[硕士论文精品]rfid门禁机的软硬件低功耗协同设计

太原理I火学硕士研究生学位论文RFID门禁机的软硬件低功耗协同设计摘要门禁控制系统作为现代智能建筑不可或缺的一个子系统得到了广泛的应用，它可以实现技防与人防相结合的目的，能有效地提高物业管理水平，更好地保障建筑物内部和周边环境的安全。在低端门禁控制系统中，两个最主要的组成部分是门禁机与门禁管理系统。门禁机是门禁控制系统的智能前端，主要完成自动识别出入人员身份，向门锁发出放行与禁止信号，对出入事件记录等功能。门禁管理系统安装在管理中心的一I位机，主要完成对门禁机进行远程监控管理的功能。门禁机与门禁管理系统通过RS485总线组成分布式监控管理系统，实现对门禁点出入事件的事前防范与事后有据可查的功能。当前低端门禁机主要采用RFID身份识别技术。RFID门禁机是由门禁控制器与读卡器组成的功能集成包。与分立的J禁控制器、读卡器身【战的庞火的前端系统相比较，门禁机体移孙、价恪低，更适合低端J户的要求。为保证门禁机的安全二作，避免遭受恶意破坏，需要为门禁机发计封闭且坚固的外壳。而门禁机需要，KIJ,寸问J作，功耗大，发热量大，在这样狭小封闭的空问T卜如果没有好的散热条什，很容易影响系统的稳定性与可靠性，进而降低产品的使刚寿命，此门禁机的低功耗设汁就艟得非常霓要。J太原N2J大学硕十研究生学位沦文目前，在门禁机的设计中很少把低功耗目标作为研究重点，出现门禁机运行成本高，故障率高，维护困难等问题。为此，论文采用低功耗软件与硬件协同设计技术实现了门禁机“多静少动”的运行策略，从而大大降低了系统功耗。通过理论分析与计算，设计的门禁机待机功耗约为40MW，运行时功耗约为400MW，大大低于现有门禁机的待机功耗约为15W和运行时功耗约为18W。经过功能测试，门禁机在联网环境下能正常作，上位机的门禁管理系统能对下位门禁机进行监控管理。总之，利用低功耗软硬件协同设计技术_【殳计的门禁机，稳定性高，故障率低，其设计方法在其他电子产品的设计CI，也具有较大的推广应用价11。关键词低功耗，RFID，门禁，协同设引太原理L人学硕研究生学能论文LOWPOWERCOORDINATIONDESIGNOFRFLDDOORACCESSMACHINE。SSOFTWAREANDHARDWAREABSTRACTASANECESSARYSUBSYSTEM，DOORACCESSCONTROLSYSTEMDACSHASBEENWIDELYAPPLIEDINIBINTELLIGENTBUILDING，ANDCANREALIZETHETARGETOFCONNECTIONOFTECHNOLOGYDEFENCEANDPERSONALDEFENCETHEREFORE，DACSCANIMPROVEEFFECTIVELYTHELEVELOFREALTYMANAGEMENT，ANDENSURESECURITYOFINTERIORORSURROUNDINGENVIRONMENTOFBUILDINGALOWENDDACSCONSISTSOFDOORACCESSMACHINEDAMANDDOORACCESSMANAGEMENTSYSTEMDAMSDAMISAKINDOFINTELLIGENTFRONTENDOFDACSITCANIDENTIFYAUTOMATICALLYAGROUPOFCARDHOLDERSAFTERSENDINGSIGNALSOFPROHIBITORGOAHEADTOELECTRONICLOCK，DAMSTORESTHEEVENTINTHEAREAOFRECORDSDAMSISINSTALLEDINPC，ANDMONITORSDAMSINTHEREMOTEWITHTHEAIDOFRS485BUS，BOTHDAMANDDAMSCOMPOSEADISTRIBUTEDMONITORSYSTEM，ANDTHEIRCOOPERATIONMPLEMENTSTHEFUNCTIONOFPRECAUTIONBEFORETHEFACTOFGOINGINOROUTANDNQUIRYAFTERTHEFACT竖垦里尘堂堡堕窒竺堂堡塞RFIDTECHNOLOGYISMAINLYAPPLIEDINTHEDEVELOPMENTOFLOWENDDAMSATPRESENTRFIDDAMINTEGRATESTHEFUNCTIONOFDOORACCESSCONTROLLERDACANDREADERINCOMPARISONWITHTHESYSTEMOFINDIVIDUALDACORREADER,DAMSPRICEISCHEAPER，ANDSIZEISSMALLER,WHICHCANMEETOWENDUSERS。