基于arm的门禁系统优化设计研究

基于ARM的门禁系统优化设计研究摘要为了满足信息时代用户对建筑内部安全性的需求，智能门禁系统应运而生。新一代的门禁系统以智能卡来控制门锁的开启，集成了电脑技术、电子技术、机械技术、和ARM技术于一体，使卡与锁之间实现完整“对话”功能，开创了门禁管理的新概念，它不仅给使用者带来了极大的方便，而且也给管理者提供了更安全、更快捷、更自动化的管理模式。为此，本文对一种基于ARM技术的门禁系统进行了优化设计研究。首先对基于ARM技术的门禁系统进行总体规划，设计了射频IC读卡器的电路原理图，通过软件生成PCB板。读卡器主要由RS485通信接口、射频天线、读卡模块及单片机控制系统组成，能读写PHILIPS公司的MIFARE非接触式智能射频卡，读卡距离相对较远。当读卡范围内没有卡片时，系统显示时钟，当读卡范围内出现卡片时则系统读取卡内数据并将卡号信息显示在液晶显示器上，同时做出反应。结合本设计采用了线圈天线，深入研究ARM天线的接收电路、EMC过滤器以及天线匹配电路等构成，并从调谐频率和品质因素Q两方面设计读写器天线，设计优化了天线耦合电路。其次针对设备组网应用要求，门禁终端通信在结合门禁读卡器研究了RS485的网络拓扑结构的基础上采用RS485总线，通过PC机与RS485接口组成通信网络系统。在普通情况下读卡器独立工作，PC机则会每隔一定时间访问读卡器，读卡器上的时钟统一用PC机上的时钟校准，并读取存储器内的读卡数据，从而实现数据的及时处理。第三，设计单片机的包看门狗、数据存储、液晶显示和实时时钟等在内的外围模块电路，为了节约了单片机的I/O接口从而采用串口设计如SPI、I2C等。同时结合门禁系统设计门禁控制电路，对相应设备进行选材。为了满足ARM门禁系统总体设计要求，对软件设计时采用模块化设计，通过对MFRC500芯片的特性及操作流程进行研究，完成了主程序的流程图和各个模块子程序，底层控制软件使用C51语言开发了读写器，最后进行程序调试，结果符合设计要求。关键词门禁系统、ARM、电子狗、MFRC500、串口通信ABSTRACTINORDERTOMEETUSERDEMANDFORCONSTRUCTIONOFINTERNALSECURITY,EMERGEASTHETIMESREQUIREINTELLIGENTENTRANCEGUARDSYSTEMACCESSCONTROLSYSTEMISANEWGENERATIONOFCONTROLDOORTOSMARTCARDOPEN,INTEGRATEDCOMPUTERTECHNOLOGY,ELECTRONICTECHNOLOGY,MECHANICALTECHNOLOGY,ANDARMTECHNOLOGYONTHEWHOLE,THECARDANDTHELOCKBETWEENTHE“DIALOGUE“TOACHIEVEACOMPLETEFUNCTION,CREATINGANEWCONCEPTOFACCESSCONTROLMANAGEMENT,ITWILLNOTONLYGIVEUSERSAGREATCONVENIENCE,BUTALSOTOTHEMANAGERSTOPROVIDEASAFER,FASTER,MOREAUTOMATEDMANAGEMENTPATTERNTHEREFORE,INTHISPAPERAKINDOFACCESSCONTROLSYSTEMBASEDONARMTECHNOLOGYWERESTUDIEDTOOPTIMIZETHEDESIGNTHEGENERALPLANNINGOFACCESSCONTROLSYSTEMBASEDONARMTECHNOLOGY,DESIGNTHERFICCARDREADERREADCIRCUITDIAGRAM,GENERATEDBYSOFTWAREPCBPLATETHECARDREADERISMAINLYCOMPOSEDOFARS485COMMUNICATIONINTERFACE,THEANTENNA,RFCARDREADERMODULEANDSINGLECHIPMICROCOMPUTERCONTROLSYSTEM,CANREADANDWRITEPHILIPSCOMPANYMIFARECONTACTLESSSMARTCARD,THECARDISRELATIVELYFARAWAYFROMTHEWHENTHECARDISNOTCARDRANGE,THESYSTEMCLOCK,WHENTHECARDINCARD,THESYSTEMREADSTHECARDDATAWILLBEDISPLAYEDINTHELCD,ATTHESAMETIMERESPONSECOMBINEDWITHTHEDESIGNOFTHECOILANTENNA,INDEPTHSTUDYOFARMANTENNARECEIVINGCIRCUIT,EMCFILTERANDANTENNAMATCHINGCIRCUITSTRUCTURE,ANDTWOASPECTSOFREADERANTENNAFROMTHEFREQUENCYANDQUALITYFACTORQTUNING,OPTIMIZATIONDESIGNOFTHEANTENNACOUPLINGCIRCUITAIMINGATTHEAPPLICATIONOFNETWORKINGEQUIPMENTREQUIREMENTS,ACCESSTERMINALCOMMUNICATIONREADONTHENETWORKTOPOLOGYBASEDONRS485BYUSINGRS485BUSCARDINCONJUNCTIONWITHACCESSCONTROL,CONSTITUTINGTHECOMMUNICATIONNETWORKTHROUGHTHEPCANDRS485INTERFACEREADERWORKINDEPENDENTLYUNDERORDINARYCIRCUMSTANCES,PCWILLBEATACERTAINTIMEACCESSCARDREADER,CARDCLOCKBYCLOCKCALIBRATIONDEVICEONTHEPCMACHINE,ANDTOREADTHEMEMORYCARDDATA,INORDERTOACHIEVETHETIMELYPROCESSINGOFDATATHIRD,SINGLEPACKETWATCHDOG,DATASTORAGE,LIQUIDCRYSTALDISPLAYANDREALTIMECLOCKANDOTHERPERIPHERALCIRCUITMODULE,I/OINTERFACE,INORDERTOSAVETHEMICROCONTROLLERANDTHESERIALDESIGNSUCHASSPI,I2CETCATTHESAMETIME,THEACCESSCONTROLCIRCUIT,CARRIESONTHESELECTIONOFTHECORRESPONDINGEQUIPMENTINORDERTOMEETTHEREQUIREMENTSOFTHEOVERALLDESIGNOFTHEARMCONTROLSYSTEM,THESOFTWAREDESIGNUSESTHEMODULARDESIGN,THROUGHRESEARCHONTHECHARACTERISTICSANDOPERATIONPROCESSOFMFRC500CHIP,THEFLOWCHARTOFMAINPROGRAMANDEACHMODULESUBPROGRAM,THEUSEOFC51LANGUAGETODEVELOPTHEREADERTHEUNDERLYINGSOFTWARECONTROL,FINALLYTHEDEBUGGINGPROCESS,THERESULTSMEETTHEDESIGNREQUIREMENTSKEYWODSACCESSCONTROLSYSTEM,ARMELECTRONICDOG,MF,RC500,SERIALCOMMUNICATION目录摘要IABSTRACTII第1章绪论111课题背景及意义112国内外研究发展现状213本文主要研究内容3第2章门禁相关技术5第3章基于ARM的门禁系统硬件优化设计1631系统总体结构设计16311系统设计的基本要求16312系统方案1732系统硬件模块分析17321射频读写模块分析17322其他部分硬件分析18323射频读写模块设计1933天线优化设计20331EMC电路20332接收电路20333直接匹配天线的天线匹配电路2134RS485通讯模块25341RS485接口26342RS485网络拓扑结构2735外围接口电路29351看门狗电路29352液晶模块3136数据存储的硬件设计35361数据存储器的接口36362I2C总线协议3637实时时钟的硬件设计37371实时时钟的接口37372时钟数据传输的控制38373时钟数据传送方式3838非接触式IC卡的选择3939门禁控制电路40第4章基于ARM的门禁系统软件优化设计4241系统软件分析与设计42411软件设计方法与设计语言选择42412系统总体程序流程设计4242系统软件模块化设计42421射频控制模块43422看门狗模块4643存储模块优化设计5444防碰撞技术56总结与展望58参考文献60第1章绪论11课题背景及意义伴随着科技的不断进步，人们对现代化办公和生活场的安全需求提出了了更高的要求，传统的手工出入管理和门锁系统已经不符合现代生活和工作的的实际需求。为顺应智能楼宇、智能小区的发展和安防业的智能化、网络化，门禁系统也必须实现更加安全可靠和更方便的智能系统。现代门禁系统综合利用了传感技术、计算机技术、数字信息处理、多媒体技术和网络技术，从而实现了门禁系统信息的采集、传输和处理。目前智能门禁管理系统已广泛用于学校、工厂、物业小区、商店、金融系统、写字楼宇、电信系统、宾馆、军事系统等多种场合，大大提高了生产生活的整体工作效率、保障了生命财产的安全，现代化门禁系统的智能、安全和高效已经成为社会发展的必然趋势，同时它也是现代化建筑构造的一个重要组成部分。随着智能建筑的不断推广，门禁系统有了更广阔的发展空间，建立连网门禁系统也成为一种趋势。人们对门禁系统各方面要求的不断提高，对门禁系统的应用已不局限在单一的出入口控制，而是还要求它不仅可应用于单元功能的控制如智能大厦或智能社区的考勤管理、门禁控制、停车场控制、楼宇自控、安防报警电梯控制等，还可实现各个单元功能之间的联动控制等多种控制功能。本文基于ARM的门禁系统针对集成客户需求给出了可行方案，具有重要的意义2。12国内外研究发展现状门禁系统，这个曾几何时只有在高级场所才配备的高科技产品，现如今已经走入寻常百姓家了。随着人们生活水平和安全意识的提高，对门禁系统有了更高的要求，门禁系统也与时俱进，不断的应用新的技术以满足客户的需求，更加人性化，实现厂商、运营商、用户多方共赢。