基于CAN总线的智能门禁系统的研发

梁祥莹,严　辉

(安徽建筑大学 电子与信息工程学院，安徽 合肥 230022)



基于CAN总线的智能门禁系统的研发

梁祥莹,严辉

(安徽建筑大学 电子与信息工程学院，安徽 合肥 230022)

摘要：针对智能建筑门禁系统的管理需求，设计基于CAN总线的智能门禁系统。该系统具有技术成熟，稳定可靠的特点。样机测试表明，系统各项主要功能均达到要求，具有低成本和更人性化的优势，有助于门禁系统智能化的发展。

关键词：CAN；门禁系统；智能建筑；智能监控

0引言

门禁系统又称出入管理控制系统(Access Control System)。这是一种新型的现代化安全管理系统，它集微机自动识别技术和现代安全管理措施为一体，涉及电子、机械、光学、计算机技术、通讯技术等诸多新技术，是解决重要部门出入口实现安全防范管理的有效措施。在我国，随着建筑智能化的发展，为用户提供一个高效、舒适的工作与生活环境[1]已成为相关行业从业人员的目标。本文介绍了一种以AT89S52微处理器为控制核心，采用1-wire总线加密存储器型信息纽扣作为识别卡，以CAN总线协议与上位机通讯的具有联网功能的智能门禁系统。该系统既能通过对出入口的权限控制实现变被动防守为主动控制，且其智能化程度的提高，大大减轻了传统门禁系统中物业管理人员识别进出人员、手动管理后台系统的工作量，能有效提高管理的效率，有助于实现管理的有序化[2]。本系统实现了门禁管理的硬件和软件设计，并完成了样机的制作。

1CAN总线特点

由德国博世公司开发的CAN通信网络(Control Area Network, CAN)是一种用于解决汽车领域中的测控应用的高性能串行通信网络。该网络具有成本低廉、实时性好、工作可靠等优点，隶属于现场总线的范畴。该网络有效支持实时控制的串行通讯[3]，可以根据需要构成多主系统。其最大的特点是用一种对通信数据块进行编码的方法取代站地址编码的方法，这样可使得网络内的节点个数在理论上不受限制。用户可定义2个(或2个以上)不同的数据块，数据块的标识码可由11位(或29位)二进制数组成，这种方法使不同的节点能同时接收到相同的数据。数据段长度可至8个字节，其独有的短帧结构减少了外界的干扰，占用总线时间较短，从而确保通信的实时性。此特性适应了工业领域中有关控制命令、工作状态及测试数据的一般要求。CAN总线在纠错能力上有传统的BITBUS和RS-485等网络所不具备的明显优势。这一优势使得采用CAN总线的系统具有更好的可靠性、实时性和开放性[4]。

2总体方案设计

本论文介绍的智能门禁控制系统主要用于实现对小区进出通道的权限、方式、时段的管理，具有实时监控、出入记录查询和异常报警等功能。本系统由3大模块组成，分别为：主控制器模块、CAN通信模块和存储器模块。系统结构如图1所示。

图1控制系统结构图

2.1主控制模块设计

主控制器模块以AT89S52单片机为核心，还包含有读卡器模块和CAN通信模块。该模块实现对卡号的自动获取、读卡时间、开门信息、持卡人身份、报警等信息的获取并能存储信息，以供查询、统和处理，并最终生成各种报表。该模块还可以通过CAN总线将上述数据传送到主机，便于物业管理人员进行集中管理[5]。主控模块具体能实现的功能如下：

①可存储100张有效识别卡的使用情况，每张有效识别卡的存储使用记录为30条，循环覆盖。此外，该门控系统的核心功能还包括：新建新用户、删除历史记录、提供查询、显示、异常报警等管理功能。

