（信号与信息处理专业论文）基于stm32的网络门禁控制系统设计.pdf

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一个处理器方便对多路韦根信号进行处理从而 达到控制多路门的目的 本文设计了四路韦根信号的采集与处理 上位机的设计采用 v i s u a lc 和p y t h o n 语言编写 操作简单 p y t h o n 程序在后台运行 得到用户 实时刷卡数据 v c 上位机用来注册新用户等 关键词 门禁控制 l w m 协议 e n c 4 2 4 j 6 0 0 网络控制器 韦根信号 s t m 3 2 芯片 作者 陈聪 指导老师 曲波 t h en e t w o r ka c c e s sc o n t r o ls y s t e md e s i g n b a s e do ns t m 3 2 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fs m a r tt e c h n o l o g ya n dt h ew i d e s p r e a dp r o m o t i o no f c o m p u t e ra p p l i c a t i o n s s m a r tc a r d sc a i lb es e e ne v e r y w h e r ei no u rl i v e s r a d i on i e q u e n c y i d e m i f i c a t i o nc a r d sa r c 伊a d u a l l yr e p l a c i n gt h e 仃a d i t i o n a lc o n t a c t l e s si cc a r d b e c o m i n g t h en e wn e n d i nt h ef i e l do fs m a nc 莉s a c c e s sc o n t m la n da t t e n d a n c em a n a g e m e n t s y s t e mu s i n gr fc 盯dr e a d e rt e c h n o l o g y m a i n l yu s e di ne n t e r p r i s e s s c h o o l s i n t e l l i g e n t c o m m u n i t y f a c t o r s e c u r i t y a n e n d a n c e 觚do t h e rw o r k n o w i th 弱b e c o m et h em a i n n e n d si nt l l ef i e l do fas a f ew o r k i n ge n v i r o n m e n t p e r s o 肌e la t t e n d a n c em a n a g e m e n t t h e a c c e s sc o n n o ls y s t e mc o m b i n e se t h e m e tt e c l l i l o l o g yg r e a t l ye l l h 锄c et h es y s t e m sr e a l t i m e a i l dv e r s a t i l i t y e t h e m e ti sn o wo n eo ft i l em o s tw i d e l yu s e dl a n t h ee t h e m e tb a s e do n t c p 口p r o t o c o lh 嬲 f e a t u r e so fl o n gd i s t a n c e 仃 a n s m i s s i o n g e n e r i ci n t e r f a c ea n d c o n v e n i e mc o m m u n i c a t i o n n o t0 n l yw i d e l yu s e di nt h ec o m m e r c i a ls p h e r e b u ta l s oi n t 0 i n d u s t r i a le q u i p m e n ti nt h ef i e l d t h ed e s i g n0 ff o u rw e b 书嬲e da c c e s sc o n n o ls y s t e m c 锄s i m u l t a i l e o u s l yc o n n o lf o u r s i n g l ed 0 0 r e v e r yd o o rh a sai i e a l t i m ea n e n d a n c e向n c t i o n u s e r sc a nu s et h eh o s t c o m