现有的门禁比较流行的有两种密码门禁和刷卡门禁。密码门禁即采用输入密码的方式来判断出入者的身份。由于它的安全系数相对较低，所以只适合于安全需求不高的场所。随着人们对安全需求的提高和技术的进步，刷卡门禁逐渐替代了密码门禁，从而成为目前应用最多的门禁。尽管以上两种门禁系统应用非常广泛，但也存在诸多的问题，如首先门禁保障了安全却护不住隐私。刷卡出入让业主们感受到了便利，但必须向服务中心人员提供个人信息，让人不由得担心自己的隐私被泄露。虽然按照法律规定，只有公安部门才有权保留，查看人口信息。但是普遍的现象是我们的电话经常会被不明来历的人骚扰，让人不免怀疑。其次，门禁卡收费混乱业主疑惑多。安装门禁系统保障小区安全，原本是件好事，但是，门禁卡收费问题却困扰着诸多业主。据目前，相当多的小区都存在门禁卡收费混乱问题。究竟门禁卡是否该收费，收多少费用合适，每个地方依据自身情况，解决办法也各不相同。再者，有售无后门禁系统如同虚设。门禁系统正常工作益处自不用说，一但门禁坏了，麻烦却也不少。在日常使用中，门禁产品的损坏是不可避免的，原因也往往多种多样，例如，产品寿命、自然灾害、操作不当或人为损坏等等。门禁的损坏不仅给人们的生活带来不便，还存在不少安全隐患，因此及时的维修显得非常重要。当前许多小区都才存在着门禁损坏后无人维修的情况，门禁系统如同虚设，闲杂人员随意进出。面对这样的问题，厂商、开发商、物业互相推诿，不但损害了业主们的利益，也对整个门禁行业的发展不利。用户是产品的最直接使用者，因此对于产品的口碑塑造有着举足经重的影响，虽然产品运维服务不直接和厂商挂钩，但是厂商应和开发商、物业做好协调，保证设备的正常运行，为品牌赢得口碑。13本文主要研究内容论文针对市场的实际需要和目前使用的系统普遍存在的问题，对一套基于ARM的门禁系统进行优化设计研究，论文在探讨了基于ARM技术的门禁系统的发展现状和技术基础上，对射频天线进行了优化设计，并设计开发系统的硬件系统和软件系统，给出制作ARMIC读卡器的电路原理图和PCB板，设计主程序流程图和模块子程序，并进行联机调试，完成实验样机的研制工作并进行了完整的系统测试。本文的结构安排第1章绪论。论述课题背景及其意义，探讨目前国内外研究现状和采用的技术；第2章ARM技术。主要论述ARM技术结构特点；第3章基于ARM的门禁系统硬件系统优化设计，主要论述各个硬件单元的模块化设计，并对其中的天线模块、射频读写模块、通讯模块、看门狗进行了优化设计；第4章基于ARM的门禁系统软件优化设计。给出了总体程序流程图和模块化设计，并作了子程序的编译；最后对论文进行了总结。客观的评价了本论文所作的工作和设计方案，对门禁系统的技术发展趋势做出展望。第2章门禁相关技术21RFID射频识别技术的介绍自动识别技术是一种自动收集数据的技术，用收集相关的人或者物的信息或数据，射频识别技术是众多自动识别技术中的一种。RFID技术最常见的应用就是通过一个识别号码（类似姓名）来惟一地识别一个物体、地点、动物或者人。这个号码存储在附属天线集成电路中，IC和天线一起被称为电子标签，电子标签附属于要识别的物体、地点或者人。射频识别（英文RADIOFREQUENCYIDENTIFICATION，缩写RFID）是一种无线通信技术，可以通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，而无需识别系统与特定目标之间建立机械或者光学接触。无线电的信号是通过调成无线电频率的电磁场，把数据从附着在物品上的标签上传出去，以自动辨识与追踪该物品。某些标签在识别时从识别器发出的电磁场就可以得到能量，并不需要电池；也有标签本身拥有电源，并可以主动发出无线电波（调成无线电频率的电磁场）。标签包含了电子存储的信息，数米之内都可以识别。与条形码不同的是射频标签不需要处在识别器视线之内，也可以嵌入被追踪物体之内。RFID系统一般是由电子标签和读写器组成，同时结合许多其他组件在现实生活中也出现过，例如计算机、软件系统、无线设备和网络。所有这些组件和电子标签以及读写器共同工作，组成了完整解决方案。典型的RFID系统由以下两部分组成1电子标签，即携带数据的发射器（如标签）。位于要设别的目标表面或者内部，一般由两个部件（如线圈或者微波天线）和一个电子芯片组成。根据使用的电源可以把标签分为主动标签、半被动标签和被动标签，还可以个根据其编码的数据进行进一步分为只读、读/写以及读/写/重写。大多数标签比一粒沙子还小（即宽度小于3MM），一般内部封有一个玻璃或塑料的模块。2）读写器，即读取电子标签的数据和写入数据到电子标签的收发器（或阅读器）。许多读写都额外的接口，可以把收到的数据传送给另一个系统，如个人计算机或者自动控制系统。RFID技术的最大优点就是减少了人工干预，可以在商业活动进行的过程中自动收集数据，且收集数据不需要贴别的动作。这种自动操作提高了数据质量，减少了数据采集的时间，具有实时地获取数据以及降低在低质量数据上的花销的特点。因为无需打开物品包装盒就可以扫描货品来收集数据，RFID还节约时间和降低成本的好处。此外，它还可以实时获取详细的目录信息和实时监测货物清单。RFID技术广泛应用于供应物流链管理、公共管理、人员管理、门禁控制、交通领域、生产领域中。