②采用1-wire总线加密存储器型信息纽扣作为识别卡，识别卡需经授权，只有授权卡能够开锁，未授权的识别卡开锁时将发出声、光报警；

③具有CAN通信接口，完成与上位机的数据通信。充分利用CAN的分布式控制的优点，便于组网和控制，实现分布管理，集中控制。

2.2CAN通信模块设计

以独立的CAN控制器SJA1000和CAN总线收发驱动器PCA82C250为核心的CAN通信模块，主要完成读卡控制器与上位机的数据信息传送功能。可以接收上位机发来的控制命令，执行参数设置、开锁等操作[6]。CAN控制器SJA1000，是一种独立的CAN控制器。主要在区域网络控制和移动目标中得到广泛应用。这种控制器增加了CAN新的操作模式：PeliCAN。该模式支持CAN 2.0B协议。SJA1000还具有扩展的接收缓冲器(64字节)，通信速率最高可达1 Mbps，适用于不同的微处理器。

系统硬件电路由三部分组成，分别是：微控制器AT89S52、独立CAN控制器SJA1000、CAN总线驱动器PCA82C250。其中微控制器AT89S52完成对SJA1000的初始化设置，并通过控制SJA1000完成数据的发送和接收等通信任务。CAN总线驱动器PCA82C250是CAN控制器与物理总线之间的接口电路，它用于提供对总线的差分发送和接收。

CAN控制模块和通信模块结构图如图2所示。

图2CAN控制和通信模块

2.3存储电路设计

针对读卡控制器需要具有增加、删除用户卡并能存储100张有效识别卡的使用需求，本系统选用I2C总线结构的串行CMOS E2PROM存储芯片CAT24WC256。该芯片占用单片机I/O口少，节省系统资源且具有功耗低，掉电仍然可以保存数据的功能，满足本系统的设计需求且电路结构简单。

3CAN通信模块软件设计

CAN通信模块的软件设计主要包括CAN的初始化、数据接收和数据发送三部分。CAN的初始化在SJA1000进入复位状态后进行，主要是对SJA1000的内部寄存器进行配置。配置的寄存器包括：控制寄存器CR(其内容用于改变SJA1000的状态，控制位可被微控制器置位和复位)、验收码寄存器ACR、验收屏蔽寄存器AMR(这两个寄存器用于设置验收滤波器)、时钟分频寄存器CDR(控制CLKOUT的输出频率，选择BasicCAN模式或PeliCAN模式)、总线时序寄存器BTRO(其内容定义了波特率预置器BRP和同步跳转宽度SJW的值)、总线时序寄存器BTRI(其内容定义了定位周期宽度，采样点的位置和在每个采样点获取采样的数目)、输出控制寄存器OCR(由软件控制建立不同的输出驱动配置:双向输出模式、测试输出模式、正常输出模式和时钟输出模式)。

3.1CAN主程序

CAN通信模块的工作过程是：主控制器上电复位后控制SJA1000开始工作之前，通过读写测试寄存器来判断SJA1000与单片机的连接是否正确。连接正常即进入复位模式，进行初始化操作，并使SJA1000进入工作模式。SJA1000按照上次退出复位模式时的模式工作，直到芯片再次复位，改变设定的值，CAN主程序流程图如3所示。

图3CAN主程序流程图

3.2CAN发送子程序

发送子程序负责将读卡控制器报文发送至上位机。其发送给上位机或其它节点的内容主要是本节点的数据和设备状态。

通常，在发送数据之前需要判断SJA1000是否处于允许发送的状态。启动一次数据发送过程前需要完成的工作有：将待发送的数据按规定的格式组合成一帧报文；将组合好的报文送入SJA1000的发送缓冲区；③对SJA1000写发送指令。

3.3CAN接收子程序

接收子程序负责控制节点接收报文。被接收的报文可能是上位机发来数据请求、参数修改命令、原始配置数据等，也可能是其它节点发来的数据。接收报文时要处理总线关闭、错误报警、接收溢出等异常情况进行。SJA1000报文的接收有中断接收和查询接收两种方式。本系统采用实时性强、节省资源的中断方式。