p u t e rt or e g i s t e ran e wu s e r m o d i f yt h ec o n 仃o l l e r 口a d d r e s sa n dd o o t h e ro p e m t i o n s s t m 3 2 fl0 3 r e t 6i su s e d 弱t l l em a i nc h i p t h es t m 3 2f a m i l yc h i p si sl o wp o w e r c o n s u m p t i o n c o s t e f f t i v e m a t u r ea n ds t a b l ep r o d u c t t h eh a r d w a 陀d e s i g no ft h ec o n t r o l p a n e i u s et h ep r i n c i p i eo fp r a c t i c a ls t 2 i b i l i t ya n ds a v i n gc o s t i i le m b e d d e ds o r w a r e t 0 r e a l i z et h en e t w o r kc o n t r o lm n c t i o n t h es t m 3 2p r o c e s s o rn a n s p l a n t st c p 口p r o t o c o i s t a c kl w ma n dc o m b i n e st h em i c r o c h i pn e w l yd e v e l o p e dn e t w o r kc o n 仃讲l e rc h i p e n c 4 2 4 j 6 0 0 a c c e s sc o n t r o u e r 硒m es e r v e ro ft c pc o m m u i l i c a t i o n r fc a r dc o n v e r t e d i n t ob i n a r yd a t am m u g hm e 硎i a d e ru s u a l l yv i aw i e g a n di n t e r f k ec o n n e c t i n gt o c o n o i l e r w i e g a n ds i g i l a lc a n 价m s m i td i s t a n c e 锄dp r o c e s sc o n v e m e n t ap r o c e s s o ri s c o n v e i l i e n tt od e a lw i t hm u l t i p l ew i e g a i l ds i g n a j 卸dt l l u st oc o n t r 0 im u l t i p l ed o o r s t l l i s t i l en e t w o r ka c c e s sc o n ls y s t e md e s i g nb a s e do ns t m 3 2 a b s t r a c t p a p e rd e s i g n e df b u rw i e g a n ds i g n a la c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n g t h ed e s i g no ft h eh o s t c o m p u t e ru s i n gv i s u a ic a n dp h o nl a n g u a g et ow r i t e s i m p l et oo p e r a t e p y t h o n p r o g r a mr u n si nt h eb a c k g r o u n dt og e tu s e rr e a l t i m ec r e d i tc a r dd a t a t h ev ch o s tu s e dt o r e g i s t e rn e w u s e r sa n ds oo n k e y w o r d s a c c e s sc o n t r o l l w i p a 伊e e m e n t e n c 4 2 4 j 6 0 0n e t w o r kc o n t r o l l e r w i e g a n d t h es t m 3 2c h i p i n w r i t t e nb y c h e nc o n g s u p e r v i s e db y q ub o 目录 第一章绪论 1 1 1课题背景 1 1 2国内外研究动态 3 1 3本课题的主要工作内容 3 第二章系统方案设计及关键技术介绍 5 2 1 系统方案设计 5 2 2 韦根协议与d 卡简介 6 2 3l w 口协议栈简介 8 2 4p y t