射頻門禁控制器的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

曾 輝 ,李 飛 ,錢 丹 ,郭昌松

(1.成都信息工程學(xué)院網(wǎng)絡(luò)工程學(xué)院,四川成都610225; 2.北京電子科技學(xué)院電子信息工程系,北京100070)

近年來,門禁系統(tǒng)作為安全防范系統(tǒng)中非常重要的一個子系統(tǒng),已廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)[1]。門禁控制器是門禁系統(tǒng)的核心部分,一般門禁系統(tǒng)的基本構(gòu)成由上位機(jī)、門禁控制器、讀卡器、電磁鎖、識別設(shè)備、其他輔件等組成。

本文根據(jù)嵌入式系統(tǒng)的工程設(shè)計方法,開發(fā)嵌入式門禁控制器硬件的總體設(shè)計方案,給出一種基于無線傳輸模塊nRF905SE的嵌入式門禁系統(tǒng)。此系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)有兩個:一是便于實(shí)施和搭建此系統(tǒng),二是可在無網(wǎng)絡(luò)的地區(qū)進(jìn)行搭建此系統(tǒng)。

1 門禁控制器的硬件設(shè)計

1.1 門禁控制器的硬件總體設(shè)計

圖1為門禁控制器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖,本系統(tǒng)設(shè)計中門禁控制器和總控制器的CPU選用ATMEL89C52。存儲電路由AT24C1024組成,容量為1M。由開關(guān)電源直接提供5V,12V直流電壓,蓄電池作為備用電源。DS12C887時鐘芯片為系統(tǒng)提供時鐘和日歷[2]。由MAX3221和MAX3483分別構(gòu)成RS232和RS485接口,實(shí)現(xiàn)與相關(guān)的控制設(shè)備及終端的通信。

射頻門禁控制器的工作原理為:遇讀卡事件,讀卡器經(jīng)其接口將卡號傳輸?shù)介T禁控制器,在門禁控制器中將卡號和卡片的狀態(tài)、當(dāng)前的控制時間、當(dāng)前的控制模式進(jìn)行比較和鑒別,得出是否準(zhǔn)許的結(jié)果。當(dāng)結(jié)果是準(zhǔn)許時,門禁控制器通過繼電器驅(qū)動電控鎖,使之退出鎖門狀態(tài),完成讀卡開門的整個過程[3]。與此同時,門禁控制器將過程描述成一個事件記錄下來,待以后可以與控制中心通信時將該事件上傳。

圖1 基于無線傳輸模塊的門禁系統(tǒng)圖

1.2 硬件電路設(shè)計

1.2.1 控制器主芯片電路

嵌入式硬件設(shè)計的關(guān)鍵步驟是嵌入式微處理器的選擇,筆者設(shè)計的電路選用性能穩(wěn)定,價格低廉的AT89C52單片機(jī)為主體構(gòu)成。AT89C52單片機(jī)內(nèi)部有8kB Flash存儲器,無需外部擴(kuò)展程序存儲器,簡化了讀卡器電路設(shè)計,減小讀卡器的尺寸。這種設(shè)計不僅便于反復(fù)修改、擦寫程序,而且有更多的I/O口提供給系統(tǒng)使用。通過Protel 2004軟件繪制的門禁控制器主芯片電路原理圖如圖2所示。

圖2 門禁控制器的主芯片電路圖

1.2.2 時鐘電路

采用PCF8563T芯片作為通信時鐘電路的主芯片。PCF8563T芯片是FHLIPS公司推出的一款極低功耗的多功能時鐘/日歷芯片[4]。芯片具有I2C總線接口功能。PCF8563T芯片的多種報警功能、定時器功能、時鐘輸出功能可以及時中斷輸出、完成各種復(fù)雜的定時服務(wù)。這些功能甚至可以為單片機(jī)提供看門狗功能。通過Protel 2004軟件繪制的時鐘模塊原理圖如圖3所示。

