白龍溫，賈 銘

(1.天津機電職業(yè)技術學院，天津 300401；2.河北工業(yè)大學，天津 300401)

隨著數(shù)字信息化時代到來、經(jīng)濟和科技的不斷發(fā)展，人們對生活品質有了更高的追求，生活的各個領域整日趨凸顯高效便捷和智能化，這就使得電子儲物柜在商場、體育館、車站、超市等地方應用越來越廣泛。但這些傳統(tǒng)儲物柜存在如下缺點：1)一般使用密碼條、鑰匙進行存取，存在存取效率低下、密碼條攜帶不方便且易丟失、信息無法監(jiān)控等缺點；2)使用MCU作為主控芯片并直接驅動柜門，受限于芯片的管腳數(shù)量，不能很好擴展大量儲物柜。在人數(shù)眾多且校園卡(一卡通)廣泛普及的高校當中，電子儲物柜的需求量大、使用率高，使用嚴格的校園卡識別等方法，可以高效、安全地進行儲物柜的管理和使用，為此在校園的圖書館、食堂、體育場等人流密集場所配置一種校園卡識別的低成本、易擴展、響應快的智能儲物柜將具有積極的意義[1]。

為此，本文設計一款基于STM32和FPGA的可擴展智能儲物柜，通過配置多塊擴展接口板可快速擴展儲物柜數(shù)量，使用RFID識別技術的校園卡打開指定物品柜，該系統(tǒng)會自動保存儲物柜使用記錄，實現(xiàn)了監(jiān)控等功能。

1 系統(tǒng)設計

整體系統(tǒng)框圖如圖1所示，主要分為核心處理板、擴展接口板、上位機平臺，以及校園卡RFID讀卡器，220 V交流電源適配器，柜門的電磁動作機構等其他部分。

上位機登記學生校園卡號和儲物柜號碼，并通過TCP協(xié)議將卡號等信息通過網(wǎng)口下發(fā)到核心處理板并存儲。學生使用校園卡后，擴展接口板解析RFID讀卡器發(fā)來的卡號信息并通過串口轉發(fā)到核心處理板，核心處理板接收該卡號信息進行查找比對，并通知對應的擴展接口板打開相應的儲物柜，同時將卡號等信息上發(fā)上位機進行記錄保存，從而實現(xiàn)信息監(jiān)控功能。

核心處理板的主控芯片為ST公司的STM32F407，該單片機基于ARM公司的Cortex-M4內核設計，時鐘頻率可達168 MHz，自帶1MB FLASH和192 KB RAM，具有高性能、低成本、低功耗的優(yōu)點，是嵌入式應用設計中良好的選擇[2]。為保證讀卡信息的實時響應和快速TCP通信，MCU運行UCOS-II實時操作系統(tǒng)和LwIP協(xié)議棧。UCOS-II是一個實時可剝奪系統(tǒng)內核的嵌入式操作系統(tǒng)，包括資源同步、資源管理、任務之間通信，多達64個任務，通過任務間的不同優(yōu)先級來調度任務運行。LwIP是一個小型開源的輕量級TCP/IP的協(xié)議棧，由于其對RAM和ROM需求較低，在中低端嵌入式系統(tǒng)中應用廣泛[3-4]。

擴展接口板以FPGA為控制核心，F(xiàn)PGA具有并行效率高、IO管腳多、使用靈活、擴展能力強等特點。選用型號為Altera公司的CycloneIII系列的EP3C25F324，普通IO管腳達215個，每個IO管腳即可驅動一個電磁動作機構，可擴展儲物柜數(shù)量達200個。FPGA還進行RFID卡的協(xié)議解析，可以大大減輕MCU解析協(xié)議造成的資源和時間開銷，減少系統(tǒng)響應時間，并且后期更新擴展新校園RFID卡協(xié)議和增加其他擴展功能也更方便。