DEMANDSBETTERINORDERTOENSUREDAMRUNNINGNORMALLY，ITSNECESSARYFORDAMTOPOSSESSAFIRMSHELL，WHICHPROTECTSITFROMMALICEDESTROYONTHEOTHERHAND，DAMALWAYSRUNSFORVERYLONGHOURSTHEHIGHERTHEDAMPOWERIS，THEGREATERTHEHEATISPOORHEATDISSIPATIONCONDITIONSAFFECTEASILYTHEEQUABILITYANDRELIABILITYOFSYSTEM，ANDSHORTENFHEPRODUCTSLIFESOITISVERYSIGNIFICANTTOADOPTLOWPOWERTECHNOLOGYDURINGTHEDESIGNOFRFIDDAMASADESIGNTARGET，LOWPOWERISSELDOMCONSIDEREDDURINGTHEPROCESSOFDEVELOPINGDAMATPRESENT，ANDSUCHQUESTIONSASHIGHRUNNINGCOSTHIGHFAULTANDDIFFICULTMAINTENANCEHAVEAPPEAREDFORTHISREASON，THETHESISIMPLEMENTSDAMSLOWPOWERRUNNINGSCHEMEOF”MOREINERTIAAND8SSACTIVITY”THROUGHTHEAPPLICATIONOFLOWPOWERCOORDINATIONDESIGNLPCDTECHNIQUES，ANDTHEPOWERCONSUMPTIONOFSYSTEMISREDUCEDALOTTHROUGHTHEANALYSISANDCALCULATIONOFDESIGNEDDAMSPOWER,ITSSTANDBYPOWERISABOUT40MW,ANDTHERUNNINGPOWERISABOUT400MW；INCONTRAST，THESTANDBYPOWEROFCURRENTRFIDDAMISABOUT15W,ANDTHERUNNINGPOWERISABOUT18WTHETESTRESULTFORDAMANDDAMSINDICATESV吖THATBOTHDAMANDDAMSC，ANCOOPERATEWELLINAWORD，THEINTRODUCTIONOFLPCDTECHNIQUESISINSTRUMENTALINIMPROVINGTHEQUALITIESOFDAMSITSDESIGNMETHODCANBEDISSEMINATEDINTHEDESIGNOFELECTRONICPRODUCTSKEYWORDSLOWPOWER，RFID，DOORACCESS，COORDINATIONDESIGN声明尸州本人郑重声明所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。论文作者签名嗌茎盐日期彬了关于学位论文使用权的说明本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包括学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内容【保密学位论文在解密后遵守此规定。签名导师签名邈釜迅_ETL非L伊6占、YEII菲I印多F太原理一I人学硕十研究生学位论文第一章绪论智能建筑包括智能大厦和智能小区已经成为典型的现代建筑，是人们工作、学习和生活的重要场所。门禁系统作为智能建筑不可或缺的一个子系统得到了广泛的应用，它不仅可以实现技防与人防相结合的目的，而且更重要的是，它提高了物业管理水平，更好地保障了建筑物内部和周边环境的安全。11课题背景智能大厦是一种现代化多功能大楼，指那些在建筑结构、系统、服务和管理等方而进行全面优化，为用户提供高度舒适、安全、高效环保的环境空间，为_K主提供高度经济回报的建筑物。智能大厦运用自动控制技术、软件数据库技术、多媒体技术、计算机网络通讯以及综合斫I线技术，改变了传统系统固定封闭的架构将建筑物内所有的数据及语音图像处理发备和传统性的大楼运行管理系统智能集成为一个斫J线系统，统一设计安装，提高了系统兼容性平FL信息的共享性，不世节省了安装时问，减少了改动维修和管理费用，还使系统具备了快速灵活的扩充能力，使管理人员易于对整幢大楼的所有子系统进行有效管理，从而提高了工作效率，以较高的性能价格比保护用户的最仞投资ILI。世界上第一座带有智能化观念的建筑于1984年1月在美国康涅狄格州哈福德市CONNECTICUTSTATE，HARTFORDCITY建成。随后引起了各固的重视与效T玎，智能建筑在世界范围内得到迅速发展。II水于1985年术成立了国家智能建筑专业委员会，而英国、法国、加拿大、瑞|以及德国在上LH纪80年代术及90年代初部已落成富有自己特色的智能建筑11】。我国的智能建筑建“LL,J二1990年，随后便在全国各地迅速发展。IE京的发展大厦可1胃是我国智能建筑的雏形，随后建成了F海金茂大厦88F、深圳地王大硬8IF、。时，信火眨80F、南京金J篮圳渤商城58F等一批具有较高智能化程度的翟，LFE大厦。2000R10JI|IW能缱筑改IL标准国家F，】准GBT503142000太原理I火学硕十研究生学能论文的正式批准出台标志着我国智能建筑业走向成熟。在结构J_，通常把智能大厦看成是由系统集成中心通过综合布线系统PDS来连接和控制的楼宇自动化系统BAS、通信自动化系统CAS及办公自动化系统OAS、安保自动化系统SAS和消防自动化系统FAS，即5A系统，主要实现安防与通信功能。