h o n 语言简介 1 0 2 5 本章小结 l l 第三章系统硬件设计 1 2 3 1 控制器系统设计 1 2 3 2 s t m 3 2 f 1 0 3 x x 芯片简介及引脚分配 1 3 3 2 1s t m 3 2 f 1 0 3 x 芯片简介 1 3 3 2 2s t m 3 2 f 1 0 3 r e t 6 引脚分配 1 3 3 3 四路韦根数据采集硬件设计 1 5 3 4 继电器选型及驱动电路 1 7 3 5e n c 4 2 4 j 6 0 0 芯片介绍及硬件电路设计 1 9 3 5 1e n c 4 2 4 j 6 0 0 芯片简介 1 9 3 5 2e n c 4 2 4 j 6 0 0 硬件电路设计 2l 3 6电源模块 2 2 3 7 时钟电路设计 2 3 3 8 u a r t 和j t a g 接口 2 4 3 9 本章小结 2 6 第四章系统软件设计 2 7 4 1 系统软件模块 2 7 4 2 四路韦根信号的采集 2 8 4 3四路韦根数据的处理 3 0 4 3 1s t m 3 2f l a s h 操作 3 0 4 3 2 韦根数据处理 3 2 4 3 3 延时程序编写 3 3 4 3 4r t c 程序编写 3 4 4 4基于e n c 4 2 4 j 6 0 0 的网络实现 3 5 4 4 1e n c 4 2 4 j 6 0 0 驱动编写 3 5 4 4 2e n c 4 2 4 j 6 0 0 与l w m 协议接口函数 3 7 4 4 3t c p 服务器的设计与实现 4 0 4 5 本章小结 4 3 第五章上位机程序设计 4 4 5 1基于v c 的上位机设计 4 4 5 2基于p y t h o n 的上位机程序设计 4 8 5 3 本章小结 5 2 第六章总结与展望 5 3 6 1 总结 5 3 6 2 系统改进与展望 5 3 参考文献 一5 5 攻读硕士学位期间公开发表的论文 一5 7 附录l网络门禁控制器硬件线路图 t o p v l e w 5 8 附录2网络门禁控制器硬件线路图 b o t t o mv i e w 5 9 附录3 网络门禁控制器实物图 6 0 致 射 6 l 雉十s t m 3 2 的州络门禁栉制系统改计第一章绪 论 1 1课题背景 第一章绪论 在数字信息技术 网络技术飞速发展的今天 门禁技术也得到了迅猛的发展 在 办公室 酒店客房等公共场所几乎已经见不到传统的机械门锁 取而代之的足随处可 见的门禁系统 在这些公共场所用单纯的钥匙管理很麻烦 钥匙丢失或人员更换都要 把锁和钥匙一起更换 而门禁系统操作方便 安全可靠 即便i d 卡丢失也可以给用 户重新配备 i l 而随着门禁技术的不断发展 它也不仅仅是过去单纯的进出门管理系 统 已经发展成为一套完整的出入管理系统 它在工作环境安全 人事考勤管理等领 域中发挥着巨大的作用 现如今 公司也越来越注重人员管理和实时考勤 而门禁系 统是他们的最好选择 门禁系统既能避免闲杂人员进入公司各部门 避免公司重要财 物的丢失又能对公司员工进出各部门进行一个统计l 2 1 目前市面上常见的门禁产品主要有以下几种类型 l 以独立门禁控制器为主体的独立型简单门禁系统 这种独立控制器将读 卡器与门禁控制电路集成在一起 通过控制器表面的按键实现各种功能设置 如 添加卡片 删除卡片等 只要进行登记的卡片 无论何时 一刷卡都可以 输入开门信号 这种门禁控制器不能联网 不需要后台软件驱动 只能单门单 控 这种独立型简单门禁系统只适用于小的办公室简单的出入控制 没有其它 一些严格的安全控制逻辑 如 时段 组合等 也不提供丌门同志 无法对其出 入的人员进行监控和检查 2 以考勤机输入丌锁信号为主体的联网型考勤 门禁系统 这种考勤 门禁 机是在原有的成熟的考勤机的基础上 通过加一个 或多个 丌锁信号接口而实现 的 这种考勤 门禁机一般都带有液晶显示屏 小键盘 同时可外接一个 或多个 读卡器 以实现将考勤 门禁机安装在室内的需要 另外 这种考勤门禁机支持 通过r s 4 8 5 联网 后台支持简单的考勤软件 简单的门禁管理软件 与考勤软件 集成在一起 3 以专业门禁控制器 独立读卡器为主体的联网型专业门禁系统 这种门 1 第一章绪论基于s 刚3 2 的网络门禁拎制系统设计 禁系统的主体分为三部分 专业门禁控制器 独立标准的读卡器和专业的电源机箱 其中门禁控制器装在电源机箱内 构成一个整体 电源机箱为整个系统提供电源供应 包括 稳皿变压和备用电功能 电源机箱一般被安装在室内较隐蔽的 安全的地方 与考勤门禁机不同的是 这种门禁系统是专业的出入安全控制系统 包括所有硬件和 软件的设计功能都是完全针对出入安全控制需要的 3 l 射频识别 r f i d 卡技术是近几年发展起来的一项新技术 作为现代信息技术 领域中最具活力和前途的高新技术 随着大规模集成电路 网络通信 信息安全等技 术的发展 已进入全面的商业化应用阶段 它对人类进入信息化 数字化社会的巨大 推动作用j 下同益显现出来 它成功结合了射频识别技术和i c 卡技术解决了无源和免 