射频门禁控制器的设计与实现

曾 辉 ,李 飞 ,钱 丹 ,郭昌松

(1.成都信息工程学院网络工程学院,四川成都610225; 2.北京电子科技学院电子信息工程系,北京100070)

近年来,门禁系统作为安全防范系统中非常重要的一个子系统,已广泛应用于各行各业[1]。门禁控制器是门禁系统的核心部分,一般门禁系统的基本构成由上位机、门禁控制器、读卡器、电磁锁、识别设备、其他辅件等组成。

本文根据嵌入式系统的工程设计方法,开发嵌入式门禁控制器硬件的总体设计方案,给出一种基于无线传输模块nRF905SE的嵌入式门禁系统。此系统的优点有两个:一是便于实施和搭建此系统,二是可在无网络的地区进行搭建此系统。

1 门禁控制器的硬件设计

1.1 门禁控制器的硬件总体设计

图1为门禁控制器系统的结构框图,本系统设计中门禁控制器和总控制器的CPU选用ATMEL89C52。存储电路由AT24C1024组成,容量为1M。由开关电源直接提供5V,12V直流电压,蓄电池作为备用电源。DS12C887时钟芯片为系统提供时钟和日历[2]。由MAX3221和MAX3483分别构成RS232和RS485接口,实现与相关的控制设备及终端的通信。

射频门禁控制器的工作原理为:遇读卡事件,读卡器经其接口将卡号传输到门禁控制器,在门禁控制器中将卡号和卡片的状态、当前的控制时间、当前的控制模式进行比较和鉴别,得出是否准许的结果。当结果是准许时,门禁控制器通过继电器驱动电控锁,使之退出锁门状态,完成读卡开门的整个过程[3]。与此同时,门禁控制器将过程描述成一个事件记录下来,待以后可以与控制中心通信时将该事件上传。

图1 基于无线传输模块的门禁系统图

1.2 硬件电路设计

1.2.1 控制器主芯片电路

嵌入式硬件设计的关键步骤是嵌入式微处理器的选择,笔者设计的电路选用性能稳定,价格低廉的AT89C52单片机为主体构成。AT89C52单片机内部有8kB Flash存储器,无需外部扩展程序存储器,简化了读卡器电路设计,减小读卡器的尺寸。这种设计不仅便于反复修改、擦写程序,而且有更多的I/O口提供给系统使用。通过Protel 2004软件绘制的门禁控制器主芯片电路原理图如图2所示。

图2 门禁控制器的主芯片电路图

1.2.2 时钟电路

采用PCF8563T芯片作为通信时钟电路的主芯片。PCF8563T芯片是FHLIPS公司推出的一款极低功耗的多功能时钟/日历芯片[4]。芯片具有I2C总线接口功能。PCF8563T芯片的多种报警功能、定时器功能、时钟输出功能可以及时中断输出、完成各种复杂的定时服务。这些功能甚至可以为单片机提供看门狗功能。通过Protel 2004软件绘制的时钟模块原理图如图3所示。

图3 时钟模块图

1.2.3 存储电路

存储电路由AT24C1024芯片组成。 AT24C1024芯片是ATMEL公司推出的容量为1 M的电擦除、可编程存储芯片。AT24C1024芯片作为数据存储器来存储IC卡号和刷卡时间信息。系统共采用4片AT24C1024芯片作数据存储器,满足存储100 000条刷卡开门纪录的功能需求。 AT24C1024芯片支持I2C总线数据传输协议。存储电路需要用两根线与CPU连接构成串行接口。其中一根线是双向数据线SDA,接CPU的P1.0端口;另外一根是时钟线SCL,接CPU的P1.1端口。这两根线必须接上拉电阻[5],WP是写保护线,一般接地,通过地址线A0(GND)和A1,CPU最多可寻址4片AT24C1024芯片。这4个AT24C1024芯片都有固定的地址,分别对应A0A1的值为00到11。通过Protel 2004软件绘制的存储电路原理图如图4所示。

1.2.4 看门狗电路

看门狗电路由MAX813L芯片构成。看门狗电路在使用中要注意定时“喂狗”,以防止在系统运行时,控制器复位。通过Protel 2004软件绘制的看门狗电路原理图如图5所示。

1.2.5 RS232通信电路

RS232是美国电子工业协会EIA(Electronic Industry Association)制定的一种串行物理接口标准。RS是英文“推荐标准”的缩写,232为标志号。 RS232总线标准设有25条信号线,包括一个主通道和一个辅助通道。RS232标准规定,驱动器允许有2 500pF的电容负载,通信距离将受此电容限制。例如,采用150pF/m的通信电缆时,最大通信距离为15m;若每米电缆的电容量减小,通信距离可以增加[6]。RS232总线传输距离短的另一原因是RS232属单端信号传送,存在共地噪声和不能抑制共模干扰等问题,因此一般用于20m以内的通信。本人设计的通信电路以MAX232芯片为主体,采用RS232总线进行数据传输。通过Protel 2004软件绘制的RS232通信电路原理图如图6所示。

图6 RS232通信电路图

2 射频控制器的实现

2.1 射频控制器PCB图

由上面的原理图生成相应的PCB版图如图7所示。

图7 门禁控制器的PCB图

2.2 门禁控制器实物展示

把PCB图发送到工厂加工焊接后的实际物件如图8所示。门禁控制器在现场由持卡人通过刷卡把信息存储到AT24C1024芯片,然后通过nRF905SE无线射频收发模块与总控制器进行无线通信,由总控制器与上位管理计算机通信,满足现场门控、门禁控制、考勤等远程控制的需要。

3 结语

本文提供了射频门禁控制器设计的框架,罗列了采用的原配件型号,并对大部分电路进行了说明。该设计具有运行速度快、大容量存储、运行稳定、功耗低、扩展口丰富等特点。射频门禁控制器设计除了应用于门禁系统之外,还可以应用于智能停车场系统,实现停车场的智能化,方便车辆的管理,提高公共停车场的安全性。该设计适用范围广,不仅可用于网络传输,还可用于偏远山区无网地带。针对网络较为发达的地区,可以在该设计的基础上,添加网络传输连接模块,实现网络控制和管理。

图8 门禁控制器(上)与总控制器(下)图

[1]周立功.ARM控制器基础与实践[M].北京:北京航空航天大学出版社,2003.

[2]陈龙,李仲男,彭喜东,等.智能建筑安全防范系统及应用[M].北京:机械工业出版社,2010.

[3]张丽,梁楚樵.基于MF RC500的Mifare非接触式IC卡读写器的设计开发[J].金卡工程,2005(2):55-57.

[4]王卓人,邓晋钧,刘宗祥.IC卡的技术与应用[M].北京:电子工业出版社,1999.

[5]陈天娥.智能楼宇弱电设备安装与调试[M].北京:高等教育出版社,2008.

[6]欧阳东.数字安防监控系统设计及安装图集[M].北京:中国建筑工业出版社,2008.