智能大厦的安防系统以安保管理中心为核心，以防盗报警系统、安全电视监控系统以及门禁控制系统为所辖子系统，并设有安全信息与图像储存与俭索系统、电梯控制系统、火灾自动报警系统、停车库管理系统等相关系统。其中，门禁控制系统也称出入口管理控制系统是智能大厦安防系统的重要组成部分为智能大厦内工作、生活的人们创造必要的安全空NIJ。门禁机通过对读写模块传术的信息进行分析识别，如果出现异常情况则立刻报警；如果情况证常，|J通信斤为俞法持卡人进入通行区域，则开放门锁，同时I己录I亥出入托件。每天一次，LJ禁机将机内的事件记录上传到安保管理中心的数拼“乍仪存，以备FL后查询FTU目。1_2门禁识别技术的发展历史及门禁系统的研究现状门禁系统随着自动识别技术的发展而迅速发展，LIL于其巨人的市场潜力，许多公D郝投入牛当；SOV,J人力、物力从习I门禁系统的】发LI“。蚓外门禁系统的知名品脚何足吲的俸斯、摩托罗拉、西屋、凯得、洛泰克、以包列的DDS及SERVANT、焚用的氍H新加】坡SYRIS、韩困SUPERLOCK以及TI；F臼湾的PORIS等。固内从I刚禁系统71奠的公司有儿千家，知名的有捷顺、消毕紫光、德14胜、马JOII_、北京FF云等。121门禁识别技术的发展历史门禁系统是务传统门锁的基础上发展而来的。传统的门锁安全陀较麓，尽管没汁人_，J_|I箨种办法求对颤进J改进，外人总能通过悱IJ常手段将。二J“。，J外，昕州“一比够J匙J1把锁”，当锁多时，铡匙的馈理艇刁I方便，同时也灏火的妨得R人必的入。2太原理【火学硕士研究生学位论文随着电子技术在通道管理中的应用，极大地提高了出入口的管理效率，出入口管理进入了电子时代。门禁技术随着身份识别技术的发展而发展，以下是它的各个发展阶段。1第一代门禁技术键盘密码方式采用键盘密码方式的门禁，相对于传统门锁具有明显的优点，用户不用携带钥匙，出入效率大大提高。其缺点有二，其一是用户密码很易泄露，其二是用户一旦忘记密码就无法出入。2第二代门禁技术磁卡方式采用磁卡方式的门禁克服了第代门禁的缺点，用户不必再担心密码泄露。缺点是卡片易被磁化，且磁卡信息容易被复制。3第三代门禁技术接触式IC卡方式接触式IC卡与相应的读写器配合，卡片本身不易被复制，也不宜被磁化，安全性要高于磁卡。不足之处是接触式IC卡通过暴露在外的金属触点供电，经常会因人为原因而损坏。4第四代门禁技术RF卡方式RFRADIOFREQUENCY，射频卡配合RF卡读写器构成一个无线识别系统，系统1作基于电磁理论。山于电磁波能扫描数据，因此RF卡根据实际需要可以被做成隐形的。RF卡最大优点是卡片与读写器之问采用非接触方式传递数据，识别过程无需人工干预，能够实现自动化。缺点是标签成本相对较高。迄今为止，RFID射频识别标准尚不统一，不同厂家的F司类型产品在性能上有很大羞异。就RF卡来说，PHILIPSEL己制定的MIFARE标准已经被选为国际标准ISOIECL4443TYPEA，符合MIFARE标准的RF产品的安全性在多年的实际应用中得到用户的普遍认可，已被广泛用于各种识别领域。3太原理I人学硕十研究生学位论文5第五代门禁技术生物识别方式20世纪90年代后期，随着低价位取像设备在我国的引入和发展，配合可靠对比算法的实现为生物识别技术提供了条件。从识别角度来讲，生物识别安全性好，可靠性高。缺点是对环境的要求高，对使用者的要求也高，使用不便，要实现大范围的使用还存在困难。现在主要用于军政要害部门或银行金库等的极其重要的场所。1_22门禁系统的研究现状曰IM国内外研制和使川的门禁系统主要都集中在RFID门禁系统和生物IQ0门禁系统。早期的密码门禁系统山于其本身的安全性弱和便捷性差已经IFII临淘汰，RFID门禁系统是低端门禁市场的主流产品，该系统中的RF卡具有防碰撞能力能实现多标签的同时UL别，操作方便快捷且使用寿命长。而生物识剐FJ禁系统由J二其识别过程的复杂繁琐，要川于一般的门禁场合尚需时。国际国内的门禁产品各有自GI,J优点和缺点。一般来说，欧美等国的J禁产。协研发、生产时问较长般在10印以上，产品经过很多代的改进完善，。1质较稳定可讴，已经实现系列化II产而港台和内地产品的研发、生产时M相对较埏般在6年以下，台湾的产一铺较内地产品更长一点，一般以中小系统为二匕种类少，产品的功能简单。另一方I叭欧荚门禁，“内价格偏高，通常是国内价格的45倍以上，丰要仡大吵项目以及比较J瞳要N0场所MT，特刖是些大型项日多采用进II的欧足JT，睡I内的门禁产协较多戍用存巾小项和要求简单的场所，随着品质的提高，它们JF在逐步占领更多的市场份额。在幽内，同一级别的门禁产品质量相差很大，凶此价晰也商低不同。最近几年，随蓿越来越多的圈外品牌在刚内设厂，国外品牌产。讯F趋本T化返在一定程度J_TLI,JLT_FLTL彳I。该TW，忡的门禁I“品的研究与发展。低端FJ禁产。日的卜要爻家足办公1J字偻的玎发|弃IIIJ楼内门禁设施的舰划选择属1氽、I身的FJ为政府，乏川父部JNI这厅而JI术曲M0要求，冈此丌发商仡门禁设施的选择F考G哎多的足赞刚M题，内J鬃J。仃畦尺优势。另外，随荷旧内J桀厂新亿产。L太原理工大学硕N旰究生学位论文研发上投入的不断加大，国产门禁产品的性能与稳定性也在不断提升，这也促使开发商有更多的机会选择国产品牌。