（控制科学与工程专业论文）智能交接箱监控系统研究与设计.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 我国交接箱的分布具有点多、分散、面广等特点。长期以来，交接箱在使 用过程中存在两大问题。第一，交接箱通常工作于户外的恶劣环境中，长期的 日晒雨淋，导致交接箱内的温湿度不能保证在正常范围之内，使其内部电路工 作寿命缩短，影响通信系统的正常工作。第二，由于缺乏管理，使得交接箱箱 体经常被损坏，盗打电话、任意改动配线等现象也时有发生，导致线路故障频 繁发生。因此交接箱的管理一直是困扰电信管理者的问题之一。 为解决上述问题，本文设计了一套智能交接箱监控系统，此系统由现场控 制层、中问通讯控制层和上位机集中管理层三部分组成。现场控制系统安装在 交接箱内部，用以监控交接箱的温湿度情况和记录开启交接箱的i c 卡号，上位 机集中管理层以p c 机为核心，通过中间通讯控制层与现场控制层连接，统一 对交接箱进行监控，方便工作人员足不出户就可以对交接箱进行查看和管理。 通讯控制层的设计很好的解决了p c 机与大量现场监控单片机之间直接进行信 息传输时而产生的多路信息竞争或数据丢失的问题。整个系统可以实时监控交 接箱的数据，并根据要求上传数据到管理人员的p c 机中，实现无人值守的智 能化管理。 本文首先介绍了交接箱、半导体制冷的国内外研究现状，而后介绍了本交 接箱监控系统的总体功能和结构框架。简单叙述了现场级单片机控制层、中间 通信控制层和上位机集中管理层的系统组成和实现方案。在a t m e g a l 2 8 开发板 平台上结合传感器技术和半导体制冷技术设计了由门禁系统和温湿度控制系统 组成的现场控制层，解决了交接箱的违规开启和箱体温湿度控制问题；在 x c 3 s 4 0 0 型f p g a 开发板平台上利用v e r i l o gh d l 语言实现了f i f o 模块和 r s 4 8 5 通讯模块的设计；利用p c 机的良好人机界面和v b 语言设计了集中管理 层。本文给出了系统设计中的大部分硬件电路图和软件流程图，并对其原理进 行了说明。整个系统功能完善，具备了良好的效果。 关键词：交接箱，d c s ，a t m e g a l 2 8 ，集中管理，无人值守 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t i kd i s t r i b u t i o no fc r o s sc o n n e c tc a b i n e th a ss o m ef e a t u r e si no u rc o u n t r y s u c ha st h er a n g eo ft h i sb o xi sw i d ea n dd i s t r i b u t i o n , i tm a k e sb o x e sm a n a g e m e n t v e r yd i f f i c u l t y t h e r ea r et w op r o b l e m si nc r o s sc o n n e c tc a b i n e tb e c a u s et h e t e l e c o m m u n i c a t i o n ss e c t o rd o e s n th a v ee f f e c t i v em e a s u r e st om a n a g eb o x e sf o ra l o n gt i m e f i r s t , l o t so fb o x e ss t a yi nt h eo p e na i r , b ew o r k i n gu n d e re x t r e m ec o n d i t i o n s l i k ew e a t h e r i n ga n dn o m a n a g e m e n t s oi tc a l ln o tk e e pt h et e m p e r a t u r ew i t h i nt h e n o r m a lr a n g ei nt h eb o x ，t h i ss h o r t e n st h es e r v i c el i f eo fc i r c u i ta n dh a v ei m p a c to n t e l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m s s e c o n d ，t h et e l e c o m m u n i c a t i o ns e c t o rf a i l e dt om a n a g e o rp r o t e c tt h ec r o s sc o n n e c tc a b i n e ti nm a n yp l a c e s ，s ot h eb o xa l w a y sh a db e e n d e s t r o y e da n di tm a k e ss o m ep h e n o m e n o na l w a y sh a p p e n , s u c h 勰f r e ec a l lo n s o m e b o d ye l s e se x p e n s et h r o u g hi l l e g a lm e a n s ，c o n n e c t i n go nt e l e p h o n el i n e sb y p r i v a t e ，a r b i t r a r yc h a n g ec o n n e c t i o na n ds oo n a l lo ft h e s ew i l lm a k et h el i n ef a u l t a n dl e a dt oad e t e r i o r a t i o ni nt h eq u a l i t yo fl i f ef o rr e s i d e n t s s ot h em a n a g e m e n to f b o x e si so n eo f p r o b l e m st ot e l e c o m m u n i c a t i o nm a n a g e r i no r d e rt os o l v et h e s eq u e s t i o n s ，t h ed e t e c t i o ns y s t e mo fc r o s sc o n n e c t i o n c a b i n ei sd e s i g n e d t h i ss y s t e mi sc o m t r u c t e dw h i c hc a l ld e t e c t i o nb o x e s ，i n c l u d i n g o n - s i t es u p e r v i s i o nl a y e r , c o m m u n i c a t i o nm a n a g e m e n tl a y e ra n dc e n t r a l i z e dc o n t r o l w i t hc o m p u t e rl a y e r o n s i t es u p e r v i s i o nl a y e ri su s e dt om o n i t o rh u m i t u r eo ft h e b o xa n di cc a r d i di n s t a l l e di nt h eb o x ；c e n t r a l i z e dc o n t r o ll a y e rb a s e do np c c o n n e c t sw i t ho n - s i t es u p e r v i s i o nl a y e rt h r o u g ht h ec o m m u n i c a t i o nm a n a g e m e n t l a y e r , m a yf a c i l i t a t es t a f f sc h e c ka n dm a n a g eb o xr e m a i nw i t h i nd o o r s w h e np c c e n t r a l i z e dc o n t r o ll a y e rd i r e c t l yc o m m u n i c a t e sw i t hal a r g en u m b e ro fo n s i t e s u p e r v i s i o nl a y e r , i t w i l lc a u s es o m ep r o b l e m ss u c h 弱d a t al o s sa n d m u l t i i n f o r m a t i o nc o m p e t i t i v e t os o l v et h e s ep r o b l e m sc o m m u n i c a t i o nm a n a g e m e n t l a y e ri sd e s i g n e d t h ew h o l es y s t e mc a l lm o n i t o rb o x e sa n du p l o a d i n gd a t a st ot h e w o k e r s c o m p u t e r , m a k et h ei n t e l l i g e n tm a n a g e m e n to fw i t h o u taw a t c h e rc o m e t u r e f i r s t l y , t h i sp a p e ra n a l y s e st h es i t u a t i o no ft h ed e t e c t i o ns y s t e ma n d i l 武汉理工大学硕士学位论文 s e m i c o n d u c t o r r e f r i g e r a t i o na th o m ea n da b o a r d s e c o n d l y , i ti n t r o d u c e st h es y s t e