接触的难题 射频识别卡正逐渐取代传统的接触式i c 卡 成为智能卡领域的新潮流 射频识别卡具有无源 免接触 通常操作距离在8 一l o c m 使用寿命长 可高速通信 且不受恶劣环境影响 安全可靠不读卡的几率几乎为o 等优点 在现今的生活中几乎 随处可见 按不同的方式射频卡有以下几种分类 4 5 l 按供电方式分有有源卡和无源卡 有源卡是指卡内有电池提供电源 其作用 距离较远 识别动目标能力强 但需要定期更换电池 无源卡内无电池 但其作用距 离近 识别动目标能力低于有源卡 2 按载波频率分有低频射频卡 中频射频卡 高频射频卡 低频射频卡主要有 1 2 5 k h z 和1 3 4 2 l h z 两种 用于短距离 低成本的应用中 如多数的门禁控制 校园 卡 动物监管 货物跟踪等 中频射频卡主要为1 3 5 6 m h z 用于门禁控制和需传送 大量数据的应用系统 高频射频卡主要为4 3 3m h z 9 1 5m h z 2 4 5 g h z 微波 5 8 g h z 微波 等 高频系统应用于需要较长的读写距离和高读写速度的场合 其天线 波束方向较窄且价格高 应用于火车监控 高速公路收费等系统 3 按调制方式的不同分为主动式和被动式 主动式射频卡用自身的射频能量主 动发送数据给读写器 被动式射频卡用调制散射方式发送数据 必须利用读写器的载 波来调制信号 4 按作用距离可分为密耦合卡 作用距离小于l 厘米 近耦合卡 作用距离小 于1 5 厘米 疏耦合卡 作用距离小于l 米 和远距离卡 作用距离从l 米到1 0 米 甚至更远 2 皋十s t m 3 2 的i 叫络门禁控制系统设计第一市绪论 5 按 芭 片分有只读卡 读写卡和c p u 卡 以太网 e t h e m e t 足目前广泛使用的一种局域网 以t c p m 协议为甚础的以太网 具有远距离传输 通讯和方便快捷的特点 不仅广泛地应用在商业领域中 而且还进 入了工业设备领域 门禁系统的通讯方式也不局限于单门不通讯 r s 2 3 2 r s 4 8 5 通讯 越来越多的厂家在研发网络门禁控制系统 1 2 国内外研究动态 目前 门禁市场经过十多年的发展已丌始进入成熟期 产品设计与新技术应用已 里多元化 集成化发展 针对门禁功能的应用已不再局限于单一门禁控制应用的需求 由于国内外市场的不断发展变化 门禁技术的发展呈现二条主线模式 一是国外门禁 厂商以技术领先引导的综合性门禁与安防控制的技术路线 一是国内以智能卡技术应 用为主的一卡通平台模式 把门禁管理融合到一卡通整体平台管理体系中 门禁一卡 通平台的丌发给门禁系统的多元化应用扩展了空i 日j 作为门禁一卡通智能识别系统的 前端 目前 国内外研制和使用的门禁系统主要集中在感应门禁系统和生物识别门禁 系统 根据主流市场又分为以非接触式i c 卡为主的产业链及指纹门禁为主的辅助产 业链 二者均为提供完善门禁一卡通应用解决方案提供服务 在生物识别的门禁系统 的单个产业链中 生物识别技术的应用主要限于门禁及考勤 指纹识别产品仍然占据 主导地位 其他如人脸识别 虹膜识别 掌形识别 声纹识别以及最新的d n a 识别 仍处于推广阶段 而指纹识别门禁系统的应用已成为生物门禁市场的首选 由于指纹 门禁产品核心部件指纹读头使用次数 寿命 的问题 已大大阻碍了其市场推广因素 随着安防设备网络化的演变 门禁系统与视频监控 和防盗报警功能将进一步的融合 集成了防盗报警设备及c c t v 监控系统 联动空调灯光控制等智能化管理系统中的 节能服务管理 必将成为未来门禁一卡通产品的发展趋势 1 3 本课题的主要工作内容 本课题研究并设计了基于s t m 3 2 芯片的网络门禁控制器 可以同时控制4 个门 并将每个门的刷卡数据通过网络上传 主要适用于中小型企业的门禁控制和实时考勤 数据记录 系统主要工作可以划分为硬件设计和软件设计两大部分 3 第一章绪论幕f s t m 3 2 的网络门禁挡制系统设计 硬件设计主要工作 1 处理器核心电路设计及引脚分配 2 基于e n c 4 2 4 j 6 0 0 的网络接口设计 该网络设计资料不多 基本需要自己研 究实践 3 四路韦根信号的采集硬件电路设计 该设计既要能j 下确接收四路韦根数据同 时要尽量节约成本 4 其它外围电路的设计 包括 电源模块设计 r t c 模块设计 继电器模块设 计 u a r t 串口模块设计等 软件设计主要工作 l 移植t c p 协议栈l w p 结合e n c 4 2 4 j 6 0 0 的网络底层驱动实现网络基本 功能 并能作为t c p 服务器与客户端通信 2 设计四路韦根信号的采集 d 卡的注册 数据的保存 刷卡数据的上传等 3 其它辅助程序的编写 如r t c u a r t 定时器等 4 上位机程序的设计 包括基于v c 的上位机软件和基于p y t h o n 的上位机 软件 v c 上位机主要功能是利用s o c k e t 网络通信修改系统的时间 口地址 注 册新卡等 p y t h o n 上位机主要是通过与系统的网络通信将用户刷卡信息保存在本 