4样机测试

本文在完成了功能样机设计后，对其进行了CAN通信模块以及性能测试。

4.1CAN通信模块测试

测试采用了两块带有CAN通信模块的单片机，将其CAN通信接口使用双绞线连接，作为通信通道，设置其中任意一单片机为数据发送方，另一单片机作为数据接收方。数据发送方的数据通过程序下载至单片机中，数据接收方接收的数据通过仿真器观察。整个测试过程共进行了10次发送和接收，每次5个数据，共50个数据。表1为数据发送方发送数据和数据接收方接收到的数据的比较，结果显示没有出现接收错误的情况，说明读卡控制器通信部件软硬件行良好。

4.2读卡控制器测试

测试读卡控制器主要是测试其对不同卡片的识别能力，以及能否完成对合法卡片的操作。测试中共使用了3张卡片，分别为：未经注册卡、用户卡和管理员卡各一张。

未经注册卡进行开锁操作时，读卡控制器显示无效卡信息提醒并发出声光报警。插入用户卡时，读卡控制器处于读卡状态，显示器显示“输入密码”字样，并伴有语音提示。在用户输入密码时，显示器以“*”显示已输入密码位数。若密码输入错误，会提示重新输入，当连续3次输入错误后，用户卡会被锁定并被设为无效卡，将不能继续进行开锁操作。解除锁定状态须经管理员重新注册。管理员卡除具有一般用户卡的功能外，还可以进行时间设置、注册、删除、查询等操作。查询时，可以按卡号查询用户基本信息，也可以按时间查询在指定时间段进出的用户信息。

表1　数据通信测试结果

通过对系统各方面的测试可知样机基本能够完成预设功能，达到门禁管理和通信的功能。

5总结

本文根据当今智能小区门禁管理系统的需求，采用成熟可靠的硬件器件和稳定的软件开发平台，设计出基于CAN通讯总线的样机系统。该系统产品开发成本低，研制周期短，能够满足目前的管理需求。对样机的测试证明该系统具有一定的可靠性，能够满足用户的要求。

参考文献

1夏巍，丁刚，严辉.基于CAN总线和嵌入式网关的家庭智能控制网络[J].工业仪表与自动化装置，2008，(6):29-31+38.

2仲涛，倪海丹，宋金歌. 基于DSP的CAN总线系统智能节点设计[J]. 山西电子技术，2006(3):29-30.

3王学军.基于P89C52和SJA1000控制器实现CAN总线节点[J].广西轻工业，2008，24(10):33-36.

4陈曦，刘鲁源，吕伟杰，等.基于排队论的CAN总线消息响应时间建模与分析[J].天津大学学报(自然科学与工程技术版)，2012，45(3)：228-235.

5李颖，王卫东，魏世斌.基于CAN总线的轨道检测系统数字传感器数据传输系统设计[J].中国铁道科学，2012，33(Z1):122-125.

6于泓博，朱恒军，李会.基于CAN总线和ZigBee的矿井瓦斯监测系统设计[J].化工自动化及仪表，2011，38(6)：722-725.

Development of Intelligent Access System Based on CAN Bus

LIANG Xiangying,YAN Hui

(School of Electronic and Information Engineering, Anhui Jianzhu University, Hefei China 230022)

Abstract:The intelligent access system based on CAN bus can meet the demand of the intelligent buildings. The system uses mature technology. It is stable and reliable. The prototype test shows that the main function of the system is to meet the requirements, with the advantages of low cost and more human nature, which is helpful to the development of the intelligent access control system.

Key words:CAN; Access System; Intelligent building; intelligent monitoring

作者简介：梁祥莹(1981-)，女，硕士研究生，主要研究方向为计算机控制、检测技术。

DOI：10.11921/j.issn.2095-8382.20150612

中图分类号：TP27

文献标识码：B

文章编号：2095-8382(2015)06-059-04