Ｗｉｅｇａｎｄ－ＲＳ ４８５轉(zhuǎn)換器的硬件設(shè)計(jì)

摘 要：Wiegand(韋根)協(xié)議和RS 485協(xié)議是安防系統(tǒng)運(yùn)用最廣泛的數(shù)據(jù)通信接口協(xié)議。提出了一種Wiegand協(xié)議和RS 485協(xié)議轉(zhuǎn)換的硬件設(shè)計(jì)方法，以 LPC922單片機(jī)作為控制核心，選用RS 485接口協(xié)議芯片，實(shí)現(xiàn)Wiegand協(xié)議和RS 485協(xié)議轉(zhuǎn)換。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)了Wiegand和RS 485的雙向通信，實(shí)現(xiàn)了Wiegand數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離傳輸，傳輸距離可達(dá)500 m以上。

關(guān)鍵詞：Wiegand協(xié)議;轉(zhuǎn)換器;RS 485協(xié)議;接口電路

中圖分類號(hào)：TN919文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B文章編號(hào)：1004373X(2008)1907202

Hardware Design of Wiegand-RS 485 Converter

ZHAO Xiaoqiang，JING Xiaoni

(Xi′an Institute of Post and Telecommunications，Xi′an，710061，China)

Abstract：Wiegand protocol and RS 485 protocol are widely used in the current security system，a hardware design method of Wiegand and RS 485 is proposed，in which RS 485 protocol chip is used and LPC922 processor is selected as the center controller.The experiment results present the designed converter can realize long distance communication between Wiegand and RS 485，converter′s communication distance can reach to 500 above.

Keywords：Wiegand protocol;converter;RS 485 protocol;interface circuit

1 引 言

Wiegand(韋根)協(xié)議和RS 485協(xié)議都是在門禁系統(tǒng)廣泛應(yīng)用的數(shù)據(jù)通信協(xié)議。Wiegand協(xié)議具有簡單、通用的優(yōu)點(diǎn)，但Wiegand協(xié)議通信的距離較短，一般短于80 m，而在某些應(yīng)用場合(如需集中管理門禁控制器的場合)，讀卡器到控制器的距離會(huì)遠(yuǎn)大于80 m，這就無法直接使用Wiegand接口的讀卡器。Wiegand讀卡器的缺點(diǎn)就是RS 485讀卡器的優(yōu)點(diǎn)。由于RS 485傳輸?shù)男盘?hào)為差分信號(hào)，大大提高了抗干擾的能力，使RS 485讀卡器的數(shù)據(jù)傳輸距離大大提高，通常采用通信波特率為19 200 b/s的情況下可達(dá)500 m。但由于至今為止也沒有一個(gè)讓各廠家廣泛接受的基于RS 485的通信協(xié)議，所以RS 485讀卡器應(yīng)用的廣泛度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及Wiegand讀卡器。

為了讓廣泛應(yīng)用的Wiegand讀卡器適用于讀卡器與控制器距離較遠(yuǎn)的場合，需延長Wiegand信號(hào)的傳輸距離，Wiegand/RS 485協(xié)議轉(zhuǎn)換器就是實(shí)現(xiàn)此目的放大器。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

2.1 Wiegand至RS 485轉(zhuǎn)換器應(yīng)用連接框圖

Wiegand至RS 485轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用連接圖如圖1所示。在讀卡器端和控制器端各有一個(gè)轉(zhuǎn)換器，讀卡器端的轉(zhuǎn)換器把讀卡器輸出的Wiegand信號(hào)轉(zhuǎn)換為RS 485信號(hào)，然后通過RS 485總線傳輸給控制器端的轉(zhuǎn)換器，再由控制器端的轉(zhuǎn)換器還原為Wiegand信號(hào)傳給控制器，信號(hào)是由讀卡器到控制器單向傳輸?shù)摹?/p>

2.2 Wiegand至RS 485轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)框圖

Wiegand至RS 485轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)框圖如圖2，主要包括Wiegand接口、MCU(信息處理單元)和RS 485接口三部分，MCU使用PHILIPS P89LPC922單片機(jī)。

2.3 Wiegand至RS 485轉(zhuǎn)換器硬件電路設(shè)計(jì)方案

Wiegand接口的Data0和Data1可以接到MCU的兩個(gè)I/O腳上，采用查詢的方式接收數(shù)據(jù)，但這樣接收并不可靠。比較好的方法是將Data0和Data1接到MCU的兩個(gè)中斷引腳上，采用中斷的方式接收數(shù)據(jù)。RS 485是串行通信協(xié)議，因此和MCU的連接通過串口就可以實(shí)現(xiàn)通信，如圖3所示。

