基于ARM的3G無線射頻測控平臺設計與應用

陳 峰 ， 韓曉英

（1.華南理工大學 土木與交通工程學院，廣東 廣州，510641；2.廣州大學 實驗中心，廣東 廣州 510006；3.廣東省公共網絡安全風險評價與預警應急技術研究中心，廣東 廣州，510075）

隨著3G技術的發展，TD-SCDMAD等3G無線網絡已經覆蓋廣州等十多個大中型城市。自2005年以來，3G上網流量一直保持著接近300%的增速，基于3G網絡的增值應用具有廣闊的發展前景。

筆者將3G無線網絡單元與射頻接收端統一于ARM7微處理器平臺，設計了基于ARM的3G無線射頻測控平臺，可有效滿足分散地域的多種測量控制需求。

1 系統硬件結構設計

系統結構由ARM微處理器、HID設頻模塊、3G無線模塊、外部實時時鐘、多個模擬數字接口和存儲單元6部分組成。考慮到開發周期、系統穩定性等問題，ARM微處理器采用西門子LPC2214微處理器芯片，HID射頻模塊采用成熟的ProcPoint公司6005B型HID讀卡器，3G無線模塊采用華為em560、em200、em770w模塊系列，內嵌TCP/IP協議無線通信模塊。系統結構如圖1所示?？紤]到準確計時和批量保存考勤數據的需要，擴展了I2C總線的外部時鐘芯片1337和采用備用電池供電的外部靜態ROM存儲單元CY62157ESL。

圖1 基于ARM的3G無線射頻測控系統結構Fig.1 Systiem structure of 3G wireless measure and control machine based on ARM microprocessor

1.1 3G無線模塊相關電路設計

3G模塊選用華為 em560、em200、em770w模塊系列、帶TPC/IP協議的無線模塊。該無線模塊系列的3種產品，分別支持TD-SCDMA、CDMA2000、WCDMA3G無線通信技術，通過簡單的模塊替換，即可兼容不同格式的3G網絡。系統支持AT命令及增強AT命令，提供豐富的語音和數據業務等功能。

由于該系列模塊通過RS232接口實現與主機的通信，因此選用了SP3243E作為232電平的轉換芯片。其接口電路如圖2所示。圖中左側所接電路為無線通信模塊的RS232接口，右側電路接入LPC2214微處理器芯片串口1相關管腳。

圖2 3G無線模塊接口電路Fig.2 Circuit of 3G wireless model interface

1.2 基于WEIGAND協議的射頻讀卡器接口電路設計

HID射頻模塊采用成熟的ProcPoint公司6005B型HID讀卡器。該讀卡器輸出信號支持WEIGAND26和WEIGAND34協議。

電路設計中，將LPC2214的P0.16和P0.20多路復用管腳功能設置為外部中斷0和外部中斷3，采用外部中斷的方式實現對6005B型HID讀卡器DATA0和DATA1路數據每次讀卡過程26個或34個脈沖信號的采集。由于HID讀卡器輸出為標準TTL電平，ARM微處理器為低功耗CMOS電平，該處使用了74LVX4245電平轉換芯片，將5 V標準輸入轉換為3.3 V。

接口電路如圖3所示。圖中左側最上端兩個管腳為LPC2214的輸入管腳，通過對74LVX4245的22腳接低電平實現輸入電壓轉換。

圖3 HID讀卡器接口電路原理Fig.3 Circuit of HID card reader interface

1.3 系統通用IO接口電路設計

LPC2214接口功能豐富，擁有8路10位ADC、PWM輸出以及多達9個外部中斷。通過配制總線，最多可提供76個通用IO接口。

由于讀卡器和無線串口占用了16個通用IO接口，以及其他系統占用了部分接口，因此將P2口的P2.0到P2.31接口設計為32個通用數字I/O接口，通過簡單的寄存器設計設置為16入、16出；將P3口的P3.0到P3.9接口設置為10路模擬輸入接口。該種設計使得系統具備16路數字輸入、16路數字輸出和10路模擬信號輸入的能力，成為一臺具有豐富I/O接口的通用測控平臺。

2 系統軟件結構設計

軟件系統主要圍繞穩定可靠的3G無線通信和兼容WEIGAND26和WEIGAND34協議的讀卡識別兩方面展開。通過在西門子LPC2214微處理器芯片中植入μC/OS-Ⅱ操作系統，增強了系統程序的穩定性。其中，3G無線通信程序主要參考國際通用的AT指令集，實現模塊與微處理器的信息交換?？紤]到目前的主流讀卡協議為WEIGAND26和WEIGAND34協議兩種，讀卡軟件的編寫在兩種協議的兼容性方面進行了特殊的設計。

2.1 3G無線通信軟件結構設計

整個軟件體系如圖4所示，首先啟動μC/OS-Ⅱ系統，建立主任務，進行串口等的初始化，然后通過串口信號線驅動Modem，AT指令集進行一系列Modem參數設置，并撥號到GGSN，新建PPP任務進行數據鏈路層和網絡層的協商，得到IP，完成上網過程。此時可以建立發送數據任務，作為客戶端向網絡主機發送建立TCP連接請求，經過2次握手成功后，雙方TCP連接狀態都到達ESTABLISH（建立連接）狀態[4]，此時便可以將搜集到的數據通過套接字傳輸回網絡主機，完成傳輸任務[5]。接下來可以結束任務或等待下一次采集數據時間到，再次進行傳輸。