22基于ARM平台的嵌入式门禁系统的介绍221ARM技术的介绍ARM（ADVANCEDRISCMACHINES）是微处理器行业的一家知名企业，设计了大量高性能、廉价、耗能低的RISC处理器、相关技术及软件。技术具有性能高、成本低和能耗省的特点。适用于多种领域，比如嵌入控制、消费/教育类多媒体、DSP和移动式应用等。ARM将其技术授权给世界上许多著名的半导体、软件和OEM厂商，每个厂商得到的都是一套独一无二的ARM相关技术及服务。利用这种合伙关系，ARM很快成为许多全球性RISC标准的缔造者。目前，总共有30家半导体公司与ARM签订了硬件技术使用许可协议，其中包括INTEL、IBM、LG半导体、NEC、SONY、菲利浦和国民半导体这样的大公司。至于软件系统的合伙人，则包括微软、升阳和MRI等一系列知名公司。ARM架构是面向低预算市场设计的第一款RISC微处理器。主要产品介绍如下ARM提供一系列内核、体系扩展、微处理器和系统芯片方案。由于所有产品均采用一个通用的软件体系，所以相同的软件可在所有产品中运行（理论上如此）。典型的产品如下。CPU内核ARM7小型、快速、低能耗、集成式RISC内核，用于移动通信。ARM7TDMITHUMB这是公司授权用户最多的一项产品，将ARM7指令集同THUMB扩展组合在一起，以减少内存容量和系统成本。同时，它还利用嵌入式ICE调试技术来简化系统设计，并用一个DSP增强扩展来改进性能。该产品的典型用途是数字蜂窝电话和硬盘驱动器。ARM9TDMI采用5阶段管道化ARM9内核，同时配备THUMB扩展、调试和HARVARD总线。在生产工艺相同的情况下，性能可达ARM7TDMI的两倍之多。常用于连网和顶置盒。体系扩展THUMB以16位系统的成本，提供32位RISC性能，特别注意的是它所需的内存容量非常小。嵌入式ICE调试由于集成了类似于ICE的CPU内核调试技术，所以原型设计和系统芯片的调试得到了极大的简化。微处理器ARM710系列，包括ARM710、ARM710T、ARM720T和ARM740T低价、低能耗、封装式常规系统微型处理器，配有高速缓存（CACHE）、内存管理、写缓冲和JTAG。广泛应用于手持式计算、数据通信和消费类多媒体。ARM940T、920T系列低价、低能耗、高性能系统微处理器，配有CACHE、内存管理和写缓冲。应用于高级引擎管理、保安系统、顶置盒、便携计算机和高档打印机。STRONGARM性能很高、同时满足常规应用需要的一种微处理器技术，与DEC联合研制，后来授权给INTEL。SA110处理器、SA1100PDA系统芯片和SA1500多媒体处理器芯片均采用了这一技术。ARM7500和ARM7500FE高度集成的单芯片RISC计算机，基于一个缓存式ARM732位内核，拥有内存和I/O控制器、3个DMA通道、片上视频控制器和调色板以及立体声端口ARM7500FE则增加了一个浮点运算单元以及对EDODRAM的支持。特别适合电视顶置盒和网络计算机（NC）。222嵌入式门禁系统概述嵌入式门禁系统是基于计算机、电子和信息技术，以产品和设备为目标，集硬件和软件于一体的专用系统。具有集成度高，实时响应速度快、维护和扩展方便以及升级换代快等特点，广泛应用于实时性强以及系统对功能、可靠性、功耗等技术指标严格要求的多任务体系。它一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统及用户的应用程序几个部分组成，用于实现对其他设别的控制、监控和或者管理等功能。随着嵌入式门禁系统的发展，对于功能不断增强、应用范围日益广阔的嵌入式硬件，植入与之匹配的嵌入式操作系统，并根据实际需要合理剪裁系统软、硬组件，既能充分发挥系统功能，有效提高系统利用率，又能节省存储空间，有利于操作系统的移植和效率的提高。由于嵌入式门禁系统是一种专用的计算机系统，所以嵌入式门禁系统的体系结构也和PC的体系结构类似，主要包括硬件、操作系统和应用程序三部分。如下图图21嵌入式体系结构图1）硬件嵌入式硬件系统的核心是嵌入式处理器。在PC中，CPU的体系结构几乎是X86系列的天下。但是在嵌入式处理器领域，目前市面市面上流行的有上百种体系结构和品牌的CPU。其中ARM、POWERPC、MIPS等应用最为广泛。在处理器方面，嵌入式门禁系统一般使用SDRAM作为内存，FLASH作为外村。显然，嵌入式存储器的性能和容量是远远比不上PC中的DDR内存和硬盘的。下面给出嵌入式门禁系统的硬件组成图图22嵌入式门禁系统硬件组成图2）操作系统和嵌入式处理器类似，嵌入式操作系统的类型也比PC要丰富很多。嵌入式操作系统用来管理中断处理、任务间通信、存储器分配和定时器的相应的软件模块集合，对其要求通常有实时的作用，因此，嵌入式操作系统往往又是实时操作系统。嵌入式操作系统中的美国河风公司的VXWORKS、微软的WINDOWSCE都有功能强大，优越的性能，但是都是商业软件。而免费开源的LINUX嵌入式操作系统，在功能上和性能上并不逊色于以上的商业软件，因此在嵌入式领域有着强大的生命力和发展前景。3）应用程序应用程序是执行系统功能主要的软件，是针对特定的实际专业领域的，基于相应的嵌入式硬件平台，同时需要完成用户指定的预期任务的计算机软件。它可以由一个任务来完成也可以由多个任务共同完成。