13低功耗RFID门禁机研究开发的必要性通过调查智能小区中门禁系统的运营情况，所得到的结论很不理想小区局域网因运行成本高、服务质量差而经常陷于困境；一些小区智能化系统在运行过程中故障不断，错报漏报频频发生，又缺乏相应的维修及纠错保证，最后只能停止使用；家庭智能控制器实际能有效使用并得到住户认可的不到12【5I。上述事实表明，国产门禁设备，特别是门禁机和门禁控制器，还处于应用研究的初级阶段在以后的文中，门禁机、小型门禁机等词将专指小型RFID门禁机。门禁设备在使用过程中的一个显著特点是用户不操作时州远大于操作时间。依据这一特点，门禁机的节能降耗问题必须要考虑。首先，用户操作门禁机时，门禁机必须能可靠稳定的工作，这是毫无疑问的；其次，在绝大多数用户不操作门禁机的时问罩，是使门禁设备仍工作于唤醒状态，还是使其进入休眠状态，使系统功耗降531最低。答案肯定是后者，前者往往只用在系统测试过程中。与门禁控制器的情况不同，门禁机将门禁控制器的主要功能与读写器的主要功能集成在一起，结构小巧紧凑，功能上又能满足一般用户的需要。直接带来的结果有两个，其一是安装方便、价格便宜其二是抗破坏能力较差，为了防止他人恶意破坏读写电路，门禁机需要有坚固的外壳作保护。但是，由于门禁机需要长时间地运行，功耗太大则发热量大，在封闭的空间内，如果散热条件得不到及时满足，很容易引发系统工作的不币常，降低产品的使用寿命，因此门禁机的低功耗设计显得J11；5I“重要。14论文内容编排基于低功耗系统所固柯的可靠性优势，本文从低功耗软硬FT汕“司设汁的伯度来解决门禁机使川过程故障4断，有效使用寿命短的问题。最后要完成款软硬件太原理I人学硕十研究生学俺论文配鼹合理、系统功耗分配较优，以高性价比为特色的门禁机。全文结构分六章，各章主要内容安排如下第一章介绍论文的研究背景以及国内外研究动态，阐述低功耗RFID门禁机研究丌发的必要性。第二章介绍RFID门禁系统的组成，阐述门禁系统网络架构，以及门禁机工作流程，最后介绍门禁管理系统的功能。第三章从电子产品功能设计的角度出发，阐述软硬件低功耗协同设计的基本原则。第四章详细阐述门禁机硬件系统的低功耗I5；计过程，主要包括主控区电路，读|区电路，液晶显示电路以及通信接口电路等几方面的设汁内容。第五章详细阐述门禁机软件系统的低功耗设计过程，主要包括后台守护程序，按键唤醒卡片读写程序，液晶显示剃序以及串J通信程序等几方面的内容。第六章首先介绍电子产品低功耗设计的几个层次，从优化程度最高的系统软硬俐层次出发，分析计算在不同工作状态下门禁机的功耗指标。然后在网络环境下，嘴助J二上位机丌发的门禁管理系统，对门禁机的功能进行测试。太原理一L火学硕十研究生学位论文第二章门禁系统的组成门禁系统又称门禁控制系统通过在出入口设置门禁机的方式来实现对出入口人员身份的自动认别，通过定期采集门禁机内部的刷卡记录来实现对门禁点出入事件的监控。它由三个主要部分组成，本章首先介绍门禁系统的网络架构，然后具体介绍RFID门禁机的工作流程以及门禁管理系统的功能。21门禁系统网络架构目前，门禁系统网络架构存在有两个重要的发展趋势一是基于现场总线技术的系统二是基于微机局域网的系统。在现场总线技术中，LONWORKS总线发展迅速，通过该总线可以实现底层设备的联网。但是，由于支持总线协议的芯片昂贵，所以现场总线产品的投资大，开发周期长。相比之下，基于微机局域网的系统则可利用现有的局域网，廉价方便地实现系统的通信控制功能16J。在采用微机局域网方式的门禁系统中，门禁机要和管理中心进行通信，常采用的系统架构有两种，其一是RS485总线网络，其二是宽带数据网。RS485总线网络具有通信距离较远，速度适中，价格低廉、布线简单及系统可靠性强等优点，是当前安防行业最普遍的传输方式之一，适用于层次要求较低的住宅小区。宽带数据网可以使门禁用户利用现有的通信网络资源，但整个系统对软硬件的功能配置以及管理员的管理水平要求都很高，直接带来的一个结果是整个系统运行的高成本，因此这干呻，方式适用于层次要求高的门禁用户。通过分析比对，门禁系统网络架构决定采用RS485总线网络。在这个架构中，系统各部分的分_E女N下管理中心的前台主机负责网络管理与门禁机监控，管理中，0符有后台服务器，用于存储F二L常1作中要删到的各种数据表。操作员通过丽台主机1J的门禁管理系统操作界晰对门禁系统进行FL常管理及维护。往后台服务器一卜运行的数|LI库诌理系统TQ有多制，选择，目D州L二常见的乜括太原理I人学硕十研究生学协论文MICROSOFT公司的ACCESS和SQLSEVER，IBM公司的DB2，LNFORMIX公司的LNFORMIX，ORACLE公司的ORACLE数据库以及SYBASE公司的产品等。ACCESS数据库最便宜，但数据保密功能及网络功能的支持力度弱；IBM的DB2、INFORMIX公司的INFORMIX和ORACLE公司的ORACLE数据库功能强大，售后服务完备，但价格很高SYBASE公司的产品与MICROSOFT公司的SQLSERVER差不多，比较适合中小型应用。综合考虑产品的性价比，选择了MICROSOFT公司的SQLSERVER2000作为管理中心的后台数据库管理系统。