地磁盘的e x c e l 表中 本文主要内容如下 1 第一章简述了本课题的背景和国内外研究动态 需要完成的工作及对本文 主要内容进行一个简介 2 第二章 主要阐述了总体设计方案 用到的一些协议及p h o n 软件的简介 3 第三章给出了基于s t m 3 2 的网络门禁控制系统的硬件实现 并详细介绍了 各个模块的设计思想及硬件构成 4 第四章介绍了基于s t m 3 2 的网络门禁控制系统的软件实现 详细讲述了 e n c 4 2 4 j 6 0 0 网络底层程序的编写 四路韦根信号的采集及处理等过程 5 第五章介绍了上位机软件的编写 包括v c 上位机和p h o n 上位机的编写 过程 6 第六章对全文进行了总结 并对下一步工作进行了展望 4 桀十s t m 3 2 的网络门禁拧制系统设汁 第 二帝系统方案改计及关键技术介绍 第二章系统方案设计及关键技术介绍 2 1 系统方案设计 系统由门禁控制器 韦根读卡器 丌门丌关 电磁锁和p c 机组成 它们以门禁 控制器为中心 控制器与电脑通过网线相连 控制器外接四个电磁锁 四个丌门丌关 四个韦根读卡器 火警丌关 火警警报器 报警丌关 报警警报器 门禁控制系统的主要功能有 l 已注册过的用户在门外刷卡时 门禁控制器控制电磁锁开门 当有用户在门 内按下丌门开关时 门禁控制器控制电磁锁丌门 2 如果有非法用户刷卡或者报警按钮按下时启用报警输出 当火警按钮按下时 启用火警输出 3 控制器不与电脑连接时用户可以独立的进出房间 控制器与电脑相连时 运 行电脑中的p h o n 上位机程序 该程序定时向控制器索要用户的实时刷卡信息 并 将这些信息保存到本地磁盘的e x c e l 表中 这些信息包括当前同期 用户刷卡时恻和 用户卡号 4 当控制器的系统时间或m 地址需要修改 有新用户需要注册 有老用户需要 删除时 运行v c 上位机进行相应操作 控制器与电脑问通过t c p 方式进行通信 d 卡与控制器问的通信方式通常可选 用r s 4 8 2 r s 2 3 2 韦根协议等 设计时为了方便控制多路刷卡数据的接收而选择了 韦根协议 系统的示意图如图2 一l 所示 5 第二章系统方案设计及关键技术介绍基于s 1 m 3 2 的网络门禁控制系统设计 2 2 韦根协议与d 卡简介 图2 l 系统示意图 韦根协议是由摩托罗拉公司制定的一种通讯协议 是国际上统一的标准协议 它 主要用于d 卡的数据传输 是门禁控制系统常用的通信方式 它没有定义通讯的波特 率 也没有定义数据长度 主要是定义数据传输方式 它有很多格式 如3 4 b 3 7 b i t 等 标准的2 6 b i t 是一种开放式格式 几乎所有门禁控制系统都接受2 6 b i t 格式 本设计 中即采用这种常用的格式 6 7 韦根2 6 b i t 输出格式为 ex x x xx x x x x x x xx x x x x x x xx x x xo 其中e 表示前1 2 b r i 偶校验 x 表示2 4 位数据 o 表示后1 2 b r r 奇校验 以上数据从左 至右顺序发送 高位在前 2 4 位数据的前八位为d 卡的卸d 隐含码 的低8 位 后1 6 位为m 卡的p 公开码 韦根数据输出由二根线组成 分别是d a 仉旧和d a t a l 二根线分别为 o 或 1 输出 输出o 时d a t a o 线上出现负脉冲 输出l 时d a l r a l 线上出 现负脉冲 无信号时两根线都为 5 v 高电平 负脉冲宽度为1 0 0 u s 左右 脉冲间隔为 l 左右 示波器上看到的韦根2 6 b i t 的波形如图2 2 所示 6 埔十s t m 3 2 的州络门禁控制系统 殴汁第一二带系统方案设计及关键技术介绍 图2 2 韦根2 6 数据波形 上图中黄色为d a t a o 数据线 绿色为d a t a l 数据线 从图中可以看出脉冲宽度 远小于脉冲间距离 d a t a o 和d a t a l 数据线上不可能同时出现低电平 符合韦根协 议 常用的韦根读卡器有4 根线分别是v c c d a l r a o d a t a l 和g n d i d 卡 i d e n t i f i c a t i o nc a r d 全称为身份识别卡 是一种不可写入的感应卡 主要 有台湾s y r i s 的e m 格式 美国h d t i m o t o r o l a 等各类i d 卡 8 1 数据存储采用 e e p r o m 存储容量共6 4 位 包括制造商 发行商和用户代码 卡号在封卡前 写入后不可再更改 绝对确保卡号的唯一性和安全性 如果将一张i d 卡拆丌 可以看到里面是由线圈和一小块e e p r o m 组成 d 卡的载波频率为1 2 5 k h z t h r c l 2 或1 3 5 6 m h z t h r c l 3 本设计使用常用的1 2 5 k h z 的d 卡 d 卡数 据采用曼彻斯特编码 l 对应着电平下跳 0 对应着电平上跳 卡内固化了6 4 位数据 由5 个区组成 引导位 9 