嵌入式软件的特点如下1）系统软件的高实时性是其基本的要求2）多任务的实时操作系统成为嵌入式应用软件的必须条件3）要求对软件实现固态化存储，因为一般完成设计的软件程序都需要打包然后放在操作系统中，需要时就运行应用程序，一般不允许对其软件程序进行修改。4）对代码的要求高质量、高可靠性。第3章基于ARM的门禁系统硬件系统优化31系统总体结构设计311系统设计的基本要求作为一项先进的高科技技术防范手段，门禁系统在一些经济发达的国家就已经应用于工业、科研、博物馆、商场、酒馆、医疗监护、监狱、银行等，由于系统本身具有及时性、隐蔽性等特点，在许多领域的应用越来越广泛。门禁系统既要处于技术的尖端，具有智能性、高可靠性、实时性，又要能符合实际需要。本设计为面向实验室管理的小型门禁系统。1系统的实用性门禁系统的内容应符合实际要求，不能华而不实。如果片面追求系统的超前性，势必造成投资过大，离实际需求偏离太远。2系统的实时性如果门禁系统中任何一个关键系统出现错误或停机将直接影响到整个系统的运作情况，因此，门禁系统各子系统应尽可能属于NONSTOP（不停机）系统，以保证工作正常运行。3系统的完整性一个完整的门禁系统是建筑整体形象的重要标志。功能完善，设备齐全，管理方便是设计应考虑的一个因素。4系统的安全性门禁系统中的所有设备及配件在性能安全可靠运转的同时，还应符合中国或国际有关的安全标准，并可在非理想环境下有效工作。另外，系统安全性还应体现在信息传输及使用过程中不易被劫取等方面。5系统的可扩展性门禁系统的技术不断向前发展，用户需求也在发生变化，因此门禁系统的设计与实施应考虑到将来可扩展的实际需要，即可灵活增减或更新各子系统，满足不同时期的需求，保持长时间领先地位，成为智能建筑的典范。6系统的易维护性门禁系统在运行过程中的维护应尽量做到简单易行。系统的运转真正做到开电即可工作的程度。而且维护过程中无需使用过多专用的维护工具。门禁系统在设计时结合目前国内外的实际应用水平，使系统建成后能立即得到充分的利用，采用合理的投资而得到最佳的效果。主要体现在三方面（1）在满足功能性和可靠性的前提下，初期的总投资要尽可能少。（2）系统运行后的管理和维护费用少。（3）系统在未来进行更改或搬迁以及改造升级时需要少量资金便可达成。312系统方案基于MFRC500ARM门禁系统是以ARM读写器为核心，系统的总体结构见图31，再增加门锁继电器以及其他一些辅助器件而组成的系统8。系统的工作原理是先由微处理器AT89C52控制ARM读写器读取非接触式IC卡的信号，接着，AT89C52根据所得数据输出四个开关量信号（门阀继电器有两个，分别控制进出），经放大后分别用于控制门锁继电器和读取门磁信号，并且整个系统与上位PC机之间进行通讯，获得指令以及传输系统状态等，最后，对系统的辅助设备，如液晶屏、E2PROM等进行操作。4位开关量输入处理器AT89C524位开关量输出E2PROMMFRC500天线液晶屏RS485总线接口看门狗时钟PC机进/出门磁信号两路按钮信号锁触点锁驱动通讯灯工作灯图31系统的总体结构图32系统硬件模块分析321射频读写模块分析从总体结构图31中可以看出系统的设计是基于MFRC500的射频读写模块。鉴于MFRC500的高集成度和其独有的特性，所以，在设计时要严格遵守MFRC500的特性69。（1）工作电压要稳定在其适应的范围之内见图32。图32MFRC500电压特性（2）电流消耗比一般情况下要大（见图33）。图33MFRC500的电流消耗（3）在设计软件时，为了不致系统死机和损坏芯片，必须严格遵循芯片特有的工作时序，同时要注意它的复位操作（见图34）。图34MFRC500的复位特性322其他部分硬件分析鉴于整个系统用到的原件比较多且比较复杂，为了满足商业的需要和使用的方便要遵循以下原则即系统的稳定性和正确性，元器件的小巧性和低成本。（1）因为系统运行时一个整体，任何一个子系统出现错误或停机将直接影响到整个系统的运行情况，因此为了保证工作正常运行，理论上门禁系统各个子系统应尽可能的属于正常运行系统。但是实际运行过程中，系统不可避免的会出现这样那样的意外，这些意外可能造成整个系统的“死机”，所以，以防万一，系统中设置了看门狗电路。（2）在电源与读写器的模块接口处要使用电感来稳定电源，以保证系统的电源模块必须工作稳定，从而符合根据射频芯片的特性。系统的模拟地和数字地必须分开以隔绝各个系统。323射频读写模块设计系统主要由MCU、时钟芯片、MFRC500、液晶屏、看门狗以及RS485通信模块组成。系统的工作方式是先由MCU控制MFRC500驱动天线MIFARE卡，进行读写操作，然后，根据所得的数据对其它接口器件，如液晶屏、E2PROM、时钟芯片等，进行响应操作，最后，再与PC机之间进行通信，把数据传给上位机。MCU采用89C52，是因为89C52开发简单，运行稳定。E2PROM采用24C64，用于存储系统的数据。24C64是串口操作方式，是一种性价比较高的存储芯片。液晶屏采用带字库的ST7920，是因为它是并口操作方式的，操作方便。时钟芯片采用DS1302。DS1302是DALLAS公司生产的新型产品，内置电池，可连续使用10年，可以方便记录事件的发生时间。为了防止系统“死机”，使用X5045作为看门狗。X5045是串口工作方式，内置E2PROM，可用来存储一些系统参数。与上位机的通信采用RS485通信模式，通信距离可以达到1000M左右。整个系统由9V电源供电，再由稳压模块7805稳压成5V的电源。