2.4 Wiegand至RS 485轉(zhuǎn)換器軟件設(shè)計(jì)方案

為了便于程序調(diào)試，軟件設(shè)計(jì)過程要分模塊：Wiegand接收為一個(gè)模塊，Wiegand發(fā)送為一個(gè)模塊，RS 485發(fā)送為一個(gè)模塊，RS 485接收為一個(gè)模塊。主函數(shù)中直接調(diào)用這四部分。程序不僅要可以實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能，可讀性、可維護(hù)性都要好，因此程序設(shè)計(jì)中的函數(shù)名，變量名要代表實(shí)際意思。

3 硬件電路分析

3.1 電源電路原理圖

Wiegand至RS 485轉(zhuǎn)換器要求的工作電壓是9~15 V，SP485芯片的工作電壓是5 V，單片機(jī)的工作電壓是3.3 V。所以工作電壓必須經(jīng)LM7805轉(zhuǎn)化為5 V的電壓，再經(jīng)SPX1117-3.3 V低壓差(LDO)穩(wěn)壓器轉(zhuǎn)化為3.3 V的電壓才可以供單片機(jī)使用。電路如圖4所示，電路具有過壓過流和反向電壓保護(hù)功能。

3.2 Wiegand接口電路

電路原理圖如圖5所示。J2是Wiegand數(shù)據(jù)接口。上拉電阻R9，R10和R13可以實(shí)現(xiàn)沒有數(shù)據(jù)傳輸時(shí)單片機(jī)的接口引腳處于高電平狀態(tài)，INT0和SCL引腳為開漏結(jié)構(gòu)，外加5 V電壓;而INT1引腳不具有輸出高阻的狀態(tài)，為了降低功耗，防止額外的電流流入VDD，外接電源采用3.3 V。

3.3 MCU的接口電路

RS 485與MCU的接口電路如圖6所示。電路圖U4，U5，U6是光耦，U7是RS 485收發(fā)器，LED2是接收數(shù)據(jù)指示燈，LED3是發(fā)送數(shù)據(jù)指示燈，上拉電阻和下拉電阻都是限流作用。當(dāng)單片機(jī)RE/DE=0時(shí)，光電耦合器的發(fā)光二極管發(fā)光，光敏三極管導(dǎo)通，輸出高電壓(＋5 V)，選中U7的DE端，允許發(fā)送。當(dāng)單片機(jī)RE/DE=1時(shí)，光電耦合器的發(fā)光二極管不發(fā)光，光敏三極管不導(dǎo)通，輸出低電壓(0 V)，選中U7的RE端，允許接收。U7的RO端(接收端)和DI端(發(fā)送端)的原理與上述類似。當(dāng)有數(shù)據(jù)接收時(shí)，RXD端有數(shù)據(jù)變化，當(dāng)數(shù)據(jù)為0時(shí)，LED2導(dǎo)通發(fā)光，這樣就可以直觀的看到是否接收到數(shù)據(jù)。LED3原理與LED2相同，不同的是其為發(fā)送指示燈。

3.4 RS 485輸出電路的設(shè)計(jì)

電路設(shè)計(jì)如圖7所示，瞬態(tài)保護(hù)采用旁路保護(hù)方法，D5，D6為雙向TVS管，其穩(wěn)壓值應(yīng)保證符合RS 485標(biāo)準(zhǔn)，將信號(hào)幅度限定在-6～+6 V之間，進(jìn)一步提高抗過壓的能力。考慮到線路的特殊情況(如某一節(jié)點(diǎn)的RS 485芯片被擊穿短路)，為防止總線中其他分機(jī)通信受到影響，在SP485EEP的信號(hào)輸出端串聯(lián)了2個(gè)5.1 Ω的電阻R1，R2，這樣本機(jī)的硬件故障就不至于使整個(gè)總線的通信癱瘓。在應(yīng)用系統(tǒng)工程現(xiàn)場施工中，由于通信載體是雙絞線，它的特性阻抗為120 Ω左右，所以線路設(shè)計(jì)時(shí)，在RS 485網(wǎng)絡(luò)傳輸線的始端和末端應(yīng)各接1個(gè)120 Ω的匹配電阻，以減少線路上傳輸信號(hào)的反射。

4 結(jié) 語

所設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)了任何位數(shù)Wiegand數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為RS 485數(shù)據(jù)，而且轉(zhuǎn)換器不分發(fā)送端和接收端，無

需其他配置實(shí)現(xiàn)Wiegand數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為RS 485數(shù)據(jù)。 轉(zhuǎn)換

器具有過壓、過流，電壓反接保護(hù)電路，保證系統(tǒng)可靠工作。

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作者簡介

趙小強(qiáng) 男，1977年出生，碩士研究生，講師。主要研究方向?yàn)闇y(cè)控技術(shù)及嵌入式系統(tǒng)。

景小妮 女，1984年出生，工程師。主要研究方向?yàn)榍度胧郊夹g(shù)。