道闸控制系统软件设计优化

软件设计在道闸控制系统设计中是至关重要的，它决定着系统的可靠性、稳定性。本应用软件的设计思想是主要采用模块化程序设计，在程序设计过程中，为了使各个模块有效地完成任务，需要把整个系统划分为几个既相互独立又相互联系的模块，使得对外的数据交换相对简单，增强了可维护性。

1）系统软件设计

（1）软件功能概述

软件设计包括无线通信标签软件设计和主控器软件设计两大部分。其中无线通信标签软件设计包括激励源与通信标签通信的软件设计、无线通信收发标签之间的软件设计、无线通信接收标签与主控系统通信的设计。主控器软件设计还包括人机交互设计、网络通信设计、数据存储软件设计、实时时钟设计这几部分。

（2）道闸控制系统的工作流程

图8－13　智能道闸控制系统整体工作流程

智能道闸控制系统工作流程如图8－13所示。唤醒天线使用125kHz频率，每秒发送9次信号。车辆在前门唤醒区域内被唤醒，发送车辆信息为车牌＋0x1234；在后门唤醒区域内被唤醒，发送信息为车牌＋0xabcd，其中车牌为8个字节的字符，0x1234为进门信号，0xabcd为出门信号。标签每次被唤醒后连续发送3次数据，发送结束后如果依然还停留在该区域，则不再发送数据。只有当标签两次进入相同唤醒区域的时间间隔大于10秒，标签才能再次发送数据。

当车辆进入前门唤醒区域后，平时处于休眠状态的标签被唤醒，并且以2.4GHz的频率连续向主控器发送信息，如车牌＋0x1234，3次。主控器的程序在初始化之后，等待接收标签信息。当主控器接收到标签信息后对信息进行判断和匹配，如果匹配正确无误，则开启道闸并向LED发送信息：车牌＋时间，其中时间为1个字节的字符，或者当车辆超期时，则主控器向LED发送信息：车牌＋“0”，且不开道闸。当车辆行驶到后门唤醒区域时，标签再次被唤醒，发送信息：车牌＋0xabcd，则主控器接收信息后判断并匹配，准确无误后关闭道闸。当连续有多辆车进入时，关闸以最后一辆进门的车辆为准。

2）主控器软件设计

（1）网络模块通信设计

PC上位机软件通过以太网访问道闸主控系统，然后向其发送TCP命令、读取文件记录和修改SD卡中的数据。

在以太网中数据传递靠的是MAC地址，而不是IP地址，IP地址和MAC地址具有映射关系，由网络层的ARP协议负责对其进行相应的解析。常用的以太网MAC帧格式有两种标准，一种是DIX Ethernet V2标准，另一种是IEEE的802.3标准。目前最常用的是Ethernet V2格式，如图8－14所示。由图可知，以太网V2帧格式主要由一个导言区、一个起始帧定界符和一个以太网帧组成，其中以太网帧由目标地址、源地址、类型、有效负载以及帧校验序列（FCS）组成。

图8－14　以太网V2帧结构

以太网帧中的导言区包括了8个字节的由二进制0、1间隔组成的代码，当帧在媒介上传输时，导言区自然形成一周期性方波时钟信号用来建立同步。然后再由起始帧定界符表示一帧的实际开始，以使接收器对实际帧的第一位定位。以太网帧主要是通过目标地址和源地址的位置建立通信。6个字节的目标地址是指目的站点的MAC地址，表明要把数据送到哪个站点。若目标地址第一位为0，则指定了一个特定的站点；若为1，则表示目标地址为一组地址，而该地址是事先定义好的；若所有位全为1，则表示接收者为局域网上的所有站点，即该地址是一个广播地址。6个字节的源地址是指源主机的MAC地址，表明该帧来自哪个主机。类型域共占两个2字节，用于表示数据域中包含的高层协议，告诉接收设备该如何解释数据域。在帧传输的最后进行帧校验，使用4个字节的循环冗余校验码进行错误检验。每一个以太网帧均由一个或多个片段组成，每个片段对应一个描述符，LM3S6965内置的以太网控制器中的DMA管理器能够将一个以太网帧的多个片段进行分散（用于接收）和集中（用于发送）。

（2）数据存储软件设计

主控板接收到汽车里的无线通信标签发送的信息后，需要判断车辆是出门还是进门，并且将数据保存到SD卡中。通过与保存在SD卡中的数据进行比对，判断数据库中是否有该车辆以及是否超期，如果该车辆存在且不超期，则开启道闸。

SPI总线模式的数据是以字节为单位进行传输的，每个命令或数据块都是字节对齐。主控板与SD卡的各种通信由主控板控制，在对SD卡进行任何操作前必须首先拉低SD卡的片选信号CS将其选中，然后主控板可向SD卡发送命令。SD卡要对主控板发送的任何命令给予响应，不同的命令会有不同的响应格式（1字节或2字节响应）。SD卡除了对命令响应外，在执行写操作时，要对主控板发送的每一个数据块进行响应（向主机发送一个特殊的数据响应标志）。SPI命令格式如表8－2所示，由6个字节构成，高位在前。

表8－2　SPI命令格式

SD卡在上电复位后，自动进入SD模式，因此本应用中SD卡与LM3S6965的底层软件接口设计首先要使SD卡进入SPI模式，并在SPI模式下对SD卡的内存单元实现读写操作。

