基于STM32和FPGA的可扩展校园储物柜设计

白龙温，贾 铭

(1.天津机电职业技术学院，天津 300401；2.河北工业大学，天津 300401)

随着数字信息化时代到来、经济和科技的不断发展，人们对生活品质有了更高的追求，生活的各个领域整日趋凸显高效便捷和智能化，这就使得电子储物柜在商场、体育馆、车站、超市等地方应用越来越广泛。但这些传统储物柜存在如下缺点：1)一般使用密码条、钥匙进行存取，存在存取效率低下、密码条携带不方便且易丢失、信息无法监控等缺点；2)使用MCU作为主控芯片并直接驱动柜门，受限于芯片的管脚数量，不能很好扩展大量储物柜。在人数众多且校园卡(一卡通)广泛普及的高校当中，电子储物柜的需求量大、使用率高，使用严格的校园卡识别等方法，可以高效、安全地进行储物柜的管理和使用，为此在校园的图书馆、食堂、体育场等人流密集场所配置一种校园卡识别的低成本、易扩展、响应快的智能储物柜将具有积极的意义[1]。

为此，本文设计一款基于STM32和FPGA的可扩展智能储物柜，通过配置多块扩展接口板可快速扩展储物柜数量，使用RFID识别技术的校园卡打开指定物品柜，该系统会自动保存储物柜使用记录，实现了监控等功能。

1 系统设计

整体系统框图如图1所示，主要分为核心处理板、扩展接口板、上位机平台，以及校园卡RFID读卡器，220 V交流电源适配器，柜门的电磁动作机构等其他部分。

上位机登记学生校园卡号和储物柜号码，并通过TCP协议将卡号等信息通过网口下发到核心处理板并存储。学生使用校园卡后，扩展接口板解析RFID读卡器发来的卡号信息并通过串口转发到核心处理板，核心处理板接收该卡号信息进行查找比对，并通知对应的扩展接口板打开相应的储物柜，同时将卡号等信息上发上位机进行记录保存，从而实现信息监控功能。

核心处理板的主控芯片为ST公司的STM32F407，该单片机基于ARM公司的Cortex-M4内核设计，时钟频率可达168 MHz，自带1MB FLASH和192 KB RAM，具有高性能、低成本、低功耗的优点，是嵌入式应用设计中良好的选择[2]。为保证读卡信息的实时响应和快速TCP通信，MCU运行UCOS-II实时操作系统和LwIP协议栈。UCOS-II是一个实时可剥夺系统内核的嵌入式操作系统，包括资源同步、资源管理、任务之间通信，多达64个任务，通过任务间的不同优先级来调度任务运行。LwIP是一个小型开源的轻量级TCP/IP的协议栈，由于其对RAM和ROM需求较低，在中低端嵌入式系统中应用广泛[3-4]。

扩展接口板以FPGA为控制核心，FPGA具有并行效率高、IO管脚多、使用灵活、扩展能力强等特点。选用型号为Altera公司的CycloneIII系列的EP3C25F324，普通IO管脚达215个，每个IO管脚即可驱动一个电磁动作机构，可扩展储物柜数量达200个。FPGA还进行RFID卡的协议解析，可以大大减轻MCU解析协议造成的资源和时间开销，减少系统响应时间，并且后期更新扩展新校园RFID卡协议和增加其他扩展功能也更方便。

一块核心处理板SRAM存储信息可达上万条，配置多块扩展接口板即可大量扩展储物柜，各个扩展接口板之间通过串口通信，最终由扩展接口板0缓存所有卡号信息并和核心处理板通信。

其中RFID读卡器通信协议为26位韦根协议，电源适配器为整个系统提供二次电源12 V和5 V。

2 系统硬件设计

2.1 核心处理板的硬件设计

核心处理板硬件方案如图2所示。

存储模块包括FLASH和SRAM，FLASH为学生卡号等信息存储模块，STM32将接收到卡号信息存储到该FLASH中，型号为Winbod公司的SPI接口FLASH，W25Q128。当系统启动后，将FLASH中学生卡号信息加载到SRAM中，STM32通过FSMC接口访问SRAM，以便快速检索卡号信息，SRAM型号为IS62 WV51216，原理图见图3。

DP83848为网口的外部PHY芯片，采用RMII接入形式，相比MII的方式可减少一半的接入信号数量，网口模块原理图见图4。

2.2 扩展接口板的硬件设计

扩展接口板硬件方案如图5所示。

FPGA的程序存储FLASH选型为M25P16，时钟和存储器配置原理图见图6。

电源输入主要包括12 V和5 V，12 V为继电器和RFID读卡器供电。继电器为隔离驱动模块，是驱动柜门的电磁动作机构。

5 V电源模块为整板其他模块供电，采用TI公司的TPS650243，可输出1.8 V，3.3 V，1.2 V，2.5 V等多路电压，分别供给FPGA的核电压、AUX电压、接口电压和其他外设器件等，其原理图见图7。

3 系统软件设计

系统软件按照功能模块分为核心处理板STM32软件、扩展接口板FPGA软件和PC上位机软件，工作流程图如图8所示。

当RFID读卡器读取卡号后，以韦根协议的形式发送给FPGA，卡号由PID(2字节)和HID(1字节)组合而成3个字节，FPGA解析出PID和HID后通过串口UART1发送给STM32，同时STM32根据PID和HID读取SRAM对应地址内柜门号码，如存在则将该柜门号码通过串口UART2发送给FPGA，FPGA译码后驱动对应号码继电器，从而打开对应柜门。同时STM32通过TCP告知上位机卡号等信息，以便上位机监控记录。