由于7805的工作热量很高，故在7805上安置一个散热片。图32MFRC500与89C52的接口电路MFRC500是应用于1356MHZ非接触式通信中高集成读卡IC系列中的一员。该读卡IC系列利用了先进的调制和解调概念，完全集成了在1356MHZ下所有类型的被动非接触式通信方式和协议。MFRC500支持IS014443A所有的层。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操作距离的天线100MM。接收器部分提供一个坚固而有效的解调和解码电路，用于ISO14443A兼容的应答器信号。数字部分处理ISO14443A帧和错误检测奇偶I天线导体长度D天线导体宽度必须介于0515MM之间N天线导体圈数三圈。3天线耦合电路图见图36。图中电容C23、C24、C26、C27C2的值是由天线的电感值决定的，并且需要根据天线的形状进行调整。C2电容值的大小严重影响读卡器的性能，也就是影响读卡器的读写距离。不同类型的卡和不同的使用环境都将影响读卡器的性能表现，使读卡器具有最好的性能表现。MFRC500有一个引脚，当读写器发出某一指令时，可以通过使用示波器观察该引脚的输出信号，不断改变卡与读写器之间的距离和C2值，示波器将输出不同的波形，根据不同的波形即可确定读卡器最好性能时候的C2值。在本设计的非接触式IC卡读卡器中，C2值见表37表37C2电容值表电容值PFC23150C2418C26150C272234RS485通讯模块341RS485接口RS485定义了一种平衡通讯接口，它允许在一条平衡线上同时接多个接收器。它的数据信号采用差分传输方式，也称作平衡传输。它使用一对双绞线，将其中一条线定义为A，另一条定义为B13。通常情况下，发送器A,B之间的电压在62V表示逻辑0；在26V表示逻辑1，另外有一个信号地C。在RS485中还有一个使能端ENABLE；它用于控制发送器与传送线A,B断开与连接。当ENABLE为0时，发送器处于高阻状态并与平衡双绞线A,B断开；只有当ENABLE为1时，RS485的发送器才工作。接收器通过平衡双绞线将A与B分别对应连接，当接收器A,B之间的电压在200MV6V之间时，输出逻辑1；在6V200MV时，输出逻辑0。RS485可以实现点对多通信和多对多通信，并可同时接32个发送器和32个接收器。RS485需要两个终接电阻接在传送总线的两端（在传送距离小于300米时可以不接），其阻值要求等于传送电缆的特性阻抗。本文中PC机与门禁系统之间采用RS485接口实现点对多通讯，工作于半双工方式15。读卡器在门禁系统中一般距离PC管理机比较远，而RS232只能用于短距离通信，长距离都用RS485串行通信芯片，数据传输距离一般达到1200M。RS485是RS422的子集，以差分平衡方式传输信号，具有很强的抗共模干扰的能力。SP485R芯片管脚及互连电路见图37。RS485收发器以半双工方式、单一5V电源工作，内部一个接收器R，一个驱动器D。SP485R接口芯片是SIPEX公司的一种RS485产品，8个管脚DIP封装141516。（1）A,B为RS485总线接口。A为非反相接收输入或非反相驱动输出，B为反相接收输入或反相驱动输出。A端电平高于B端，代表数据1；A端电平低于B端，代表数据0。（2）DI为发送器输入端，RO为接收器输出端。分别与单片机的TXD,RXD连接，单片机输出的信号从TXD发送，由DI输入经过SP485R驱动器转变成A,B信号传送出去；外部输送进来的A,B信号经过SP485R接收器转变成一个RO信号，输出给单片机RXD。（3）RE,DE为收发使能端。RE是接收器输出使能，低电平有效；DE是驱动器输出使能，高电平有效，SP485R与单片机接口时，DI接单片机的发送端TXD,RO接单片机的接收端RXD,收发使能RE和DE两个管脚接单片机的一个I/O口线P33。当P331,DE满足要求，SP485R处于发送状态，当P330,RE满足要求，SP485R处于接收状态。单片机通过控制P33实现与PC机数据交换的串行通信。87654321854123DRDRRD67GNDABBARRROTXVCCABGNDVCCDIDEREROROREDEDI图37SP485R管脚及互连电路RS485总线型网络系统连接。数据传输采用主从站的方式，主机为PC机，从机为读卡器单片机。每个从机拥有自己的固定的地址，由主机控制完成网上的每一次通信。R为平衡电阻，通常取为120欧。开始所有从机处于监听状态，等待PC机的呼叫。当PC机向网上发某一从机的地址时，所有从机接收到该地址并与自己的地址相比较，如果相符说明PC机在呼叫自己，应发回应答信号，表示该从机已准备好，可以接收后面的命令和数据。不是呼叫自己，则不予理睬，继续监听呼叫地址。PC机收到从机的应答后，则开始一次通信。通信完毕，从机继续处于监听状态，等待呼叫。由于PC机只有RS232通讯接口，因此必须经过RS232/RS485转换器转换信号，PC机才能同门禁系统通信。RS232/RS485转换器原理见图38。SP232PS2501PS2501SP485RTXDRXDAB图38RS232/RS485转换器原理图PC机的串口通讯接口经过SP232芯片变成TTL电平，然后使用SP485R将TTL电平变成RS485电平。