m s f u n c t i o na n dt h eh a r d w a r ef r a m e w o r k t h i r d l y , t h i sp a p e rb r i e f st h r e el a y e r s c o m p o s i t i o na n ds p e c i f i ci m p l e m e n t a t i o n rd e s i g n e do n s i t es u p e r v i s i o nl a y e r c o m p r i s e do fh a r d w a r ed o o rc o n t r o ls y s t e ma n dt e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e m c o m b i n e dw i ms e n s o rt e c h n o l o g yi na t m e g a l2 8d e v e l o p m e n tb o a r dp l a t f o r m ，t h i s l a y e rs o l v e dt h ep r o b l e m sa b o u ti l l e g a lo p e n i n gb o x e sa n dc o n t r o l l i n gt e m p e r a t u r eo f b o x e s ；i ta l s or e a l i z e dt h ed e s i g no ff i f oa n dr s 4 8 5c o m m u n i c a t i o n 、村t l lv e r i l o g h d li nx c 3 s 4 0 0d e v d o p m e n tb o a r dp l a t f o r m ；a tl a s td e s i g n e dc e n t r a l i z e dc o n t r o l l a y e rw i t hp ca n dv b ，b e c a u s eo fp c sg o o dh u m a n m a c h i n ei n t e r f a c e i tg i v e sm o s t h a r d w a r ec i r c u i ta n ds o f t w a r eo ft h i ss y s t e ma n de x p l a i n e dt h ep r i n c i p l eo fs y s t e m d e s i g ni nt h i sp a p e r t h es t r u c t u r eo fw h o l es y s t e mc o m p l e t ea n df u n c t i o na c h i e v e s p e r f e c t k e yw o r d s ：c r o s sc o n n e c tc a b i n e t ，d c s ，a t m e g a l 2 8 ，c e n t r a l i z e dm a n a g e m e n t ， u n a t t e n d e do p e r a t i o n i i i 武汉理工大学学位论文独创性声明及使用授权书 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及耿得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示了谢意。 研触c ：鲰日期出：窆 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大 学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信 息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ： c ，一产 导师( 签名) ：旦鹫虹篷日期型堡圭 注：此表经研究生及导师签名后，请装订在学位论文摘要前页。 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 用户终端、用户线、交换机和中继线四部分组成了公用电话刚，其中交 换机与用户终端之间由主干电缆、配线电缆和用户引入线三部分以及各种配线 设备连接。交接箱f 2 】作为配线设备安装在主干电缆交接处，是为电信主干电缆 和用户线缆提供汇集跳转的交接设备。交接箱的设置可以提高主干电缆的利用 率，有效提高线缆的安全性和可靠性。它对于保障用户线路的畅通起着十分重 要的作用。 交接箱作为线缆连接设备通常安装在户外，受安装条件所限，它必须能够 抵御恶劣的外部环境。因此，箱体外部对防水、防损害等方面要求比较高f 习； 箱体内部对温湿度控制要求十分高。按国际标准，这些项目最高标准为i p 6 6 4 1 。 但目前国内能达到该标准的箱体并不多。长期以来，我国的电信部门对交接箱 一直缺乏有效的管理手段，致使交接箱成为通信故障的多发地点。