位 行偶校验位 1 0 位 列偶校验位 4 位 数据位 4 0 位 和停止位 1 位 引导位是出厂时就已掩膜在芯片内的 其值为 1 1 1 1 1 1 1 1 1 当 它输出数据时 首先输出引导位 然后是依次输出1 0 组数据 每组数据由4 个数据位 和1 个行偶校验位组成 其次是4 个列偶校验位 最后是停止位 o 通常我们看到 张白卡f 有两段数 f i 其中前段数据为 手 根3 4 的卡号 后 段数据为韦根2 6 的卡 后段数掘通常用逗号隔丌 其中逗号前为一个字节的 i d 膏的h i d 码 逗号后为两个字竹的i d 卡的p i d 码 一张i d 譬i 的两段数掘如图 2 3 所示 8 0l l 2 三l74 7 三 三 4 52 1 l 图2 3i dki 的数据 7 第一二章系统方案设计及关键技术介绍 基于s 刑3 2 的网络门禁控制系统设计 图中后半段数据1 8 2 o x b 6 即为m 卡的h i d 码 4 6 6 2 4 0 x b 6 2 0 即为d 卡的 p d 码 由此可知这张卡的韦根2 6 b i t 的发送数据即为 q 凹虹虹盥业且业盥q 幽q q q q 工 e b6b6 2 oo 2 3l w i p 协议栈简介 l w i p 是瑞典计算机科学院丌发的一种丌源t c p p 协议栈 它可以在无操作系 统的软件平台下移植 它实现的重点是在保持t c p p 协议主要功能的基础上减少对 r a m 的占用 因此也适合在中低端的嵌入式系统中应用 9 1 l w i p 协议中的数据包用p b u f 结构体定义 该结构体的主要定义如下 s t r u c tp b u f s 仃u c tp b u f 木n e x t v o i d 木p a y l o a d u 1 6 jt o l i e n u l ql e n u 8 jt y p e u 8 jn a g s u 1 6 jr e f n e x t 指针指向下一个p b u f 数据包 p a y l o a d 指针指向当前包的数据区内容 t o l i e n 表示当前的p b u f 的长度和在p b u f 链中接下来的p b u f s 的所有l e n 领域的总数 l e n 表 示当前p b u f 的长度 t y p e n a g s 代表p b u f 的类型 p b u f 具有三种类型 p b u fr a m p b u fr o m 和p b u fp o o l r e f 领域包含一个参考计数 下面简单介绍网络中各层在l w 口中的实现1 1 0 1 1 j l 网络接口 1 w 口用一个类似于b s d 的网络接口结构来描述物理硬件 通过 n e x t 指针 网络接口被连成一个全局链表 网络接口的定义如下 s m j c tn e t i fl s t r u c tn e t i f 木n e x t s n l j c ti p a d d ri 咿d d r s n l l c ti p a d d r 北t m 私k r 綦于s t m 3 2 的网络门禁挡制系统1 5 2 汁第二帝系统方案i 5 2 计及关键技术介绍 s t l l j c tl p a d d rg w e 1 1 t 木i n p u t s t r u c tp b u f 木p s t m c tn e t i f i n p e 1 1 t 冰o u t p u t s t l u c tn e t i f 牛n e t i cs t 九j c tp b u f p s t l l l c ti p a d d r 木i p a d d r e n t 木l i n k o u t p u t s t n l c tn e t i f 水n e t i f s t l l j c tp b u f 木p l n e x t 指针指向下一个接口 i p a d d r n e t m a s k g w 分别代表i p 地址 子网掩码和默认 网关 由m 层调用 当硬件接收到数据包时 调用i n p u t 指针指向的函数 当口模块 有数掘包发送时调用o u t p u t 指针指向的函数 当a r p 模块有数据包发送时调用 l i n k o u t p u t 指针指向的函数 n e t i f 还定义了 些状态旧调函数等 当配置了该功能时 使用 在这罩不一一介绍了 2 p 层 1 w i p 仅仅实现p 最基本的功能 它可以发送 接收和转发包 但不 能发送或接收分割的i p 包 也不能处理带m 选项的包 接收i p 包时先调用i p i n p u t 函数 接下来 函数通过网络接口的m 地址检验目的地址以确定包是否去往主机 发 送包时调用函数i p o u t p u t 它使用函数i p r o u t e 寻找适当的网络接口来发送包 当确定发送包的网络接口后 调用i p 0 u t p u l i f 函数 如果没有网络接口的m 地址 和传进包的目的地址相同 这个包应当转发 