一塊核心處理板SRAM存儲信息可達上萬條，配置多塊擴展接口板即可大量擴展儲物柜，各個擴展接口板之間通過串口通信，最終由擴展接口板0緩存所有卡號信息并和核心處理板通信。

其中RFID讀卡器通信協(xié)議為26位韋根協(xié)議，電源適配器為整個系統(tǒng)提供二次電源12 V和5 V。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 核心處理板的硬件設計

核心處理板硬件方案如圖2所示。

存儲模塊包括FLASH和SRAM，F(xiàn)LASH為學生卡號等信息存儲模塊，STM32將接收到卡號信息存儲到該FLASH中，型號為Winbod公司的SPI接口FLASH，W25Q128。當系統(tǒng)啟動后，將FLASH中學生卡號信息加載到SRAM中，STM32通過FSMC接口訪問SRAM，以便快速檢索卡號信息，SRAM型號為IS62 WV51216，原理圖見圖3。

DP83848為網(wǎng)口的外部PHY芯片，采用RMII接入形式，相比MII的方式可減少一半的接入信號數(shù)量，網(wǎng)口模塊原理圖見圖4。

2.2 擴展接口板的硬件設計

擴展接口板硬件方案如圖5所示。

FPGA的程序存儲FLASH選型為M25P16，時鐘和存儲器配置原理圖見圖6。

電源輸入主要包括12 V和5 V，12 V為繼電器和RFID讀卡器供電。繼電器為隔離驅動模塊，是驅動柜門的電磁動作機構。

5 V電源模塊為整板其他模塊供電，采用TI公司的TPS650243，可輸出1.8 V，3.3 V，1.2 V，2.5 V等多路電壓，分別供給FPGA的核電壓、AUX電壓、接口電壓和其他外設器件等，其原理圖見圖7。

3 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件按照功能模塊分為核心處理板STM32軟件、擴展接口板FPGA軟件和PC上位機軟件，工作流程圖如圖8所示。

當RFID讀卡器讀取卡號后，以韋根協(xié)議的形式發(fā)送給FPGA，卡號由PID(2字節(jié))和HID(1字節(jié))組合而成3個字節(jié)，F(xiàn)PGA解析出PID和HID后通過串口UART1發(fā)送給STM32，同時STM32根據(jù)PID和HID讀取SRAM對應地址內柜門號碼，如存在則將該柜門號碼通過串口UART2發(fā)送給FPGA，F(xiàn)PGA譯碼后驅動對應號碼繼電器，從而打開對應柜門。同時STM32通過TCP告知上位機卡號等信息，以便上位機監(jiān)控記錄。

FPGA軟件使用Verilog語言，以Modelsim 10.0C作為代碼邏輯仿真軟件，最終使用Quartus II 13.1作為編譯和調試平臺。程序主要包括韋根協(xié)議解析模塊，F(xiàn)IFO，UART1串口模塊，UART2串口模塊和IO口輸出等模塊。對于如圖1所示的擴展接口板0，其他擴展接口板控制的串口1和串口2均和擴展接口板0的預留串口通信，故擴展接口板0的FPGA程序需單獨增加調度緩存模塊，負責緩沖記錄各個擴展接口板發(fā)來的卡號信息，并通過串口UART1和UART2與核心處理板通信。其程序結構如下圖見圖9。

3.1 STM32軟件設計

STM32軟件采用C語言設計，使用Keil軟件作為編譯和調試工具。STM32接收到信息更新后，存儲所有學生的卡號和對應柜門號到FLASH中。每次更新完會員信息后，自動重新啟動系統(tǒng)，以便將FLASH中會員信息加載到SRAM中。為了快速方便檢索，直接將會員卡號作為SRAM地址，對應柜門號作為數(shù)據(jù)內容。

由于STM32運行實時操作系統(tǒng)，可以多任務搶占式工作，其軟件流程如圖3所示，主要包括初始化和多任務設計兩部分[5]。

初始化包括內容如下：

1)系統(tǒng)初始化以及外設自檢：系統(tǒng)時鐘和內存初始化等，中斷分組配置，串口初始化，F(xiàn)lash和SRAM初始化，F(xiàn)lash和SRAM自檢。