随着我国电 信容量的增加，在电信网络中起关键作用的交接箱的管理越来越引起电信部门 的重视。 1 2 国内外研究现状 国外广泛采用增强聚酯玻璃纤维等非金属材料制造的交接箱箱体，具有耐 锈蚀、耐候性强等特点。我国大部分地区长期以来使用的都是铁质箱体，铁质 箱体在结构外形和实际应用中都有许多弊端，尤其是在我国南方地区，因为箱 体温湿度和防水防尘问题，为使用和维修带来很大的困难。随着我国的经济发 展，目前国内使用的交接箱箱体主要有3 类【5 】【6 】【7 】：原装德国k r o n e 箱体、国 内参照k r o n e 箱体的仿制品和以铁质为主的金属箱体。对于金属箱体，由于 其抗腐蚀方面的低劣性能，正在被逐渐被淘汰【8 j 。k o r n e 箱体采用不饱和聚酯 玻璃纤维增强材料，具有寿命长、防护功能良好等特点，但成本较高。而国内 一些仿制品由于材料性能和密封性能等问题导致箱体与k r o n e 有较大差异， 效果并不理想。 武汉理工大学硕士学位论文 国外目前对箱体的管理，多采用无人值守和专人看管的方式。无入值守方 式具体是当交接箱被非法开启或发生故障时，会通过交接箱内部的监管系统向 主要部门发送警报，节省了大量的人力物力。专人看管方式是固定工作人员看 管一定区域内的交接箱，固定时间段进行开箱检查。 国外从1 9 5 0 开始研究半导体制冷，经历了从原理到材料的过程。目前主要 研究的目的是提高半导体制冷的热电效率。对于通讯这个行业来说，目前生产 通讯用半导体制冷器的厂家很少，生产厂家主要集中在日本、美国及西欧几个 发达国家，日本在这方面作得最好。目前国内仅有清华大学、浙江大学、中科 院物理研究所等机构从事热电材料的开发研究工作。随着我国对新能源发展的 要求和生态环境问题的日益严重，热电材料由于其在环境保护方面的特殊功能， 将成为我国新材料研究领域的下一个热点。 1 3 课题研究背景及意义 本课题主要来源于实际项目。国内一些厂家也研发出各种交接箱的监控系 统，但大部分产品只包括对交接箱门禁系统的监控，对交接箱内温湿度的控制 没有考虑。为了解决交接箱的温湿度控制问题和门禁系统问题，本文设计了一 个实验型的智能交接箱监控系统，本设计的完成可以为交接箱的监控工作提供 一个参考。 2 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章系统功能设计 2 1 功能需求分析 本交接箱监控系统，用于对辖区内2 5 6 个交接箱的温度、湿度以及当工作 人员开启交接箱时，开箱信息和开箱时间这些数据信息进行采集、保存和上传。 系统具体需要实现的功能包括： ( 1 ) 对交接箱箱体内的温湿度进行实时数据采集，并且能够在温湿度超过 设定范围时，通过执行机构对温湿度进行调节。 ( 2 ) 设计一套合理、安全的门禁系统，以保证交接箱内线缆接头的安全。 ( 3 ) 设计一个可靠、合理的系统结构体系，保证工作人员在足不出户的情 况下就能够通过p c 机来监控辖区内多个交接箱的情况，达到无人值守的智能 化要求。 2 2 系统方案设计 2 2 1 集散控制系统介绍与系统总体方案选择 集散控制系纠9 1 ( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ，d c s ) ，又称为分布式控制系 统。主要特点有：集中管理，分散控制，采用分层、分级自治与合作工作相结 合的结构方式。 d c s 通常适用于规模较大的控制系统，由三级系统构成，分别是现场控制 站、操作站和管理站。 对于d c s 的系统来说，它必须满足实时性的要求，这就对d c s 系统的网 络选取提出了一定的要求。目前组网的网络拓扑结构有以下几种：星形拓扑、 环形拓扑、总线拓扑和树形拓扑。树形是总线拓扑的扩展形式，适用于分层次 的管理系统。 根据我国的交接箱监管要求【9 】：交接箱监管数目最多为2 5 6 个，分布范围 为2 0 公里，具有可扩充性，实时性要求在1 0 秒以内，工作可靠。则采用树形 网络拓扑结构设计一个控制规模为2 5 6 的的交接箱监管系统，在监控中心和现 武汉理工大学硕士学位论文 场控制节点之间设置3 2 个通信控制节点，每个通信控制节点与8 个现场控制节 点连接，这样通信方式成为：监控中心与通信控制节点通信，通信控制节点与 现场节点通信。设该系统的通信条件为：通信方式半双工u s a r t 、通信波特率 1 2 0 0 b p s ，则完成一次通信的平均服务时间约为2 0 0 m s o l 。设通讯损失率 b 0 2 为可以接受的限度，据图2 1 可求出此时的到达服务比g - - 0 0 3 5 。则由 公式g = r g ，r 为每个现场节点在l s 内与监控节点通信的平均次数，可以求 出r 等于o 1 7 5 次，即系统的实时性为6 秒，满足国家要求。 0 6 0 4 o 2 0 0 ， ， ， 二 乒夕 n = 1 6 n = 8 l23456 到达服务比g ( x o 0 1 ) 图2 1 损失率b 与系统规模n 、到达服务比g 关系曲线 根据以上分析，在综合考虑监控规模、系统实时性和损失率的情况下，可 以采用在监控中心( 主节点) 和现场控制器( 从节点) 之间增设一个层次，这 种经过改善的树形拓扑结构可以满足系统要求 本系统采用上述拓扑结构，系统框架图如图2 2 示。