2C、USART接口，這些是芯片生產廠商在內核上擴展的功能，讓芯片的性能和作用更加的強大，可以管理和控制更多的設備。STM32F1系列的框圖如圖3.2所示。
本次設計使用了SPI接口來對射頻識別模塊MRC522進行通信和管理控制，從而實現IC卡驗證的功能，還通過普通的GPIO口來對RGB燈和蜂鳴器進行控制，完成報警的功能。
3.2射頻識別模塊
3.2.1 功能特性
本設計采用MFRC522模塊來識別IC卡，實現開門驗證的功能。MFRC522模塊內部已經集成了各自器件，包括天線、邏輯控制功能、寄存器。模塊引腳圖如圖3.3所示。
MFRC522中的內部發送器，可以驅動讀寫器天線，給IC卡提供能量，發送數據給IC卡，接收IC卡發送的信息，進行通信。接收器的解調電路可以將IC卡發送的數據載波進行解調轉為二進制數據，譯碼電路則將二進制數據轉為信息，表示 IC卡傳輸的數據，數字電路部分可以對傳輸的數據進行處理，錯誤檢測。
3.2.2 通信原理
當主控芯片讀取MRC522寄存器的數據時，STM32主機第一個字節發送一個地址，從機發送無效數據。第二個字節時，MRC522才返回對應地址的數據。可以根據地址的格式可以判斷是讀地址還是寫地址。當最高位是1時，是讀數據，最高位是0時，是寫數據。主機和從機的數據根據時鐘信號同時發送傳輸，先發送最高位。
當要向MRC522的寄存器寫一個數據時，STM32芯片發送一個寫數據的地址，然后第二個字節發送數據。在寫數據時，MRC522返回的數據是無效數據，可以忽略。當發送的是地址時，地址的最高位代表是讀地址還是寫地址，中間六位代表地址，最低位默認位0。
MISO和MOSI傳輸的每一個字節都是高位在前，在時鐘上升沿保持不變，在下降沿改變。NSS信號必須為低，方便在一個數據流中發送多個字節。為了發送多個數據流，NSS必須在數據流之間設置為高電平。因為時鐘開始為低，所以在下降沿改變需要第二個跳變沿。因此在設置SPI傳輸的時鐘極性等于0，時鐘相位等于1。SPI通信時序圖如圖3.2所示。

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圖3.2 SPI通信時序圖

4、系統的軟件設計

4.1 系統的初始化
STM32標準庫：
在實際開發中會發現，有時使用同一個內核，只是生產廠商不同，片上外設有少許的差異，也會導致相互之間的程序不能移植。為了解決這個問題，ARM公司與芯片廠商之間建立了一個標準標準。即 CMSIS 標準，實際上是建立了一個軟件抽象層。屏蔽了具體的硬件之間的差異，使軟件的兼容性更好。
而本次設計采用的STM32的標準庫。就是按照 CMSIS 標準建立的。很多底層的初始化，寄存器地址聲明都包含在里面。使用標準庫開發，可以加快項目進展。從ST的官網中獲取標準庫，將其中需要用到的文件包含到項目中。下面這些文件是開發中需要使用到的必要文件，如果我們要使用STM32F1系列芯片，都必須把文件包含到項目中。還有一些外設的文件，在使用的時候再添加進來。
（1）寄存器地址和寄存器數據結構定義文件
<system_stm32f10x.c><stm32f10x.h>
（2）內核相關文件
<system_stm32f10x.c>|<system.stm32f10x.h>|<core_cm3.h>|<core_cm3.c>
（3）外設驅動文件
<misc.c>|<stm32f10x_ppp.c>|<misc.h>|<stm32f10x_ppp.h>
（4）啟動文件
< startup_stm32f10x_hd.s>
（5）還有中斷服務函數，系統時鐘初始化，包含外設等函數相關的文件。<stm32f10x_it.c>、<stm32f10x_it.h>、<stm32f10x_conf.h> 。
外部設備初始化：
由于STM32的外設很多，為了降低功耗，每個外設都對應著一個時鐘，在芯片剛上電的時候這些時鐘都是被關閉的，如果想要外設工作，必須把相應的時鐘打開。使用的GPIO口也要根據作用，對輸入輸出方式，傳輸速度等進行設置。因此要先將模塊使用的GPIO口進行配置，在標準庫中，已經有宏定義定義了GPIO口對應的寄存器的別名，并且將這些配置封裝在一個結構體中。所以只要打開時鐘，配置功能結構體就可以完成外設的初始化操作。。
因為MRC522使用的是SPI方式與STM32通信，因此除了配置對應GPIO口的結構體，還需要將其GPIO口功能設置為SPI模式。并且設置SPI傳輸模式、相位和極性、傳輸速度。
本次設計中的液晶顯示控制器ILI9341通過8080接口和STM32通信。如果使用普通的GPIO口進行模擬，效率很低，在STM32中使用FSMC外設來管理擴展存儲器，因為想要在液晶屏上顯示數據，就要通過接口把數據寫入到內存上，這個和FSMC控制存儲器相似。經過驗證，可以使用FSMC接口來實現8080的通信時序，從而控制液晶顯示屏數據顯示。
觸摸屏初始化的配置首先要開啟時鐘和端口引腳，模式配置，以及顯示屏的各種參數設置。廠家已經提供了參數的配置數據，將封裝好的函數文件直接包含到項目中即可。最終使用寫入控制命令和寫入數據兩個函數來顯示想要文字圖片。
為了節約成本，沒有進行外擴內存卡。只使用少量的內存，想要顯示圖片有些困難。為了實現基本的操作界面，采用循環寫入像素點的方式，進行動態繪制操作界面。這個跟圖像的顯示很類似，但節約了內存空間，通過運算力來換取存儲空間。
4.2 主函數功能
系統程序采用輪詢的方式，當初始化完成，進入while循環，不斷重復進行判斷，當有操作時，執行對應的操作。主循環邏輯框圖如圖4.1所示。
首先進行主控芯片的初始化，調用各個初始化函數進行初始化。之后進入主函數，進入循環。接著在循環里，判斷當前的菜單界面標志位，從而在屏幕中顯示對應的界面。上電復位的初始狀態位于主界面，觸摸屏顯示四個按鈕，輸入密碼，增加IC卡，刪除IC卡，修改密碼。接著先進行判斷是否識別到IC卡。跳轉到識別IC卡的函數中去，如果當通訊范圍內搜尋到IC卡，則執行IC卡驗證函數。否則跳出，回到主循環。接著進入到觸摸屏檢測函數，如果觸摸屏被按下，主控芯片對按下的位置進行判斷。如果是按鈕對應的位置被按下，則跳轉到對應的界面的函數，同時界面標志位改變，液晶顯示屏進行刷新。如果不是，則回到主函數，進行下一輪的循環。