在門禁、安防、樓宇自動化等領(lǐng)域中，各類身份識別卡（如磁卡、射頻IC卡）包含的ID信息經(jīng)讀卡器（Reader）讀取后轉(zhuǎn)化為二進制數(shù)據(jù)，Wiegand，即韋根傳感器是一種當(dāng)交變磁場經(jīng)過時產(chǎn)生輸出電壓脈沖的傳感器。脈沖的幅度是由激勵磁場的場強決定的。因此，韋根傳感器不需要外界電源供電。韋根傳感器的工作頻率從0速率到20KHZ，脈沖的極性由激勵磁場的極性所決定。由于韋根傳感器非常容易和數(shù)字系統(tǒng)相匹配，并且系統(tǒng)沒有可動的部件或半導(dǎo)體器件，這使得它們能適用于惡劣的環(huán)境和長期無人監(jiān)控的場所。

1 韋根信號簡介

韋根信號是兩根數(shù)據(jù)線傳輸二進制數(shù)據(jù)，在空閑時端，兩線的對0V的電源都為TTL電平的水平，也就是5V，一般通過5K電阻上拉，當(dāng)有數(shù)據(jù)傳輸時，兩根線交替地發(fā)送400uS低脈沖，當(dāng)Data0線發(fā)脈沖時，數(shù)據(jù)是0；當(dāng)Data1發(fā)脈沖時，發(fā)送的數(shù)據(jù)是1，不能兩根線同時發(fā)脈沖。脈沖的間隔時間是1mS。在設(shè)計讀卡器時，為防止使用者連接錯線，造成數(shù)據(jù)口損壞，在電路設(shè)計上一定要給數(shù)據(jù)輸出上加驅(qū)動級并加電阻限流。

2 接口硬件構(gòu)成

接收韋根信號的上層控制設(shè)備通常是一個單片機控制系統(tǒng)，承擔(dān)了I／O口驅(qū)動、以太網(wǎng)通信、數(shù)據(jù)處理、液晶顯示等任務(wù)。韋根信號脈沖寬度僅為40～100μs，如果采用掃描I／O口的方式，只有滿足掃描周期<40 μs的條件（即采樣頻率高于25 kHz），才能夠捕獲一個信息幀內(nèi)所有的下降脈沖信號，否則將因出現(xiàn)“脈沖遺漏”造成讀數(shù)錯誤。如此高的掃描速度將極大地消耗CPU資源，阻塞單片機系統(tǒng)其他任務(wù)的正常執(zhí)行，每個韋根接頭都連接到CPU的一個中斷信號引腳上，以中斷觸發(fā)的方式處理。由于CPU外部中斷數(shù)量的限制，CPU包括運算邏輯部件、寄存器部件和控制部件。CPU從存儲器或高速緩沖存儲器中取出指令，放入指令寄存器，并對指令譯碼。它把指令分解成一系列的微操作，然后發(fā)出各種控制命令，執(zhí)行微操作系列，從而完成一條指令的執(zhí)行。指令是計算機規(guī)定執(zhí)行操作的類型和操作數(shù)的基本命令。指令是由一個字節(jié)或者多個字節(jié)組成，其中包括操作碼字段、一個或多個有關(guān)操作數(shù)地址的字段以及一些表征機器狀態(tài)的狀態(tài)字和特征碼。有的指令中也直接包含操作數(shù)本身。

為了能夠接收多路信號，可以由另一個獨立的單片機構(gòu)成一個從機系統(tǒng)，以循環(huán)掃描數(shù)據(jù)總線的方式工作，專門負責(zé)多路信號的采集與處理，并將處理后的ID信息通過串行或并行方式發(fā)給主控單片機。但是這種方式增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度，從而給可靠性帶來隱患，同時也增加了成本。

本設(shè)計中主控制器是NXP2214，采用中斷觸發(fā)綜合掃描I／O的新方法，只用一個CPU的中斷信號，實現(xiàn)多路韋根接口信號的采集。韋根接口硬件電路如圖2所示。韋根接口是5 V的電平，而ARM內(nèi)核的CPU是3.3 V的電平，因此韋根信號首先通過芯片SN74LVC4245轉(zhuǎn)換成3.3 V電平。然后，輸入到NXP2214的P0.8～P0.15引腳上，這些引腳通過I／O方式掃描信號。

當(dāng)有任何一路韋根接口產(chǎn)生低電平時，經(jīng)過SN74-HC30D都會產(chǎn)生中斷；微控制器立刻響應(yīng)中斷，掃描輸入信號獲取完整的信號幀后退出中斷。這樣，只需要一個中斷信號，只在有信號時掃描I／O，不但不會阻塞系統(tǒng)其他任務(wù)的正常執(zhí)行，而且可以擴展出更多的韋根接口。

3 接口軟件設(shè)計

為了快速響應(yīng)，使用最高級的中斷優(yōu)先級，當(dāng)外部4路韋根接口有任何一路信號產(chǎn)生有效電平時，NXP2214都可以產(chǎn)生中斷。在中斷處理程序中，并行掃描4路韋根接口，并分別保存到變量。如果大于脈沖周期的時間間隔內(nèi)（如2.5 ms），都沒有發(fā)現(xiàn)任何一路信號產(chǎn)生有效電平，則認(rèn)為傳輸完畢。接著處理數(shù)據(jù)和發(fā)送消息通知其他任務(wù)，然后退出中斷。并行I／O掃描的流程如圖3所示。

具體的掃描判斷過程如下：在定時器沒有超時時，首先讀入韋根信號引腳的電平到cur變量；接著判斷pre是否等于（cur&pre），即判斷是否產(chǎn)生1到0變化的有效電平，通過下降沿判斷的方式，防止誤把1次0當(dāng)成多個0讀入。如果產(chǎn)生了下降沿，則判斷信號是哪路韋根信號，對應(yīng)存入變量WG[0]～wG。如果是DATA0產(chǎn)生，則直接把變量左移1位；如果是DATA1產(chǎn)生，則變量加1后再左移。

該并行掃描處理的方法，能夠保證韋根接口在同時有多路信號產(chǎn)生的情況下，也可以正確操作。中斷觸發(fā)掃描過程，一個掃描結(jié)束后信號都保存到WG[0]～WG[3]中。

本文采用的是標(biāo)準(zhǔn)韋根輸出，信號幀由26位二進制數(shù)組成，幀格式如下：

奇偶校驗判斷正確后，將變量中的數(shù)據(jù)去除校驗位變成有效數(shù)據(jù)；然后調(diào)用OSMboxPost函數(shù)發(fā)送消息，以通知其他任務(wù)處理。

4 結(jié) 論

本文的程序和硬件均在實際產(chǎn)品中調(diào)試通過。實驗表明，在8個通道同時完成輸入連續(xù)的韋根信號的情況下，微控制器NXP2214不僅能夠全部正確接收讀卡器的韋根數(shù)據(jù)，還能同時完成處理TCP／IP、液晶顯示以及其他任務(wù)，達到了設(shè)計要求。