各层之间相互独立， 层之间互不影响，系统灵活性好，系统可实现模块化设计，易于实现和维护。 采用这种结构使交接箱监控这个庞大和复杂的系统变得容易实现和控制。 本系统的下层为现场控制层，由单片机子系统组成，作为现场控制器置于 交接箱内。功能包括t ( 1 ) 对交接箱的门禁系统进行控制，保证专人专卡开箱，同时记录开箱的 时间和开箱i c 卡号资料。 ( 2 ) 对交接箱内部的温湿度进行控制，通过温度传感器和湿度传感器采集 箱体内的温湿度情况，当温湿度超过设定值时，启动箱体内部的制冷和风扇系 统达到对箱体内部降温和干燥的目的 系统的中间层为通信控制层，设置这层是为了解决当集中管理层的p c 机 与大量现场控制单片机直接进行数据传输时的“瓶颈 问题，避免造成信息传 输的多路竞争和查询不及时导致数据丢失的情况发生。 4 武汉理工大学硕士学位论文 整个系统使用具有良好文字处理能力和图形显示功能的p c 机作为集中管 理层，选用w i n d o w s 操作系统，设置友好的人机界面。它将管理区域内的交接 箱作为静态数字标号显示，操作员也可通过鼠标和键盘完成对交接箱进行数据 查询和系统设置等工作。 图2 - 2 交接箱监控系统结构图 2 2 2 现场控制系统设计方案 现场控制系统主要功能是通过微控制器统一对箱体的温湿度和门禁系统进 行控制。现场单片机系统的结构框图如图2 3 示。 l j 厂 1 f 厂一 。 图2 3 现场单片机系统结构框图 下面分别介绍各个模块： 第一，电子门禁系统【l l 】 t 2 】【1 3 】设计。为了保证交接箱门禁系统的安全性以 及将来的系统升级能够方便进行，本设计采用i c 卡识别系统。目前常用的i c 卡有两种：接触式和非接触式i c 卡。接触式i c 卡通过机械触点从读写器获取 数据，但接触式i c 卡的工作能力不可靠，不适合交接箱这种在户外恶劣条件下 的系统使用；非接触式i c 卡是通过线圈射频感应从读写器获取数据，具有存储 5 武汉理工大学硕士学位论文 量大，成本低等特点。本设计采用非接触式i c 卡门禁系统。主要读卡器系统结 构包括：微控制芯片、读卡芯片、射频电路、时钟芯片、l c d 显示。 市场上目前有多个卡系列，主要区别在内部芯片、工作频率、存储容量、 读写距离等都几个方面。我们选取使用p h i l i p s 公司的m i f a r e 射频卡【i 钔。m i f a r e 射 频卡的特点是存储量较大、性能较稳定，而且价格也比其他射频卡都要低，性 能足以满足本系统的应用要求。 读卡器安装在交接箱箱体内，采取一卡对应多个箱体的方式。当工作人员 持有i c 卡靠近读卡器时。通过读写器的读卡功能将放入感应区的i c 卡中的数 据读出，并将数据传输到微处理器中，然后由微处理器通过对比判断读卡模块 上传的数据是否正确。当数据正确时，微控制器控制继电器动作开门，开门后 会将卡号和开门时间等信息保存到系统的e e p r o m 中，并可以通过中间通讯控 制层上传到系统集中管理层。 整个系统优点在于只有专业操作人员才能持卡开启箱门，非授权人员则无 法开启，从而明确了操作者的责任，实现限制非专业操作人员随意开启交接箱 的目的。 第二，温湿度控制系统设计。目前，我国大部分交接箱的温湿度控制系统 采用两种方式：一种是利用风扇强迫风冷，当箱体内的温湿度达到限定值时， 箱体内的控制器启动风扇，使得内部空气与体外大气进行流通，达到降温目的。 主要优点是，好安装，容易操作，且成本较低。但是，在我国南方大部分地区， 当夏季时户外温度很高，这种方法就不能达到箱体内部温湿度的需求。但是当 外界温度过高时可以作为辅助手段对箱内温度进行调节。第二种方式是采用工 业空调对温湿度进行控制调节。采用小型的工业空调，将其安装在交接箱内可 以很好的控制箱内的环境温湿度。一般工业空调比民用空调功率要大很多。工 业空调主要通过压缩式制冷来达到吸热降温的目的，从而使交接箱在密闭的情 况下，将交接箱内的热量和水汽向箱外排放。工业空调在气候条件很恶劣时效 果很好，但是工业空调价格相对要很高。一台小一匹的工业空调价格在2 0 0 0 元 左右，这就使得交接箱成本升高。 本设计采用半导体制冷【l5 】的方法对箱体内部的温度进行调节。半导体制冷 是一种采用半导体制冷片的制冷方法。半导体制冷片原理图如图2 4 示。它由 两片陶瓷片组成，由许多n 型和p 型半导体之颗粒互相排列而成，而p n 半导 体之间以一般的导体相连接而形成一条完整线路，连接导体通常选用铜、铝或 其他金属，最后由绝缘且导热良好的两片陶瓷片包夹起来。 6 武汉理工大学硕士学位论文 n 型和p 型 图2 4 半导体制冷片原理图 半导体制冷片( t e ) 也叫热电制冷片，所以半导体制冷又称作热电制冷， 是利用了热电制冷的温差电效应【l5 】来工作的。温差电效应包括：塞贝克效应、 珀尔帖效应和汤姆逊效应。 半导体制冷片作为特种冷源【1 6 1 ，在技术应用上具有无污染、无噪音、安装 容易、控制方便的优点，而且通过将多个制冷片进行级联可以将功率做到很大。 目前已经在生活、医疗、军事中得到广泛应用。 2 2 3 中间级通讯控制层设计方案 中间通讯层的作用是保证各层之间的正确通信，提高系统通信的实时性和 可靠性。