芏一J已一L门禁机FL门禁【LL一【一图21门禁控制系统组成示意图FIGURE21BLOCKDIAGRAMOFDACS门禁系统组成示意图如21中所示。在485总线网络上，网络控制器负责RS232FII，JRS485F言号的转换，考虑到通信速度与质五，采用硬件RS232RS485数圳转换器完成剐络控制器的功能。J祭LIL|LT0川FU源供LN。专J日电源町采FLJKE线4岫J断IU溉L，二_市F乜M常时，盘果莆U池RTALII；F足则会被充电；在发生断电的情况一卜，蕾F|NL池可以保证断U期问门祭机的供电要求。系统的发卡F【构山管理中心的前台主机与发卡器构成。F孓个员一I二所持的RF卡片必须经发卡机构授权后才能使用。同时，前台主机也担负着加L处理门禁机T4络JI发来N勺事件数据，生成有用记录存入后台数据库，UI管理疗奄渤的职责发LF1LVQ,1发。E器是一种R4F11们始化RF卡的JK器。进IJRF卜授权时，操F1必通过浚殴衙向即LR写入系统密码，以及个人点0，编码等数掘RFIQ内I；入过艘J”人I兵K过程类似，二者的区5JIJ足发；M“U台JH【的强F1FD会发|8太原理R火学硕十研究生学位论文“寻卡”信号，进而操作RF卡，持卡人读卡过程不需要这一前提条件。出于安全需要，发卡机构的RF卡授权过程需有严格的密码准入制度作保障。管理中心的工作人员只有在持有系统卡的情况下，才具发卡资格。22门禁机工作流程采用RF卡，持卡人出入门禁点时只需将管理中心授权的卡片在门禁机的天线附近310厘米感应一次即完成开门操作。整个操作过程虽然简单，但安全性却很高，下面对其中的道理进行解释说明。图22门禁机工作流程图FIGURE22WORKFLOWSCHEMATICDIAGRAMOFDAM门禁机上的读卡器是经过加密后才投入使用的，读卡器与RF卡需要经过三轮认证过程F7|，才能相互确认对方的合法性。当二者相互认证成功后，门禁机能从RF卡的应用区域读出经RF卡内加密模块加密过的个人信息。读卡器解密该信息后，将信息原文传给门禁机的主控微控制器简称主控器。主控器得到明文形式的个人信息后，将会根据机内的人员注册表及注销表来进一步判断RF卡操作的合法性，进而决定是否向电锁发送丌门信号。如果RF卡操作合法，主控器会向电锁发送开锁信号并记录该开门事件到机内的事件表中，否则会发报警信号。图22中清晰地描述出了持卡人进入门禁点的整个过程。门禁管理系统每天会在一个特定时刚段与网络上在线的各个门禁机通信，将各门禁JL的机I11L事件表上传到管理I，心后台数据晖I|_L，似行。J亡成上F0操作后，I理系统40JJ始化门禁机的机内记录区，人员II_TLTT表以及I嗡。I表，重新下绒相关数槲到缉9太原理I人学硕研究生学化论文个门禁机上。下面集中介绍图22中各部件的选择或实现情况。1读卡器如前文所述，读卡器是安装在系统前端门禁点处的身份识别设备，功能是读取RF卡数据，将数据传输给门禁机的主控器进行处理。当前国内市场上，基于MFRC500器件所开发的读卡器已是J流产品，不少公司均有自己的读写器或读写模块出售。考虑到产品的性价比，系统选用Z19500A读写模块，该模块的工作原理详见附录B。2门禁机门禁机是门禁系统的主要组成部分，它的性能及价位决定着整个系统的档次。RFID门禁机属于低端L禁产品，往低端门禁市场中居于主流地位。考睦到系统长时间工作的稳定性以及可靠性，从实用角度出发，低功耗门禁机的设汁丌发有助F提高整个系统的性能。3RF卡与MFRC500射频基站卷片相配合，I殳汁中选用符合ISO7IEC14443AF，J；准的MFIIC50卡。_塌之问的通信过程采用安全保密手段【SI，可以有效防小外，对卡巾应用区密码的攻击。23门禁管理系统简介本节所介绍的门禁管耻系统一卜篮完成门禁机网络监控、人事信息管圳以及FJ禁数据管理等功能，它能使管理人员及时全面了解各门禁点的情况。门禁管理系统分6部分，下FFTIX，J它们的结构进行简要介绍。1人事信息管理人IFCF青息钎理JII部门、职位足人员管RI部分具体实班，纳；I如罔23所水太原理JF火学硕十研究生学位论文2楼层房间信息管理楼层房间信息管理实现楼层房间信息的增加，删除及修改，结构如图24所示。3门禁机管理门禁机管理实现门禁机的增加，删除及修改，结构如图25所示。4门禁数据管理门禁数据管理主要实现持卡用户以及事件记录的增加，删除及修改，结构如图26所示。5系统管理系统管理实现操作员的操作权限及密码管理，结构如图27所示。图23人事信息管理结构图楼层房问信息管理图4搂层房间信息管理结构图FIGURE24SLRUCTURULDIAGRAMOFBUILD，FLOORANDROOMINFORMALIONMANAGCMEN1】查堕里叁鲎堕|二婴壅竺竺生堡苎图25F1禁机管理结构图FIGURE25STRUCTURALDIAGRAMOFDAMMANAGEMENT门祭机数据管耻持卡用户管理持卡人W增如1持卡人W删除持卡人W盘I句事件记录管理图26F1禁数据管理结构图FIGURE26STRUCTURALDIAGRAMOFDOORACCESSDATAMANAGEMENJI一IL竺当鬯型L当爿图27系统管理结构圈矧FIGURE27STRUCTURALDIAGRAMOFSYSTEMMANAGEMEN门吲一向斟一划一权M撤表生I蔓一一矬背操作UW启厢密码一广旧MM旧IL太原理_I2大学硕十研究生学位论文6系统维护系统维护实现数据库表的初始化及数据备份功能，结构如图28所示。