圖4 3G無線通信軟件流程Fig.4 Flow chart of 3G wireless communication program

2.2 HID射頻讀卡識別軟件設計

WEIGAND（韋根）協議在數據的傳輸中只需兩條數據線，一條為DATA0，另一條為DATA1。協議規定，兩條數據線在無數據時均為高電平，如果DATA0為低電平代表數據0，DATA1為低電平代表數據1（低電平信號低于1 V，高電平信號大于4 V）。兩個脈沖間的時間間隔在200 μs到 20 ms之間。

韋根26位輸出格式：

E XXXX XXXX XXXX XXXX XXXX XXXX O

其中，第1位E表示前12BIT偶校驗碼，最后1位O表示后12BIT奇校驗碼，第2位到第9位為區域碼，第10位到第25位為卡號。以上數據從左至右順序發送。高位在前。韋根34與韋根26的區別在于區域碼由8位擴展到16位，首尾的校驗碼均為16位而不是12位校驗碼。

考慮到現有HID射頻卡多為WEIGAND26和WEIGAND34兩種格式，設計了可兼容兩種協議的讀卡程序。

程序流程如圖5所示。采用捕捉外部中斷的方式對DATA0和DATA1的脈沖計數，同時記錄脈沖間隔時間。當脈沖間隔時間>30 ms時，認為一次讀卡過程結束。若脈沖數等于26或34，作為WEIGAND26卡或WEIGAND34卡處理，記錄卡號和讀卡時間；否則，丟棄數據，通過顯示屏和喇叭發出刷卡失敗報警信息，提示使用人員重新刷卡。

圖5 兼容WEIGAND26、34協議的讀卡程序流程Fig.5 Flow chart of WEIGAND26 and 34 compatibility reading cards program

系統數據校驗采用32位CRC校驗 （循環冗余校驗）方式：在發送端根據要傳送的k位二進制碼序列，以一定的規則產生一個校驗用的r位監督碼（CRC碼），附在原始信息后邊，構成一個新的二進制碼序列數共k+r位，然后發送出去。在接收端，根據信息碼和CRC碼之間所遵循的規則進行檢驗，以確定傳送中是否出錯。該種校驗方法檢錯能力強，占用系統資源少，用來檢測或校驗數據傳輸或者保存后可能出現的錯誤，是進行數據傳輸差錯檢測地一種很好的手段。

3 系統應用

以該無線測控平臺為基礎，針對湛江移動分公司多個分散營業廳統一考勤需要，通過設計相應的上位機軟件，系統以無線統一考勤的方式在散布于湛江地區80個移動營業廳開展了應用。從應用結果看來，該系統對WEIGAND26和WEIGAND34協議的不同種類HID卡均可正確識別，讀卡響應快，數據存儲和無線傳輸穩定可靠。

圖6為散布于湛江地區80個移動營業廳的無線考勤系統15天（21 600 min）實際運行在線率統計結果。從圖中可看出，除56號機等處于偏遠地區，經實際測試無線信號很弱的設備掉線時間較長外，90%的無線測控平臺在線率達90%以上，系統運行穩定可靠。

圖6 系統試運行在線率統計Fig.6 Online ratio of trail running

4 結 論

將華為3G無線模塊與HID讀卡器統一于西門子LPC2214 ARM微處理器芯片，設計了一種基于ARM微處理器的3G無線測控硬件平臺，在此基礎上，設計了可兼容WEIGAND26和WEIGAND34協議的讀卡程序、3G無線通信程序和其它軟件。系統在分散于湛江地區的80個移動營業廳實地應用表明，該設備讀卡正確率高、響應快，數據存儲和無線傳輸穩定可靠，可滿足大范圍分散地域的多種測控需求。

[1]秦霆鎬，張婷婷.基于ARM的非接觸式指紋IC卡一體機的設計[J].儀表技術，2006（6）：11-15.

QIN Ting-gao，ZHANG Ting-ting.Design of untouched fingerprint and IC card machine based on ARM microcontroller[J].Instrument Technique，2006（6）：11-15.

[2]岳云峰，韋根.（Wigand）協議及其應用[J].齊齊哈爾大學學報，2002（6）：56-58.

YUE Yun-feng，WEI-gen.Wigand protocol and application[J].Journal of Qiqihar University，2002（6）：56-58.

[3]周立功.ARM微控制器基礎與實戰[M].北京：北京航空航天大學出版社，2003.

[4]苗啟廣，魏樂，王寶樹，等.基于uClinux的嵌入式軟件開發架構[J].計算機工程與設計，2004，25（6）：881－883.

MIAO Qi-guang，WEI-Le，WANG Bao-shu，etal.Software developmentframework based on uClinux [J].Computer Engineering and Design，2004，25（6）：881 －883.

[5]蘆東昕，張華強，王陳.基于UDP的可靠數據傳遞技術環境[J].計算機工程，2003，29（22）：62－63.

LU Dong-xin，ZHANG Hua-qiang，WANG Chen.Reliable data transmit technique environment based on UDP[J].Computer Engineering，2003，29（22）：62－63.

[6]華為GTM560無線模塊 AT命令手冊 [EB/OL].（2007－07－12）.http：//www.elecfans.com/soft/.