通信控制层与现场控制层单片机之间采用主从式工作方式，通讯层按 照编号顺序向现场控制层发送呼叫信息并等待回应，呼叫成功后，现场控制层 将现场采集的数据信息发送到通讯控制层，通信控制层将数据按顺序写入到统 一编址、统一分区的双口r a m 中。同时当集中控制层需要读取交接箱数据时， 中间通信控制层将数据按顺序发送到上位机。 本系统采用f p g a 作为整个通讯层的控制器，由于f p g a 具有良好的实时 性和同步性的特点以及内部有足够空间的块r a m ，所以作为中间级监控系统的 控制器，可以很好的与现场单片机控制系统进行通讯，以及将实时采集到的数 据存入内部的块r a m 中。本系统采用x c 3 s 4 0 0 作为控制器，x c 3 s 4 0 0 内部有 2 8 8 k b 的块r a m ，可以通过编程设计为双口r a m 用来存储采集到的数据。同 时将数据上传。 本设计使用r s 4 8 5 作为层与层之间的串行通讯接口。根据r s 4 8 5 通讯协议 当传输速率为9 6 0 0 b p s 时，可达到的最大传输距离标准值为1 2 0 0 米。 7 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 4 系统集中管理层设计方案 硬件部分使用功能强大的p c 机，p c 机具有良好文字处理能力和图形显示 功能。在软件部分选用适当的操作系统，利用v b 6 0 设置友好的人机界面。它 将管理区域内的交接箱的作为静态数字标号显示，操作员可通过可以通过鼠标、 键盘操作来查看交接箱数据以及向交接箱发送指令。 p c 机通过r s 4 8 5 与中间通讯控制层进行数据交换，当工作人员需要查看管 理区域内的交接箱数据时，利用p c 机通过r s 4 8 5 总线给现场单片机系统发送 传输命令，启动数据传输，交接箱数据通过通讯控制层打包传回到p c 机，这 样就做到了工作人员足不出户就可以对交接箱实行监控。 2 3 本章小结 本章首先介绍了集散控制系统( d c s ) 的有关概念，在后面介绍了整个系 统以及系统中现场单片机监控层、中间通讯控制层和集中控制层三个分层的体 系结构。在现场单片机监控层中重点介绍了半导体制冷和m i f a r e 卡的概念。 8 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章现场级单片机系统设计 本设计采用a v r 系列单片机a t m e g a l 2 8 作为现场控制层的总控制器，将 门禁系统和温湿度控制系统组合在一起，实现对交接箱的数据采集和管理。 3 1m c u 主控电路设计 本设计中采用的是a t m e l 公司生产的a t m e g a l 2 8 处理器作为中央处理器。 a t m e g a l 2 8 是一款基于a v r 内核，采用r i s c 结构，低功耗c o m s 的8 位单片机。主要特点为：内部有4 k b 的e e p r o m ，5 3 个通用i o 口，4 个可输 出的p w m 的定时器计数器，8 通道单端或差分输入的l o 位a d c ，6 种可通过 软件选择的节电模式【2 0 】f 2 1 2 2 1 2 3 】。 系统外部电路模块包括：m f r c 5 0 0 射频模块，温湿度信号采集处理模块， 时钟模块，显示模块以及存储模块。因为a t m e g a l 2 8 内部有4 k 字节的 e e p r o m 。它是作为一个独立的数据空间而存在的，可以按字节读写，用于保 存密码数据，且e e p r o m 的寿命至少为1 0 0 ，0 0 0 次( 擦除) 。所以我们就不需 要在外部扩展e e p r o m 电路。此外，在温湿度控制系统中，我们可直接使用 a t m e g a l 2 8 内部的a d 转换器进行对采集到的温度信号处理。使得外围电路变 得简单和易操作。 系统主控部分的电路图如图3 1 所示。图中包括a t m e g a l 2 8 主电路、外部 晶振时钟电路和复位电路，需要注意的是a v r 单片机是低电平复位，这是与 5 1 系列单片机不同的。 9 武汉理工大学硕士学位论文 3 2 门禁系统设计 a t m e g a l 2 8 l - s a i 图3 1a t m e g a1 2 8 主控电路 非接触式l c 卡，又称作无触点集成电路卡，工作原理是当有卡片靠近读写器 时利用射频技术完成数据交换，完成信息提取和修改的任务，目前被广泛利用 于生产、生活中。本系统使用p h i l i p s 公司的m i f a r e 射频卡，因为m i f a r e 卡是目前 世界上技术最成熟、性能最稳定的非接触式i c 卡，其采用的技术已被 i s o i e c l 4 4 4 3 a 1 4 】制定为标准；而且m i f a r e 卡的使用量很大，目前市场占有率达 到8 0 。 基于m i f a r e 射频卡的读卡器硬件电路主要包括：m c u 接口电路、射频卡读 写芯片m f r c 5 0 0 电路、外部天线、l c d 显示电路、时钟芯片电路、声音报警电 路。系统框图如图3 2 示。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 图3 - 2i c 读卡器电路框图 3 2 1 读卡器天线及匹配电路设计 读卡器天线的设计是关系到读卡器系统稳定性的关键部分。