主控板在向SD卡发送任何命令之前，应向SD卡发送至少74个时钟周期，以等待SD卡完成上电复位过程，此时主控板应将片选信号线置高。在上电复位完成之后，再将片选信号线CS置低，即选中SD卡，并且再次发送8个时钟周期，确保SD卡选中，发送软件复位指令（CMD0，0x00），如果接收到应答信号0x01，则表示SD卡进入SPI模式，并且处于空闲状态。若要对SD卡实现读写操作，主控板应不断发送指令（CMD1，0x01），直到收到SD卡正确的响应数据0x00，表明SD卡已经被激活，退出空闲状态，可以对SD卡寄存器进行读写和完成数据的传输操作，SD卡初始化成功。

在完成上述操作后，应设置一次性写入或者读取SD卡内数据的长度，这可通过发送设置块长度指令（CMD16，0x10）来实现。本设计中设定一次读写的数据块长度为512字节。当要读取、写入SD卡某一数据块的内容时，则可通过发送读取数据指令（CMD17，0x11）、写入数据块指令（CMD24，0x18）来完成。

对SD卡进行发送命令／接受响应以及读取／写入数据块都是采用LM3S6965的SPI总线进行发送／接收字节或字符串来实现的。SD卡初始化流程如图8－15所示。

图8－15　SD卡初始化流程

（3）人机交互软件设计

人机交互软件是由按键程序和液晶显示（LCD）程序组成的，按键用来发送命令，液晶显示工作状态和参数修改配置情况。

LM1095R为192×128点阵中文／图形液晶显示模块，内置RA8803控制器。用户只要透过MCU对RA8803写入中／英文字型码，就可以直接在LCD面板上显示中英文字型，而不需要透过MCU以绘图方式来处理中英文的显示。

LM1905R提供给使用者两种窗口选择：显示窗口和工作窗口。显示窗口是实际LCD面板的大小，而工作窗口是在实际的显示窗口内设定比显示窗口小的子窗口，并且可以在显示窗口内任意调整所需要放置的地方。

LCD初始化流程如图8－16所示。(www.xing528.com)

图8－16　LCD初始化流程

3）无线通信软件设计

无线通信软件工作流程如图8－17所示。

图8－17　无线通信软件工作流程

（1）激励源软件设计

激励源软件工作流程如图8－18所示。

图8－18　激励源软件工作流程

为防止收到干扰信号，MCP2030唤醒芯片需要收到2ms高电平、2ms低电平的唤醒使能输出时序。唤醒使能输出时序之后是一串表示激励源的ID号的编码。因此激励源发送的125kHz的唤醒信号包括一串MCP2030的使能输出时序和激励源的ID号。

（2）无线通信模块通信软件设计

为了降低模块的功耗，延长电池的使用寿命，车上无线通信模块具有休眠功能。在初始化时，CC2530通过SPI总线对MCP2030的寄存器进行配置。在对MCP2030进行配置操作前，CC2530必须先拉低MCP2030的片选信号CS，然后发送配置命令。命令格式如表8－3所示。

表8－3　MCP2030命令格式

为了有效避免其他信号干扰所激起的激活现象，使MCP2030正常工作，在此设定使能输出序列为2ms高电平、2ms低电平，命令为（0xe1，0x41）。同时在初始化时还需配置使能通道自动选择功能、解调信号输出功能、接收灵敏度控制等。

CC2530的供电模式3用于获得最低功耗的运行模式。在供电模式3下，内部稳压器供电的所有内部电路都关闭，稳压器和所有振荡器也都关闭。复位和外部I／O端口中断是该模式下仅有的运行功能。CC2530软件工作流程如图8－19所示。

图8－19　CC2530软件工作流程

复位和使能的外部I／O中断是唤醒设备的两个仅有的方式。本设计中采用的是外部I／O中断方式唤醒设备。如图8－19所示，进入供电模式3之前，需配置I／O工作模式并开启I／O中断位。系统进入供电模式3，I／O管脚侦测外部中断。当有外部I／O中断时，CC2530切换到工作状态，向主控板发送车辆信息。

为了防止受到同为2.4GHz频段内的其他频率的信号干扰，CC2530初始化时，需对无线模块配置通信通道。IEEE802.15.4—2006标准指定16个通道，它们位于2.4GHz频段之内，步长为5 MHz，编号为11～26。频率与通道的关系为：fc＝2 405＋5（k－11）［MHz］k∈［11，26］。CC2530支持的载波频率范围是2 394 MHz到2 507 MHz。载波频率可以通过编程FREQCTRL设置，操作频率fc可由下式表示：

式中，FREQCTRL.FREQ［6：0］是寄存器的第0位至第6位。

无线通信发送的帧格式如图8－20所示。

图8－20　帧格式

本应用中通信方式采用的是点对点通信，因而软件设计中，需将主控器上无线通信模块的地址写入帧格式中的地址信息域中。

主控板上无线通信模块的工作流程如图8－21所示。该模块不用电池供电，因此在初始化时，不必考虑睡眠状态与工作状态的切换。

主控板上无线通信模块实时等待无线数据接收，并将数据通过异步串行通信直接转发给LM3S6965。在转发过程中，模块不对数据做任何判断和处理，全部交由主控器处理。为了确保数据转发成功，模块在收到主控板的应答信息后才开始进入下一次无线数据接收，否则重新转发。

图8－21　主控板无线通信模块工作流程