在SP232和SP485之间采用了高速光电隔离器PS2501以提高抗干扰能力。SP485R是低功耗、半双工RS485收发器，它包含1个发送器和1个接收器。SP485R芯片与单片机的接口原理图见图39。在电路设计时，注意A和B端要接一个终端电阻，本系统接的是120欧姆。SP485R芯片有8个引脚，其中需要一个I/O口（本系统采用P34）来控制SP485R的发送数据。当该I/O口为1时，SP485R能发送数据，当为0时，SP485R处于监听状态，只能接收数据。SP485RPS2501PS2501PS2501AT89C52R0DI/RE、DEABRXDTXDP34接反向器图39SP485R芯片与单片机的接口原理图342RS485网络拓扑结构网络中一个或多个功能与传输线路互连的点称为节点。节点可以定义为网络中通向任何一个分支的端点，或通向两个或两个以上分支的公共点。RS485的网络拓扑一般只能采用终端匹配的总线型结构，它不支持环形或星形网络，并且在构建网络时，应注意如下几点从总线到每个节点的引出1线长度应尽量短，以便使引出线中的反射信号对总线信号的影响最低。因为信号在各支路末端反射后与原信号叠加，会造成信号质量下降，并且随着通信距离的延长或通信速率的提高，其不良影响会越来越严重。应注意总线特性阻2抗的连续性，在阻抗不连续点就会发生信号的反射。下列几种情况易产生这种不连续性总线的不同区段采用了不同电缆，或某一段总线上有过多收发器紧靠在一起安装，再者是过长的分支线引出到总线。总之，RS485网络应该提供一条单一、连续的信号通道作为总线。门禁控制上位机与读卡器的底层控制结构采用了基于RS485小型局域网的分布式结构。由于要进行远距离传输数据，所以线路应接终端电阻进行阻抗匹配，以抑制数据传输的终端反射，避免信号失真。结构见图310。门禁管理上位机RS232/RS485转换器读卡器读卡器读卡器读卡器RS485总线图310上位机与读卡器的底层控制结构图由于冲突检测和同步通信功能无法由软件实现，因而RS485总线通常采用二线制主从、异步通信方式。物理层采用带有屏蔽层的双绞线，通信方式为半双工方式，要经过RS232/RS485转换器才能实现RS232和RS485之间的通信规约以及相应的数据传输。RS485总线可以连接若干个节点，节点的个数，取决于所选用的RS485接口芯片的驱动器能驱动多少个标准的RS485负载。根据规定，标准RS485接口的输入阻抗为大于等于12千欧,相应的标准驱动节点数为32。为适应更多节点的通信场合，有些芯片的输入阻抗设计成1/2负载大于等于24千欧，1/4负载大于等于48千欧，甚至1/8负载大于等于96千欧，相应的节点数可增加到64、128和256。在RS485网络中，信号在传输线上传送，若遇到阻抗不连续的情况时，就会出现反射现象，从而影响信号的远距离传送。因此必须采用阻抗匹配的方法来消除反射。为了与电缆特性阻抗进行匹配，通常在总线的开始和末端都并接120欧电阻。此外，在系统安装过程中，传输线最好采用屏蔽线，而且应尽量做到信号传输线单独铺设，并且强信号线和弱信号线应尽量避免平行走向，尽量使二者正交，以使电磁耦合干扰减到最小。如果难以做到正交，也可以平行布线，但两者距离应足够大。35外围接口电路系统的E2PROM采用24C64，用于存储系统的数据。24C64是串口操作方式的，是一种性价比较高的存储芯片，它主要用来存储上位机发送的指令，以及暂时存储读卡信息。液晶屏采用带字库的ST7920，它是并口操作方式的，操作方便，它是用来显示读写卡的状况，并提示用户的下一步操作等信息。时钟芯片采用DS1302，这是DALLAS公司生产的新型产品，内置电池，可连续使用10年，它可以方便记录事件的发生时间。为了防止系统“死机”，使用X5045作为看门狗，X5045是串口工作方式的，内置E2PROM，可以用来存储一些系统参数。351看门狗电路X25045是带有串行E2PROM的CPU监控器。现在型号改为X5045，性能相同。图311是它的引脚图X5045VCCRESETSCKSIVSSSOWPCS/WDI图311X25045引脚图CS/WDI片选输入/看门狗复位输入；SO串行输出；WP写保护输入；VSS地；VCC电源；RESET复位输出；SCK同步时钟输入；SI串行输入。X25045的状态寄存器描述器件的当前状态，各位意义如表38所列。表38寄存器位意义7654321000WD1WD0BL1BL0WELWIP其中，WD1、WD0是看门狗定时时间设置位；BL1、BL0是存储单元写保护区设置位；WEL是只读标志，1表明写使能开关打开；WIP也是只读标志，1代表芯片内部正处于写周期。电复位时，各位都被清零。X25045芯片功能包括以下4种（1）上电复位控制。在对X5045通电时，ERSET引脚输出有效的复位信号，并保持至少200MS，使CPU有效复位。（2）电源电压监控。当检测到电源电压低于内部门槛电压VTRIP时，RESET输出复位信号，直至电源电压高于VTRIP并保持至少200MS，复位信号才被撤消。VTRIP的出厂值根据芯片型号不同共有5个级别的电压范围。对于需要电源电压精确监控的应用，用户可以搭建编程电路，对芯片内VTRIP电压进行微调。（3）看门狗定时器。芯片内部状态寄存器的WD1、WD0是看门狗定时设置位，通过状态寄存器写指令WRSR修改这2个标志位，就能在3种定时间隔中进行选择或关闭定时器。