24本章小结E兰至圆匝竺L罔网图28系统维护结构图FIGURE28STRUCTURALDIAGRAMOFSYSTEMMAINTENANCE门禁系统的选用要结合门禁用户的具体情况，不可一味追新、求全。根本原则之一是要遵循“以人为本”的思想。事实证明，采用RS一485总线结构是比较可靠、实用，且经济有效的方案。为了集中管理各个F禁点的出入事件，需要门禁管理系统定时监控网络上的每个门禁机，最终实现系统“事前防范，事后有据可查”的根本目标。太原理F大学硕十研究生学位论文第三章电子产品的软硬件低功耗协同设计电子产品软硬件协同设计的目标是综合分析系统软硬件功能，充分挖掘系统潜能、降低系统成本，通过协同设计软硬件体系结构，使系统运行于最佳的工作状态【91。软硬件协同设计分为软硬件功能分配和系统映射两个阶段。软硬件功能分配就是要确定哪些系统功能由硬件模块来实现，哪些系统功能由软件模块来实现。硬件一般能够提供更好的性能，而软件更容易丌发和修改，成本相对较低。由于某些功能既能用软件实现，又能用硬件实现，软硬件的界限已经不十分明显。此外在进行软硬件功能分配时，既要考虑市场可以提供的资源状况，又要考虑系统成本、丌发时间等诸多因素。因此，软硬件的功能划分是一个复杂而艰苦的过程，是整个任务流程最重要的环节【9】。系统映射是根据系统描述和软硬件任务划分的结果，分别选择系统的软硬件模块及其接口的具体实现方式，并将其集成，最终确定系统的体系结构。31软硬件低功耗协同设计原则在典型的软硬件协同设计过程中，与功耗相关的问题通常是在将系统划分为软件和硬件两部分后才开始考虑的。虽然这种作法可以在一定程度上降低功耗，但真证的低功耗协同设计过程应当贯穿微控制器应用系统殴汁的全过程，即从系统方案的拟定丌始，经过电路的设计、元件的选取、应用软件的设汁直到系统的最后集成测试为叫10I。在整个设计过程中，要充分考虑软硬件如何合理配置、蜘同工作，最终实现低功牦的I父汁目标。不仅需要合理选择硬件U路的功L特肚参数，满足低功耗改计要求，J歪II篮借助软件来实现对系统功耗的I彳I放管删。太原理I人学硕十FIJF究生学位论文311硬件系统低功耗设计原则硬件系统低功耗设计的基本原则是“全盘CMOS化、时钟宜低不宜高、系统宜静不宜动、电压宜低不宣高”112】。1选用CMOS器件CMOS器件与TRL器件的主要区别是CMOS电路功耗一般为10UW级，而1TRL电路一般为10MW级。CMOS电路工作范围一般为318V，而TTL电路一般为5V。CMOS电路的噪声容限一般为1272V,而N_L电路一般为04V。CMOS器件除了本质低功耗外，还为系统设计引入了功耗管理的概念。依据CMOS电路的功耗表达式POCCFV，诞生了与功耗管理相关的最大静态化设计、多电源设计以及时钟系统设计。所谓最大静态化设计指的是要实现应用系统中所有无效运行的电路均处于静态工作状态【LLL。多电源设计指的是要舀系统R【L路的划分区域中，根据不同的区域设筲不同的F包源电压。在理想的低功耗条件一F、低功耗系统的各部分功能模块对最低ITN同0要求往往不尽相同。时钏，系统设计指的是应系统要根槲所实现的操作，来对时自T，频率进FI渊整和及时关断。通过选择时钟系统比较完藩的微托沸0器，可以满足应J系统内外扩腱功能模块对时钟的需要。山此呵见，选川CMOS器FJ|足降低系统II帅L功耗的最直接的一种力法。2选用高集成度器件高集成度器件的功耗比较低，采用它们不但可以降低系统功耗丽且化卅靠肚及占用PCB板面积上都比分离元件要优越得多。3采用低电压供电CMOS器仆的I俳FINIS,【|眦E较啦。I伦M低电压下的CMOS黔P“香较低太原理工大学硕十研究生学位论文的功耗水平。如PICL6C71的工作电压为36V，当工作在6V及4MHZ频率的条件下，功耗约为12MW；而在3V的条件下，功耗约为3MW。再如LM324的工作电压是530V，当电压15V时功耗约为220MW，电压10V时约为90MW，电压5V时约为15MW。可见低电压供电对降低器件功耗的效果是非常显著的。4降低系统工作频率在技术指标许可的范围内，工作在低频率下的器件有着较低的系统功耗。如MCS一51系列微控制器的CPU时钟工作在12MHZ时，指令周期长为LUS，器件功耗为15W；而TL的MSP430系列微控制器，由于器件内部采用PLL锁相倍频技术，可将外部时钟降到32768HZ，而内部总线速度却可最高达到8MHZ，器件功耗在UW级。5利用器件“节电”工作方式利用低功耗器件的各种“节电”工作方式可以达到显著的节电效果。312软件系统低功耗设计原则，I软件系统低功耗设计的基本原则是在CPU控制下完成系统的功耗管理，使应用系统中的无效功耗要趋于最小、有效运行时功耗要在满足应用的前提下要达到最小112J。要在软件上实现应用系统的功耗管理【LL，需要从以下几个方面来综合考虑。1实现微控制器低功耗运行的最佳管理。主要包括以下两方面LDIDLE、WAIT、SLEEP、PDPOWERDOWN、STOP的进入与退出控制。