利用函数i p f 0 刑a r d 对包进行转发 3 传输层 传输层协议主要包括t c p 传输控制协议 和u d p 用户数据包协议 t c p 提供的是面向连接 可靠的字节流服务 当客户和服务器彼此交换数据前 必须 先在双方之间建立一个t c p 连接 之后彳 能传输数据 t c p 提供超时重发 丢弃重 复数据 检验数据 流量控制等功能 保证数据证确传输 u d p 是一个简单的面向 数掘报的运输层协议 它不提供可靠性 只是把应用程序传给m 层的数据报发送出 去 并不能保证它们能到达目的地 但它的传输速度很快 根据可靠性要求 本设计 选用的是t c p 传输协议 由于t c p 协议比较复杂 其代码几乎占整个l w i p 协议的5 0 基本t c p 处理 有六个函数 t c p 输入处理函数有t c p i n p u t t c p p r o c e s s t c p r e c e i v e t c p 输出 处理函数有t c p w r i t e t c p e n q u e u e t c p 0 u t p u t 当应用程序想要发送t c p 数 据包时 首先调用t c p w r i t e 函数 t c p w r i t e 将控制权交给t c p e n q u e u e 该函数 根据数据包情况将数据分成合适大小的t c p 段放进发送队列 接下来t c p o u t p u t 9 第 二章系统方案设计及关键技术介绍基于s 埘3 2 的网络门禁控制系统设计 函数检查数据是否可以发送 如果可以发送则使用i p u t e 和i p 0 u t p u l i f 两个函 数将数据发送出去 输入时先调用t c p i n p u t 函数 该函数将进行初始检验并决定属 于哪个t c p 连接 然后调用t c p p r o c e s s 处理 它实现t c p 状态机和其他任何必须的 状态转换 如果一个连接处于从网络接收数据的状态 将调用函数t c p r e c e i v e 把段 上传给应用程序 如果段构成未应答数据的a c k 数据将从缓冲被移走并且收回该 存储区 同样 如果接收到请求数据的a c k 这时t c 凹u t p u t 将被调用 基本t c p 处理流程图如下图2 4 所示 一 固一一 应用层 t c p j r i t e t c p 佗 i v c t c p e n q 嘴u c t c p p r o c 髂s 传输层 1t c p o u l p u t 卜 t c p i n p u t tt i p r o u l e l i p o u t p u t i f i i p i n p u t 网络层 n e t i f o u t p u t n e t i f i n p u t 网络接u 层 图2 4 基本t c p 处理流程图 l w 口的源程序分为a p i c o r e n e t i f 三块 印i 为应用层的一些函数 c o r e 是整 个1 w i p 协议的核心 主要是i p 层和传输层的一些函数 n e t i f 主要是为网络接口层定 义的一些函数 2 4p y t h o n 语言简介 p h 伽语言是一种面向对象 直译式计算机程序设计语言 其上手较快 语法简 洁清晰 具有丰富和强大的类库供用户调用 它能够很轻松的把用其他语言制作的各 种模块 尤其是c c 轻松地联结在一起 p 灿o n 语言的特色主要如下所述 l 简单易学 p y t h o n 是一种代表简单主义思想的语言 有极其简单的语法 2 免费丌源 p 灿o n 是自由丌放源码软件 可以自由地发布这个软件的拷贝 阅读它的源代码 对它做改动 把它的一部分用于新的自由软件中 1 0 皋f s t m 3 2 的州络门禁挡制系统设计第一 帝系统方案设汁及关键手支术介绍 3 p h o n 足一门高层语言 在编写程序的时无需考虑如何管理程序使用内存一 类的底层细竹 4 p h o n 的可移植性非常强大 由于它的丌源本质 已经被移植在许多平台上 这些平台包括l i n u x w i n d o w s f r e e b s d m a c i n t o s h s o l a r i s o s 2 a m i g a a r o s a s 4 0 0 b e o s o s 3 9 0 z o s p a l mo s q n x v m s p s i o n a c o mr i s c0 s v x w o r k s p l a y s t a t i o n s h a 叩z a u r u s w i n d o w sc e 甚至还有p o c k e t p c 5 基于p h o n 的程序不需要编译成二进制代码 可以直接从源代码运行程序 在计算机内部 p h o n 解释器把源代码转换成字节码的中i 日j 形式 然后再把它翻译成 计算机使用的机器语言并运行 因此 只要把p h o n 程序拷贝到另外一台计算机上 