圖3 時鐘模塊圖

1.2.3 存儲電路

存儲電路由AT24C1024芯片組成。 AT24C1024芯片是ATMEL公司推出的容量為1 M的電擦除、可編程存儲芯片。AT24C1024芯片作為數(shù)據(jù)存儲器來存儲IC卡號和刷卡時間信息。系統(tǒng)共采用4片AT24C1024芯片作數(shù)據(jù)存儲器,滿足存儲100 000條刷卡開門紀(jì)錄的功能需求。 AT24C1024芯片支持I2C總線數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。存儲電路需要用兩根線與CPU連接構(gòu)成串行接口。其中一根線是雙向數(shù)據(jù)線SDA,接CPU的P1.0端口;另外一根是時鐘線SCL,接CPU的P1.1端口。這兩根線必須接上拉電阻[5],WP是寫保護(hù)線,一般接地,通過地址線A0(GND)和A1,CPU最多可尋址4片AT24C1024芯片。這4個AT24C1024芯片都有固定的地址,分別對應(yīng)A0A1的值為00到11。通過Protel 2004軟件繪制的存儲電路原理圖如圖4所示。

1.2.4 看門狗電路

看門狗電路由MAX813L芯片構(gòu)成。看門狗電路在使用中要注意定時“喂狗”,以防止在系統(tǒng)運(yùn)行時,控制器復(fù)位。通過Protel 2004軟件繪制的看門狗電路原理圖如圖5所示。

1.2.5 RS232通信電路

RS232是美國電子工業(yè)協(xié)會EIA(Electronic Industry Association)制定的一種串行物理接口標(biāo)準(zhǔn)。RS是英文“推薦標(biāo)準(zhǔn)”的縮寫,232為標(biāo)志號。 RS232總線標(biāo)準(zhǔn)設(shè)有25條信號線,包括一個主通道和一個輔助通道。RS232標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,驅(qū)動器允許有2 500pF的電容負(fù)載,通信距離將受此電容限制。例如,采用150pF/m的通信電纜時,最大通信距離為15m;若每米電纜的電容量減小,通信距離可以增加[6]。RS232總線傳輸距離短的另一原因是RS232屬單端信號傳送,存在共地噪聲和不能抑制共模干擾等問題,因此一般用于20m以內(nèi)的通信。本人設(shè)計的通信電路以MAX232芯片為主體,采用RS232總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。通過Protel 2004軟件繪制的RS232通信電路原理圖如圖6所示。

圖6 RS232通信電路圖

2 射頻控制器的實(shí)現(xiàn)

2.1 射頻控制器PCB圖

由上面的原理圖生成相應(yīng)的PCB版圖如圖7所示。

圖7 門禁控制器的PCB圖

2.2 門禁控制器實(shí)物展示

把PCB圖發(fā)送到工廠加工焊接后的實(shí)際物件如圖8所示。門禁控制器在現(xiàn)場由持卡人通過刷卡把信息存儲到AT24C1024芯片,然后通過nRF905SE無線射頻收發(fā)模塊與總控制器進(jìn)行無線通信,由總控制器與上位管理計算機(jī)通信,滿足現(xiàn)場門控、門禁控制、考勤等遠(yuǎn)程控制的需要。

3 結(jié)語

本文提供了射頻門禁控制器設(shè)計的框架,羅列了采用的原配件型號,并對大部分電路進(jìn)行了說明。該設(shè)計具有運(yùn)行速度快、大容量存儲、運(yùn)行穩(wěn)定、功耗低、擴(kuò)展口豐富等特點(diǎn)。射頻門禁控制器設(shè)計除了應(yīng)用于門禁系統(tǒng)之外,還可以應(yīng)用于智能停車場系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)停車場的智能化,方便車輛的管理,提高公共停車場的安全性。該設(shè)計適用范圍廣,不僅可用于網(wǎng)絡(luò)傳輸,還可用于偏遠(yuǎn)山區(qū)無網(wǎng)地帶。針對網(wǎng)絡(luò)較為發(fā)達(dá)的地區(qū),可以在該設(shè)計的基礎(chǔ)上,添加網(wǎng)絡(luò)傳輸連接模塊,實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)控制和管理。

圖8 門禁控制器(上)與總控制器(下)圖

[1]周立功.ARM控制器基礎(chǔ)與實(shí)踐[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2003.

[2]陳龍,李仲男,彭喜東,等.智能建筑安全防范系統(tǒng)及應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2010.

[3]張麗,梁楚樵.基于MF RC500的Mifare非接觸式IC卡讀寫器的設(shè)計開發(fā)[J].金卡工程,2005(2):55-57.

[4]王卓人,鄧晉鈞,劉宗祥.IC卡的技術(shù)與應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社,1999.

[5]陳天娥.智能樓宇弱電設(shè)備安裝與調(diào)試[M].北京:高等教育出版社,2008.

[6]歐陽東.數(shù)字安防監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計及安裝圖集[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2008.