即利用微控制器“节电”工作模式，采用中断方式实现CPU与外围模块的通信。MCU中主时钟、予时钟的转换控制。2利用软件功能代替艘“QI七L路。对于某些应用，这是一种降低系统功耗，简化系统改汁的有效，J刊I。17奎堕望上叁堂堡塑壅尘I垡堡茎3由于不同的低功耗器件有着爿；同的节电模式，因此，有可能从软件上实现微控制器对外围器件及电路的功耗管理【”I。32本章小结低功耗设计过程中的任何一个环节都需要认真加以考虑，根据实际条件做出合理的选择。当然，随着软硬件技术的快速发展，系统的“低功耗”是相对的，在设计过程中，应当本着实时设计的思想，随时了解电子技术的发展动态，选用合适的器件，才能实现满足用户需要的微控制器应用系统。太原理I大学硕士研究生学位论文第四章门禁机硬件低功耗设计开发“绿色”节能型产品是当前嵌入式系统发展的必然趋势。本章首先要分析RFID门禁机的功能需求，合理划分软硬件功能；然后逐步阐述整个门禁机硬件电路的低功耗设计过程。41门禁机的功能需求通过对国内研发的同级别门禁机的技术指标进行分析比较，结合当前技术状况，确定要研制的小型RFID门禁机的各项系统功能如下1读卡及信息显示功能在任何情况下，工作着的门禁机能显示系统时间。持卡人出入门禁点时，在门禁机的射频天线处完成刷卡操作。门禁机能从RF卡中墩“J持卡人信息，并判断出此次刷卡操作是否合法。当持卡人的当前操作合法有效时，门禁机能显示卡内的用户编码。当无人刷卡的时候，门禁机能在不关机的情况下以极低的功耗运行。2声光信号显示功能由于系统运行过程中有多种不同的工作状态，因此门禁机应具备用声光信号来向用户传达系统当前所处的工作状态的能力。3串行通信及联网通信功能门禁机能单独与PC机进行实时通信距离在12M以内，这个功FIIUJ11JI系统在线调试，也能联L司川境R主机或从机操作。05MBITS的最大主机数据传输速率。发送结束中断标志。总线竞争保护。因此，SPI总线能实现主控器与外围模块以较快的传输速率交换数据。2F乜路设汁射频读写模块Z19500A的外接接口有两个J_ZA6与I_ZA8。J_ZA6是射频。站芯MFRC500的刈外孩N，川1。实现身寸频信号的收发；而JZA8是射频管理微挖制器的对外接II，J外部主控搽川连用于实现各种控制信号及数据的传输。在没汁中牛要关心JZA8接口的具体实现。JZA8上的FJI三个引脚分别为SCLK、SDA、SS，它们实现刺频读写模块与主控器MSP430F149之叫的通信。考虑剑二1控器MSP430F149与Z19500A各F_F的实际情况，采用模拟SPI方式实现二析的通信。Z19500A的仞始化主要实现射频模块的复位。如前所述，复位肘微控制器应用系统的L哪胄1作限常噩要，Z19500A馍块的第5脚枉是分配为I炙器什N复似端。庀实现Z19500A模块的复位时，有碘件J软件两种复位方式可供选择。硬件复垃指通过复位引脚实脱复FZ|FI软什奠缸指J巫过IJ仔配置来实现复应。硬复他方式J遗合太原理F大学硕士研究生学位论文用在微控制器系统的开发调试过程中。门禁机作为一种自动运行的微控制器系统，采用软件复位方式不仅可以简化硬件设计，而且能更好地满足实际运行环境的需要，因此为设计所采用。依据Z19500A的数据手册，射频读写模块的复位电平至少需要075V，由于MSP430F149的IO端口并不具备5V器件的驱动能力，而且该模块内部的SPI接口也与ZYGK01器件不同，是漏极开路。因此，Z19500A模块接口的设计成功与否将直接关系到该模块能否在本设计中使用。该部分电路的接口原理图如图49所示，在接口电路的设计上采用的主要措施是分压。图49Z19500A接口原理图FIGURE49SCHEMATICDIAGRAMOFZ19500AINTERFACE为了能使门禁机与用户方便地进行交互，在接口电路的设计中接入了个LED及一个蜂呜器，该接口电路能及时反映Z19500A读写模块的工作状态。425通信接口设计依据设计要求，要实现门禁机与PC机的通信，可供选择的方案有USB接口、并II、PS2接口、串口等，备利，方案有不同的优点和缺点。USB接R使用方便，支持即插即用和热拔插功能。但是要在门禁机上实现USB接|I与PC机对接，需要T巾I应的USB软硬PI作支持，考虑到它们的实脱成水LLIL,29太原理JL人学硕士研究生学位论文高，不符合小型门禁机的设计要求，所以未加以选用。并口的通信速度快，但是要在门禁机上实现并口通信，不仅通信距离受限制而且电路实现复杂，可靠性低，不符合设计要求。PC机上的PS2接口一般为键盘和鼠标等外设所占用，用在门禁机上不经济。MSP430F149内部有UARTO及UARTL，支持异步串行通信。因此，借助UART模块实现与PC机的串口通信比较合理，满足设计要求。1器件选择门禁机需要实现代码下载以及与上位PC机进行数据通信，为了满足不同场合的通信要求，在设计上安排有两套RS232及一套RS485接口电路，从硬件上保汪FJ禁机既可以通过RS232直接与微机进行短距离通信，方便系统调试，也可以通过RS485网络与微机进行远距离通信，实现FJ禁机的远程通信功能。