根据互感原理， 线圈的半径越大、匝数越多则天线间的互感系数就越大。天线可等效成r 、l 、 c 并联回路旧，其中互感系数l 不但和读卡器天线与卡线圈距离有关，还与 天线的大小和卡线圈的大小有关。但是卡线圈的尺寸大小是有标准，而且根据 国际标准的要求，i c 卡和读写器的通信距离为1 1 0 c m 1 4 1 。所以在这里讨论的 互感系数l 只和读卡器天线的大小尺寸有关的。天线设计形状一般为圆形或矩 形，且可根据下式估算： l 2 f 1 i l ( ) 一q n l 8 ( 3 - 1 ) 其中，匕曲= l = 乞+ 厶为线圈电感 ，为线圈一圈的长度 d 为导线宽度 n 为线圈匝数 q 为形状系数，一般天线设计为圆形或矩形：圆形线圈q = 1 0 7 ，矩形线圈 q = i 5 4 。 天线的品质因数【1 7 】是设计天线时另一项要注意的地方。根据国际无线通信 标准i s 0 1 4 4 4 3 规定【1 4 】：读卡器和射频卡之问的数据传输速度v = 1 0 6 k b i t s ，载 波频率f = - 1 3 5 6 m h z ，读卡器到i c 卡的信号带宽约为b = 3 3 3 3 3 3 3 k h z ，故读卡 器天线的品质因数q = 1 3 5 6 m i i z 3 3 3 3 3 3 k h z = 3 5 。天线的传输带宽与品质因数成 武汉理工大学硕士学位论文 反比关系。因此，过高的品质因数会导致带宽缩小，从而使读卡器的调制边带 减弱，导致读卡器无法与卡通信。 根据m f r c 5 0 0 手册，整个天线电路由e m c 滤波电路、接收电路和天线线 圈电路3 部分组成引。电路图如图3 3 所示。 e m c 滤波电路的作用是减弱由天线发射电路产生的高次谐波对接收系统 的影响，这是由于m f r c 5 0 0 系统工作于1 3 5 6 m h z 频率下，此频率由石英晶体 振荡器产生，用于驱动m f r c 5 0 0 并且提供给天线1 3 5 6 m h z 的载波。但是石英 晶体振荡器还会产生除了所需频率以外的高次谐波。由国际的e m c ( 电磁兼容) 规则可知，必须有一个合适的滤波器过滤输出信号，来抑制1 3 。5 6 m h z 中的三 次、五次和高次谐波。低通滤波器由l 0 ( l 0 1 和l 0 2 ) 和c 0 ( c 0 1 和c 0 2 ) 组成 接入t x l 、t x 2 和t v s s 三个引脚，它们的取值由表3 1 给出【l s j 。 接收电路由r 1 、r 2 、c 3 、c 4 组成。取值由表3 1 给出【1 8 l 。本设计使用芯 片产生的v m i d 信号作为接收引脚r x 的偏置，r 2 、c 4 的作用是使r x 管脚上 的直流电平与v m i d 保持一致；r 1 则用于调整接收脚r x 上交流信号的幅度。 图3 4 中虚线右方所示即为需要设计的天线电路，包扩天线线圈和相关的 谐振元器件。其中，r e x t 和r e x t l 用于调节天线的品质因素，谐振电容c l a 、 c l b 、c 2 a 、c 2 b 的用来调整天线的中心频率f 及对外输出阻抗z 。可见外接电 阻r e x t 、r e x t l 和谐振电容c 参数的确定是天线线圈电路设计中必不可少的部 分。根据p h i l i p s 公司的天线设计资料，天线的调谐分为2 个步骤【l 叫：( 1 ) 天线的 谐振频率f 和输出阻抗z 要求调整到期望值1 3 5 6m h z 和5 0 0q ；( 2 ) 对天线进 行调节，找到最大的读卡距离。具体方法是将天线接入电路中，然后在系统工 作的情况下，不断调整c 2 ( c 2 a 和c 2 b ) 的值并测试卡的读写距离，直至找到 最大读卡距离，此时可找出c 2 的值。这样做的目的是为了使卡进入天线辐射 范围的时间足够长，以圆满地完成对卡的操作。 表3 1e m c 滤波器和接收电路元器件值 元件值备注 工0 2 2 # h 1 0 屏蔽的磁场，如t i ) k1 r o j c o 4 7 矿2 n p 0 材料 r l8 2 0 k q 5 r 22 7 x q 5 c 3 1 5 p f 士2 n p 0 材料 c 41 0 0 ，2 n p 0 材料 武汉理工大学硕士学位论文 鼍剧岬厂 丰c | 竖l c ；3陋 一p o u t 黛 ，、 髑牛，i 牛q a 一 一 毽熔、宁馓声l 冒l 千嘶磐；掣；恐、 3 2 2 射频电路设计 图3 - 3m f r c 5 0 0 天线电路图 射频电路是非接触式i c 卡读写器的核心电路部分，由射频芯片及相应的外 围电路组成。 本设计选用由飞利浦公司开发的非接触式通信用高集成度m f r c 5 0 0 作为i c 卡读写器的射频芯片。m f r c 5 0 0 完全集成了在1 3 5 6 m h z 下所有类型的被动非接 触式通信方式和协议。主要特性包括：内部的发送器部分不需要增加有源电路 就能够直接驱动近距离的天线，读写距离可达1 0 c m ；接收器部分提供一个用于 解调和解码电路，可用于i s 0 1 4 4 4 3 a 兼容的应答器信号；支持i s 0 1 4 4 4 3 a 所有 的层；方便的并行接口可直接连接到任何8 位微处理器，方便设计和改进。 