对看门狗的复位由CS输入电平的下降沿完成。表39是WD1、WD0组合的含义。（4）串行E2PROM。芯片内含512字节存储单元，10万次可靠写，数据保持时间100年。XICOR设计了3种保护方式防止误写。包括WP写保护引脚，当引脚被拉低时，内部存储单元状态寄存器都禁止写入；存储区域写保护模式，通过对状态寄存器的BL1、BL0位的设置，可以选择对不同的存储区域进行写保护；在进行任何写操作前都必须打开写使能开关，而且在上电初始化写操作完成时，写使能开关自动关闭。显然，在几方面的保护之下，产生误写的可能性极小，表310是BL1、BL0组合的含义。表39WD1、WD0组合的含义表310BL1、BL0组合的含义WD1WD0看门狗定时值BL1BL0写保护的单元地址0014S00没有保护01600MS01180H1FFH10200MS10100H1FFH11禁止看门狗工作11000H1FFH对X5045的操作是通过4根口线CS、SCK、SI和SO进行同步串行通信来完成的。SCK是外部输入的同步时钟信号。在对芯片定改指令或数据时，时钟前沿将SI引脚信号输入；在读取数据时，时钟后沿将数据位输出到SO引脚上。数据的输入/输出都是高位在先。芯片内部共有6条指令，如表311所列。（1）WREN和WRDI是写使能开关的开/关指令。它们都是单字节指令。（2）RDSR和WRSR是状态寄存器的读/写指令。在从SI输入指令后，RDSR的执行结果，即状态寄存器内容须从SO读出；而WRSR需要紧接着输入修改数据。（3）READ和WEITE是存储单元的读/写指令。输入指令后（指令码第三代表存储单元地址的最高位），接着输入低八位地址，最后就可以连续读出或写入数据。其中，读指针和写指针的工作方式完全不同，读指针的全部8位用来计数，0FFH溢出后变成00H；写指针只用最低两位计数，XXXXXX11B溢出后变成XXXXXX00B，所以连续写的实际结果是在4个单元中反复写入。另外，由于E2PROM的写入时间长，所以在连续两条写指令之间应读取WIP状态，只有内部写周期结束时才可输入下一条写指令。表311芯片内部共有6条指令命令名称命令格式内容WREN00000110打开写使能开关WRDI00000100关闭写使能开关RDSR00000101读状态寄存器WRSR00000001写状态寄存器READ0000A8011读存储单元WRITE0000A8010写存储单元AT89C52内部没有SPI硬件接口，因此本系统利用了单片机的4根引脚和软件模拟读写时序的方式与X5045通信。相应程序在附录中给出。352液晶模块3521WGM12832结构特点及操作（1）点阵式液晶显示器WGM1283250WGM12832是内置ST7920控制器的12832点阵式液晶显示器，通过对ST7920控制器的编程可以实现液晶显示器的各种应用。WGM12832具有如下特点可以显示数字、字母、特殊字符、图形、曲线和汉字；1显示内容为128（列）32（行）点，全屏幕点阵，可显示2行汉字，每2行8个字；IC内带8139个1616点阵中文字库，126个168字母符号，并提供34个1616点阵的自定义字功能；与CPU接口采用串行控制方式；4功耗低，最大工作功耗15MW。WGM12832模块主要硬件结构框图见5图312。LCDCONTROLLERLSIST7920ST792112832DOTSVSSVDDRSCSR/WSIDLEDB/LLEDKLEDA/RSTESCLK32COM64SEGCONTROLSIGNAL图312WGM12832模块主要硬件结构框图WGM12832共有7个外接引脚，其采用串口发送指令和数据，优点在于满足显示目的的同时，占用很少的CPU引脚资源。因此，在很多低端CPU的引脚较少时，也能驱动WGM12832液晶，满足了不同微系统的需求。（2）WGM12832控制指令WGM12832共有2个指令集基本指令集和扩充指令集。基本指令集包括了对液晶WGM12832的基本操作，如判断控制器是否为忙、清除显示、设定显示的地址、写数据和读数据等。而扩充指令集则在基本指令集的基础上最大限度地满足了现实的显示需要。比如能够设置睡眠模式，满足低功耗的需求；可以设置图形显示，更进一步使显示变得多样化，提供更人性化的交互方式。单片机对WGM12832的操作原理为单片机先确认ST7920内部处于非“忙”状态。即读取BF位，当BF为0时，ST7920才可接收新的指令。如果在送指令前不检查BF位，那么在前一条指令和这条指令中间必须延迟一段较长的时间，确保前一条指令执行完。在操作时，ST7920在单片机的时钟信号的控制下，通过数据线传送给ST7920，当ST7920成功接收到数据后，转入内部时钟控制，封锁I/O口缓冲器，置“忙”标志。ST7920根据接收数据中的RW和RS位判断所接收到的是数据、指令、还是所要显示的内容，并进行相应的处理。处理完成后，撤消I/O口缓冲器的封锁，“忙”标志清零。在写入数据到RAM中时，每个RAM的位址都可以连续写入2个位元的资料（2B），当写人第二个字节时，位址计数器（AC）的值就会自动加1，即在连续写入内容时，只需要设定开始的位址，并连续写入数据就能达到目的。因为ST7920是能控制12864点阵的驱动芯片，WGM12832只用了ST7920资源的1/2。在使用上需要注意，DDRAM位址中的88H8