就可以工作了 使p h o n 程序更易于移植 6 p h o n 既支持面向过程的编程也支持面向对象的编程 7 p h o n 具有可扩展性和嵌入性 部分程序可以用c 或c 编写 然后在p h o n 程序中使用它们 也可以把p y t h o n 嵌入c c 程序 从而向程序用户提供脚本功能 8 p y t h o n 有丰富的标准库 可以处理i f 则表达式 文档生成 单元测试 线程 数据库 网页浏览器 c g i f t p 电子邮件 x m l x m l 求p c h t m l w a v 文 件 密码系统 g u l 图形用户界面 t k 和其他与系统有关的操作 除了标准库以 外 还有许多其他高质量的库 如w x p y t h o n t w i s t e d 和p h o n 图像库等等 2 5本章小结 本章介绍了门禁系统的主要构成和设计方案 详细介绍了韦根协议 i d 卡数据 存储格式及其与韦根协议的关系 t c p 口协议栈l w m 协议及其各层的实现 并对 p h o n 语言及其优势做了简单介绍 第三章系统硬件设计基于s 1 m 3 2 的网络门禁控制系统设计 3 1 控制器系统设计 第三章系统硬件设计 门禁控制器硬件设计时在保证系统稳定实用的前提下 尽量节约器件和设计成 本 同时为了使整个控制板简洁美观 设计中的电阻电容都采用0 6 0 3 封装 1 2 1 门禁 控制器的硬件接线图如图3 1 所示 图3 一l控制器系统硬1 l 接线框图 系统的c p u 采用3 2 位处理器s t m 3 2 f 1 0 3 r e t 6 该芯片是由s t 公司生产的 其外设丰富 性能优越 系统硬件包括电源模块 r t c 模块 u a r t 模块 网络模块 韦根数据采集模块 继电器控制模块 丌门按钮控制模块等 下面将一一介绍这些模 块的硬件设计思想及过程 1 2 皋j 二s t m 3 2 的网络门禁控制系统设汁 第三章系统硬件设计 3 2s t m 3 2 f 1 0 3 x x 芯片简介及引脚分配 3 2 1s t m 3 2 f 1 0 3 x x 芯片简介 s t m 3 2 f 1 0 3 x x 芯片是s t 公司推出的基于c o r t e x 州3 核的微控制器 它在 c o r t e x 蝴3 内核的基础上扩展了高性能的外围设备 c o n e x 州3 内核是基于哈佛架构 的 即指令和数据各使用一条总线 所以c o n e x 制3 处理器可以对多个操作并行执行 加快了应用程序的执行速度和效率 s t m 3 2 产品成熟 性价比高 集成度高 功耗 低 在编程时可以使用其自带的固件库 使整个程序架构清晰 方便易懂 1 3 14 1 s t m 3 2 f 1 0 3 x x 系列微控制器的工作频率最高可达7 2 m h z 内置有高速存储器 高 达5 1 2 k 字节的 天 j 存和6 4 k 字节的s r a m 丰富的增强 端口和联接到2 条a p b 总线的外设 所有型号的器件都包含2 3 个1 2 位的a d c 3 个通用1 6 位定时器和1 个p w m 定时器 并包含标准和先进的通信接口 l 2 个1 2 c 1 3 个s p i 2 5 个u s a r t 1 个u s b 和1 个c a n 3 3 1 其6 4 脚选型表如图3 2 所示 图3 2s t m 3 2 f 1 0 3 x x6 4 脚处理器选型表 s t m 3 2 f 1 0 3 r e t 6 是6 4 脚s t m 3 2 f 1 0 3 系列的高端芯片 其高达5 1 2 k 的f l a s h 存储器和6 4 k 的r a m 叮存储人量用户数据 从而在设计门禁控制器时不需要外接存 储 笛片 简化了整个设汁过程 6 4 脚的处理器封装小巧 功能强大 因此整个设计 t f i 选择此款 芯片为卜控制芯片 1 5 16 1 3 2 2s t m 3 2 f 1 0 3 r e t 6 引脚分配 s t m 3 2 f 1 0 3 r e t 6 有6 4 个引脚 本设计需要控制4 路门 敝需用到多个g p i o0 第二三章系统硬件设计基于s t m 3 2 的阴络门禁控制系统设计 脚 设计时芯片的引脚分配如下表3 1 所示 表3 一l 芯片引脚分配图 p i nn a m et y p em a i nf u n c l v b 气tp v b a t 2p cl3 i a m p e r j t t cr t cr t c 3p c 1 4 o s c 3 2 一i n c l k r t c c l k 4 p c l5 o s c 3 2 o u t c l k r t c c l k 5 p d 0 j d s c i n c l k s y s c l k 6p d l o s c o u t c l k s y s c l k 7n r s ts y sn 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