在设FTRS232串行接口电路的过程中，为了能对比不同硬件配置下功耗的差别，在FU平转换芯片的选择上采用了传统5V器件与低功耗3V器件来分别构成不州的串行接口电路。其中，5V的RS。232RTT转换芯片采用TI公列的MAX232A，而3V器件采用SIPEX公司的SP3220EEA器什，该器R|具有低功耗作模式，在关断状态下最大电流消耗仅10UA。在设计RS485串行接1电路的过私川I，I要考虑的因素是器件的价格，以及功耗，SP3485EN是最终所选用的电平转换芯片。2电路设计下I|介绍要用到的三个F乜F转换IU蹿，图410及41L中分别采用了传统MAX232A器件与低功耗的SP3220器件。SP3220与MAX232A的实现成本相差不舣悬殊，但对系统功耗影I】向印很大参考功耗分析一章。通过这种T比，能更加体观B低功耗设计的必要性。图412用于实现门禁机的RS485I列络通信JJ能，采用了低功耗且低价格的SI，3485器仆来实现I旷陷0换。通过在RS232【U婚及RS485电蹿的输入端乐刖“线”近接的方法，门繁饥能方便地实现RS。232与RS485F膏号的转换，充当一个H查堕型叁堂堡主塑壅尘堂堡堡苎络控制器。通过软件编程，该控制器可检查网络命令数据包正确与否。L一，些三一I图410MAX232A实现的RS一232电平转换电路原理图FIGURE410SCHEMATICDIAGRAMOFRS一232CIRCUITWITHMAX232A图41L低功耗器件SP3220实现的RS一232电平转换电路原理图FIGURE4L1SCHEMATICDIAGRAMOFRS232CIRCUITWITHSP3220型坠塑世筹图412低功耗RS485电平转换电路原理图FIGURE412SCHEMATICDIAGRAMOFRS一485CIRCUITWITHSP3485黑惭阱TMM。勰；目一太原理I火学硕十研究生学位论文426工作状态指示电路设计门禁机运行过程中有低功耗LPM3状态、串口通信状态、刷卡成功及失败状态以及系统初始化成功状态等等。为了能比较直观地反映出门禁机当前所处的工作状态，在微控制器的P1口上安排了8个发光二极管，考虑到PL7兼作门禁机唤醒键的信号输入，为方便软件编程及调试，用跳线来实现信号指示及唤醒功能的选择。MSP430F149每个10口的低电平驱动电流最大为10MAVOLO5V，VCC3V，25摄氏度，高电平驱动电流最大为一10MAVOH25V，VCC3V，25摄氏度。发光二擞管采用阴极接法。电平调整电阻的耿值由公式VCCVLED5MA1000520F2来得到，最后确定选标值为510Q的电阻为了方便硬件调试，在电平调整电F5_【排与电源VCC的接线处加入跳线，发光二级管接线电路图如413所示。E图413发光二极管接线原理图FIGURE413SCHEMATICDIAGRAMOFLEDCIRCUIT427门禁机硬件地址设置电路设计在联网环境中JI怍的每个门禁机均有一个惟一的属_J。占自己的硬什地址，该地川剧TQ络；J。帆IJ禁LILIIJ他岢。通过人为改定FJ禁机慢FQ地址，“J以简匕J禁HL软什的嫂汁。如414所小，JL过8幢拔码厅关与二T控；的艇什暇接，门祭【LJ咀尖观2563太原理J【火学硕十研究生学他论文个硬件地址选择。图414门禁机硬件地址设置原理图FIGURE414SCHEMATICDIAGRAMOFDAMADDRESSSETTINGCIRCUIT428多电源设计依据低功耗设计原则，门禁机工作R1源的设计目标是控制空载时的静态电流为最小。1元器件选择根据设计要求，电源模块要为系统提供5V及33V两种标准电压，需要用两级电源电路米实现。第一级输入9V直流电压，输出5V直流电压；第二级输入5V直流电压第一级的输出，输出33V的直流I也压。在稳压器件的选择上，若采用JR关电源，则系统实现成本高，电路实现复杂，而且产生的大噪声对系统非常不利若采用线性电源，则电路实现简单，电源输出RU压的纹波较小，且价格便宜。通过综合比较，决定选用线性稳匝器件来完成电源模块的没汁。门鬃眦FI采_【J5VEF【I的器件有括弧RFR为I亥器仆LF常I昕前R犬F乜流IASLLL7最人静态THAAS,10MA121I。2Z19500A75MA120L。太原理L大学硕十研究生学位论文3MAX232A最大电源电流10MA1221,而采用33V供电的器件有1MSP430F149活动模式下600UA，LPM3下2UA114】。2ZYGK01模块内部一片HTL621工作在3V下需要120UA119】。3SP3220EEA最大电源电流LMA，工作在关断模式下最大电源电流为10UA【23】。4SP3485最大电源电流2000UA，工作在关断模式下最大电源电流为10UA【241。经计算得知，门禁机工作所需的最大电流不会超过100MA。将LM7805作为前级稳压芯片，以及ASLLL7作为末级稳压芯片两器件的静态工作电流均为5MA能满足设计要求，可以选用。斟41533V5V电源系统原理图FIGURE415SCHEMATICDIAGRAMOFPOWERSYSTEMCIRCUIT根据稳压器件的功耗计算公式PV”V。XIMN，所选的两个器件的功耗分别为PLM78059050XI。，而PASLLL75033XI