m f r c 5 0 0 的主要管脚有：天线使用的管脚包括t x l 、t x 2 为天线驱动输出管 脚；r x 天线输入管脚；v m i d 天线电源。电源管脚包括模拟电源、数字电源和 发送电源管脚。m i f a r e 接口输入管脚m f i n ，m i f a r e 接口输出管教m f o u t 。并行 接口包括：8 位数据e l d 0 d 7 ，读选通管脚n d r ，写选通管脚n w r 。中断源输出 端e l i r q 。 使用m f r c 5 0 0 作为射频芯片的射频电路原理图如图3 4 所示。 武汉理工大学硕士学位论文 m r c 5 图3 - 4 射频芯片m f r c 5 0 0 p b 围电路图 3 2 3 电源电路设计 本系统 a t m e g a l 2 8 单片机使用5 v 供电，m f r c 5 0 0 也使用5 v 供电。首先由 电源接口输入1 2 v 的直流电源，二极管d 1 防止电源反接，经c l 滤波，然后通过 7 8 l 0 5 将电源稳压至5 v 。其特点为输出电流大，输出电压精度高，稳定性好。每 个电源的输出端都通过接一个电容器来改善瞬态响应和稳定性。设计中采用多 个电容并联用来作为输出电压的高频滤波。电路图如图3 5 示。 3 2 4 系统时钟电路设计 图3 5 系统电源电路图 由于本系统需要记录开箱时间和开箱具体信息，所以需外接一个时钟芯片， 防止单片机掉电时时间丢失。本设计使用串行实时时钟芯片p c f 8 5 8 3 。该芯片 可提供秒、分、时、日、星期、月份以及年，可采用1 2 h 或2 4 h 两种计时方式。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 a t m e g a l 2 8 可以通过1 2 c 总线串行数据线可以方便对其操作。芯片采用双电源 ( 主电源和备用电源) 供电。p c f 8 5 8 3 与a t m e g a l 2 8 通过1 2 c 总线连接，连接电 路如图3 - 6 示。 3 2 5 显示电路设计 图3 - 6p c f 8 5 8 3 连接电路图 显示电路部分可以采用l c d l 6 0 2 液晶显示模块，具有体积小、功耗低、方 便使用等优点。它采用单+ 5 v 电源供电，外围电路配置简单，价格便宜，具有 很高的性价比。在系统中，显示部分主要用于显示开启交接箱时相关信息。电 路图如图3 7 示。 1 6 0 2 图3 7l c d 显示电路 1 5 武汉理工大学硕士学位论文 3 2 6 声音提示电路设计 当工作人员所持i c 卡与交接箱内部的读卡器密码吻合时，则发出正确提示 音，当不吻合时，发出错误提示音。这样可以方便工作人员操作。本设计采用 单片机直接驱动蜂鸣器的方法。但是单片机的i o 口驱动能力有限，不能直接驱 动蜂鸣器发声，需要通过三极管来驱动蜂鸣器。电路图如图3 8 所示。 图3 8 声音提醒电路 门禁监控系统与箱体的电控锁通过继电器连接，当密码正确时，m c u 发出 信号，使继电器导通，带动电控锁动作，开启箱门。 3 3 温湿度控制系统设计 温湿度控制系统电路由温湿度信号采集电路、信号调理电路、主控电路、 半导体制冷电路组成。通过温度传感器和湿度传感器将温度箱体内温度信号和 湿度信号采集后经过调理电路再送入到a t m e g a l 2 8 单片机中，转化后的数据通 过程序处理，决定是否需要启动半导体制冷电路。 本设计采用半导体制冷片型号为t e c i 1 2 7 0 5 ，具体参数：最大电压1 5 v ， 最大电流5 a ，最大制冷量5 0 w 。考虑到交接箱体的空间较大，所以采用1 0 片 联装的方法使用。制冷功率可达4 0 0 w 左右。在半导体制冷供电系统中由于所 需直流电压、直流电流较大，普通线性电源难以达到要求，所以采用开关电源 供电。系统框图如图3 - 9 所示。 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 爿贼喾集| 爿信号调理电路净- - - - - - - - - n 湿度信号采集 卜 硼阿 电路 旷 交接箱 a t m e g a1 2 8 1 半导体制冷电路 图3 - 9 温湿度控制系统结构框图 3 3 1 温湿度信号采集电路设计 工业上测温传感器中铂热电阻的测量精确度很高，而且铂的物理和化学性 能在高温和氧化性介质中很稳定。铂电阻的输出输入特性接近线性，所以它能 做工业测温元件和作为温度标斛2 4 】1 2 5 【2 6 】【2 7 1 。 本系统选用p t l 0 0 铂丝热电阻传感器作为整个系统的温度传感器，它是利用铂 丝的电阻值随着温度的变化而变化这一基本原理设计和制作的。可以工作在2 0 0 至6 5 0 ( 2 的范围。属于正电阻系数，其电阻和温度变化呈函数关系【2 8 】： ( 1 ) - 2 0 0 c t 0 * c 时， r e , l = 1 0 0 ll + a t + b t 2 + c t 3 ( f 一1 0 0 ) i ( 2 ) 0 。c t 8 5 0 时， 尺r 。=