2)學生信息加載：通過SPI接口讀取FLASH內學生信息并更新到SRAM中。

3)UCOSII初始化：操作系統(tǒng)核心程序包括任務控制塊初始化，任務就續(xù)表等初始化。

4)LWIP協(xié)議棧初始化：TCP/IP內核協(xié)議初始化，PHY芯片DP8838驅動配置(IO初始化、時鐘初始化、中斷初始化、寄存器配置)，IP地址，子網(wǎng)掩碼和默認網(wǎng)關設置等。

5)客戶端線程初始化：創(chuàng)建TCP客戶端任務，創(chuàng)建TCP連接，綁定端口，進入監(jiān)聽模式，收發(fā)數(shù)據(jù)。該任務基于NETCONN進行TCP/IP編程，NETCONN結構類似標準BSD Socket，對各種類型連接函數(shù)做了統(tǒng)一封裝，相當于提供了一個API調用接口，方便配合操作系統(tǒng)使用，方便快速大量數(shù)據(jù)通信[6]。

6)起始任務創(chuàng)建：創(chuàng)建其它全部任務。

7)啟動多任務：開始Start任務，UCOSII 根據(jù)任務優(yōu)先級和掛起等狀態(tài)自動切換任務調度。

多任務設計如下，按照各個任務的優(yōu)先級由先及后排列(見圖10)。

①TCP客戶端任務(task1):TCP客戶端啟動進入監(jiān)聽模式，接收和發(fā)送TCP數(shù)據(jù)。

②SRAM查找任務(task2):接收STM32串口UART1信息，搜索SRAM地址查找對應柜門號，并通過STM32串口UART2輸出，并通過TCP上傳卡號。

③FLASH更新任務(task3)：更新學生卡號等信息到FLASH。

④工作正常任務(task4)：狀態(tài)工作指示燈

⑤開始任務(task5)：Start任務

3.2 上位機軟件

使用C++作為編程語言，應用了QT框架和SQlite數(shù)據(jù)庫。SQLite數(shù)據(jù)庫是一款輕型的文件型數(shù)據(jù)庫，主要應用于嵌入式領域，支持跨平臺移植，而且得到了QT很好的默認支持[8]。SQlite數(shù)據(jù)庫用于記錄學生信息，包括卡號、姓名、柜號、手機號、開柜時間等信息。上位機作為服務器，其TCP接口通信使用QT框架下的SOCKET類進行編程，用于向STM32更新卡號信息和接收存儲其發(fā)來的卡號使用信息，并添加系統(tǒng)時間作為開柜時間記錄，更新到數(shù)據(jù)庫當中。其調試界面如圖11所示。

4 結論及系統(tǒng)改進

本系統(tǒng)充分利用Ucos-II實時操作系統(tǒng)多任務和LwIP輕量型協(xié)議棧的優(yōu)勢，并利用FPGA并行處理效率高、易擴展等特點，實現(xiàn)了RFID卡韋根協(xié)議解析、系統(tǒng)和上位機TCP協(xié)議互傳、快速搜索學生信息、儲物柜數(shù)量擴展等功能，系統(tǒng)工作狀態(tài)良好，響應迅速，滿足設計需要。但需注意的是本系統(tǒng)中采用RFID卡號作為SRAM的尋址地址，尋址地址存在限制。例如本文選取FSMC_NE3作為SRAM的片選信號，STM32內部尋址空間為0x6800_0000到0x6BFF_FFFF，26位韋根協(xié)議ID卡占用3字節(jié)，正好滿足需求。若RFID卡協(xié)議后期更改為32位，則不能使用卡號作為SRAM尋址地址，只能使用柜門號作為尋址地址，ID卡號作為內容，這樣需遍歷SRAM才能找到對應ID卡號，會增加系統(tǒng)時間開銷。