FPGA软件使用Verilog语言，以Modelsim 10.0C作为代码逻辑仿真软件，最终使用Quartus II 13.1作为编译和调试平台。程序主要包括韦根协议解析模块，FIFO，UART1串口模块，UART2串口模块和IO口输出等模块。对于如图1所示的扩展接口板0，其他扩展接口板控制的串口1和串口2均和扩展接口板0的预留串口通信，故扩展接口板0的FPGA程序需单独增加调度缓存模块，负责缓冲记录各个扩展接口板发来的卡号信息，并通过串口UART1和UART2与核心处理板通信。其程序结构如下图见图9。

3.1 STM32软件设计

STM32软件采用C语言设计，使用Keil软件作为编译和调试工具。STM32接收到信息更新后，存储所有学生的卡号和对应柜门号到FLASH中。每次更新完会员信息后，自动重新启动系统，以便将FLASH中会员信息加载到SRAM中。为了快速方便检索，直接将会员卡号作为SRAM地址，对应柜门号作为数据内容。

由于STM32运行实时操作系统，可以多任务抢占式工作，其软件流程如图3所示，主要包括初始化和多任务设计两部分[5]。

初始化包括内容如下：

1)系统初始化以及外设自检：系统时钟和内存初始化等，中断分组配置，串口初始化，Flash和SRAM初始化，Flash和SRAM自检。

2)学生信息加载：通过SPI接口读取FLASH内学生信息并更新到SRAM中。

3)UCOSII初始化：操作系统核心程序包括任务控制块初始化，任务就续表等初始化。

4)LWIP协议栈初始化：TCP/IP内核协议初始化，PHY芯片DP8838驱动配置(IO初始化、时钟初始化、中断初始化、寄存器配置)，IP地址，子网掩码和默认网关设置等。

5)客户端线程初始化：创建TCP客户端任务，创建TCP连接，绑定端口，进入监听模式，收发数据。该任务基于NETCONN进行TCP/IP编程，NETCONN结构类似标准BSD Socket，对各种类型连接函数做了统一封装，相当于提供了一个API调用接口，方便配合操作系统使用，方便快速大量数据通信[6]。

6)起始任务创建：创建其它全部任务。

7)启动多任务：开始Start任务，UCOSII 根据任务优先级和挂起等状态自动切换任务调度。

多任务设计如下，按照各个任务的优先级由先及后排列(见图10)。

①TCP客户端任务(task1):TCP客户端启动进入监听模式，接收和发送TCP数据。

②SRAM查找任务(task2):接收STM32串口UART1信息，搜索SRAM地址查找对应柜门号，并通过STM32串口UART2输出，并通过TCP上传卡号。

③FLASH更新任务(task3)：更新学生卡号等信息到FLASH。

④工作正常任务(task4)：状态工作指示灯

⑤开始任务(task5)：Start任务

3.2 上位机软件

使用C++作为编程语言，应用了QT框架和SQlite数据库。SQLite数据库是一款轻型的文件型数据库，主要应用于嵌入式领域，支持跨平台移植，而且得到了QT很好的默认支持[8]。SQlite数据库用于记录学生信息，包括卡号、姓名、柜号、手机号、开柜时间等信息。上位机作为服务器，其TCP接口通信使用QT框架下的SOCKET类进行编程，用于向STM32更新卡号信息和接收存储其发来的卡号使用信息，并添加系统时间作为开柜时间记录，更新到数据库当中。其调试界面如图11所示。

4 结论及系统改进

本系统充分利用Ucos-II实时操作系统多任务和LwIP轻量型协议栈的优势，并利用FPGA并行处理效率高、易扩展等特点，实现了RFID卡韦根协议解析、系统和上位机TCP协议互传、快速搜索学生信息、储物柜数量扩展等功能，系统工作状态良好，响应迅速，满足设计需要。但需注意的是本系统中采用RFID卡号作为SRAM的寻址地址，寻址地址存在限制。例如本文选取FSMC_NE3作为SRAM的片选信号，STM32内部寻址空间为0x6800_0000到0x6BFF_FFFF，26位韦根协议ID卡占用3字节，正好满足需求。若RFID卡协议后期更改为32位，则不能使用卡号作为SRAM寻址地址，只能使用柜门号作为寻址地址，ID卡号作为内容，这样需遍历SRAM才能找到对应ID卡号，会增加系统时间开销。