[硕士论文精品]二代证门禁控制器的设计与实现

摘要摘要门禁监控系统作为智能化家居和智能楼宇的重要组成部分，越来越受到人们的重视。但目前门禁系统市场比较混乱，还没有统一的标准，而随着应用领域的不断扩展，特点鲜明，经济实用的门禁监控系统将具有广阔的发展前景。本文分析了传统嵌入式门禁系统的优缺点和当前热门的ZIGBEE短距无线通信技术的特点。结合当前第二代居民身份证迅速普及的现状，设计了一个将嵌入式系统、二代证读卡器、ZIGBEE无线通信技术三者有机结合起来的门禁管理系统。本文最终实现了一个使用二代证读卡器的门禁控制器平台。本论文主要工作有1对嵌入式门禁系统的组成及其平台进行了分析，介绍了门禁控制器的软硬件选型、整体硬件设计和开发调试环境。2详细介绍了与门禁控制器相关的硬件原理图设计，包括电源、微处理器、读卡器和ZIGBEE接口。并完成硬件测试。3叙述了嵌入式门禁控制系统平台的实现过程，包括UBOOT的移植流程、LINUX内核的移植过程、LINUX下设备驱动的开发过程，其中特别研究了二代身份证读卡器的驱动设计。4接着重点阐述了ZIGBEE技术在门禁系统中的应用。研究了整个ZIGBEE网络的建立过程、寻址和路由过程，并着重介绍了上层应用软件通过ZIGBEE通信的分组的组帧设计和相应的实验结果，最后介绍了ZIGBEE设备的电源管理的实现。经测试，系统平台的各功能都达到了设计要求，具有安全性高、实时性强、安装方便等优点。关键词门禁系统嵌入式ZIGBEE读卡器ABSTRACTABSTRACTASALLIMPORTANTPARTOFSMARTHOMEANDINTELLIGENTBUILDING，ACCESSCONTROLSYSTEMHASBEENPAIDMOREATTENTIONBUTTHEMARKETOFACCESSCONTROLSYSTEMISDISORDERED，ANDLACKSOFUNIFIEDSTANDARDTHEREFORE，WITHTHECONTINUOUSEXPANSIONOFAPPLICATIONS，THEECONOMICALANDPRACTICALACCESSCONTROLSYSTEMS、析MBRILLIANTFEATUREWILLHAVEANENCOURAGINGPROSPECTFORDEVELOPMENTTHESTRONGPOINTANDWEAKPOINTOFTRADITIONALEMBEDDEDACCESSCONTROLSYSTEMANDTHECHARACTERISTICSOFZIGBEESHORTRANGEWIRELESSCOMMUNICATIONSAREANALYZEDBASEDONTHECURRENTSITUATIONOFTHEWIDESPREADUSEOFTHESECONDGENERATIONIDCARDS，ANACCESSCONTROLSYSTEMWITHTHEORGANICINTEGRATIONOFTHEEMBEDDEDSYSTEM，SECONDGENERATIONIDCARDREADERANDZIGBEETECHNOLOGYISDESIGNEDINTHISDISSERTATIONANACCESSCONTROLLERBASEDONSECONDGENERATIONIDCARDREADERISREALIZEDWHATWEMAINLYDOINTHISTHESISINCLUDES1THECOMPONENTSANDTHEPLATFORMOFTHEEMBEDDEDACCESSCONTROLSYSTEMAREANALYZEDTHEHARDWARE，THESOFTWAREANDTHEDEVELOPMENTENVIRONMENTOFTHEACCESSCONTROLLERISINTRODUCED2SCHEMATICDESIGNOFACCESSCONTROLLERHARDWAREINCLUDINGTHEPOWERSUPPLY,MICROPROCESSOR,IDCARDREADERANDZIGBEEINTERFACEISPRESENTEDINDETAIL3THEPLATFORMREALIZATIONOFTHEEMBEDDEDACCESSCONTROLLERSYSTEMABOUTTHEMIGRATIONPROCESSOFUBOOTANDLINUXKERNEL，THEDEVELOPMENTPROCESSOFLINUXDEVICEDRIVERSISPRESENTEDTHEDRIVERDESIGNOFSECONDGENERATIONIDCARDREADERISSTUDIEDINDETAIL4THEPRESENTATIONOFTHEAPPLICATIONOFZIGBEETECHNOLOGYINACCESSCONTROLSYSTEMISEMPHASIZEDTHEPROCESSOFESTABLISHINGZIGBEENETWORKANDTHEPROCESSOFADDRESSINGANDROUTINGISSTUDIEDINDETAILTHEFRAMEDESIGNWHICHISUSEDINTHECOMMUNICATIONBETWEENAPPLICATIONLAYERANDZIGBEEMODULEISDESCRIBEDANDTESTEDFINALLY,THEIMPLEMENTATIONOFPOWERMANAGEMENTFORZIGBEEMODULESISPRESENTEDACCORDINGTOTHETEST，THEPERFORMANCEOFTHEWHOLESYSTEMMEETSTHEDESIGNREQUIREMENTSTHEACCESSCONTROLSYSTEMPOSSESSESADVANTAGESOFHIGHLEVELSECURITY,HARDREALTIMEPROPERTY，EASYINSTALLATIONANDSOONKEYWORDACCESSCONTROLLEREMBEDDEDZIGBEECARDREADER西安电子科技大学学位论文独创性或创新性声明秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，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取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技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做了明确的说明并表示了谢意。申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。本人签名舅几几日期兰竺里Z兰西安电子科技大学关于论文使用授权的说明本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。保密的论文在解密后遵守此规定本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。本人签名差尘里鱼导师签名日期型翌日期竺Z兰鱼第一章绪论第一章绪论11课题的背景和意义随着经济高速发展，城市面貌日新月异，高楼大厦拔地而起。传统的门锁已经不能满足现代安防的需要，人们对楼宇内安全隐患监控和自动化管理提出了更高的要求。在这种环境下，智能门禁系统得到了快速的发展，应用范围也越来越广泛。传统的智能门禁系统还有很多不足之处。首先，目前的门禁系统大多使用特制的接触式IC卡或非接触式IC卡作为识别卡，这样做有几个缺点1、使得通用性不强，用户不得不为不同的门禁系统配备不同的卡，不能做到“一卡通行”。2、由于识别卡制作的低门槛和非唯一性，使得伪造卡的风险随之加大。3、当用户增加，数量较多时还增加了购卡成本；其次，目前的门禁系统的通信大都依靠现场总线，即门禁控制器之间和管理机之间通过RS232、RS485、以太网线等进行通信。对于装修和综合布线已经完成，投入使用中的建筑物来说，安装门禁系统需根据楼内复杂情况独立布线，施工量大，安装时间长，影响了楼内人员的正常生活和工作。而且在大部分门禁系统应用中，传输的数据量既少且不频繁，使用高速高带宽的现场总线显得毫无必要。针对这些现状，本文提出了一种先进的门禁系统设计方案，它使用新的中华人民共和国第二代居民身份证作为识别卡，减少了制卡成本，用户也无需携带众多卡片。门禁子系统的工作由采用了ARM920T的32位嵌入式微处理器的门禁控制器来控制。采用了核心板扩展板的设计，核心板实现最小系统基本功能，扩展板扩展网络通信和各种外部接口，在原有门禁系统基础上可以提高后期功能扩展的灵活性。使用ZIGBEE模块组建成MESH网实现门禁节点与管理机之间的无线数据传输，使得门禁系统的安装更为灵活，适用面更为广泛。使用LINUX26作为嵌入式操作系统，提供给上层软件开发更为开放的构架。12门禁系统概述121门禁系统简介据国家建设部的要求，到2010年，全国大中型城市中60的住宅要实现智能化。而智能建筑在功能上包括通讯自动化CA、办公自动化OA和楼宇自动化BA，通过综合配置在建筑内的各个功能子系统，以综合布线系统为基础，以计算机网络为桥梁，全面实现对通讯系统，办公自动化系统和楼宇自动化系统的综合管理。门禁系统又称为门禁出入口保安自动化管理系统，正属于楼宇自动2二代证门禁控制器的设计与实现化系统BA的部分，具有对门户出入控制，保安防盗，报警等多种功能，它主要方便内部员工或住户出入，杜绝外来人员随意出入，既方便了内部管理，又增强了内部的保安【1】12】。而随着人们对门禁系统各方面要求的不断提高，门禁系统的应用已不局限在单一的出入口控制，还包括考勤管理、烟火报警、生命体感知、拆除报警、楼宇自控等方面，还能与其他联动控制设备等一起构成多种控制功能的系统。122门禁系统的组成门禁系统主要由控制器、读卡器、电控锁、门磁、开门开关、识别卡和通信管理器、管理主机和管理软件等组成【311。系统构成如图11所示图11门禁系统框图其中，控制器、读卡器、电控锁、门磁、开门开关、识别卡构成基本的门禁控制单元设备。控制器是门禁系统的核心，由一台微处理机和相应的外围电路组成。读卡器读到识别卡信息后，由控制器决定此张卡是否为本系统的有效卡，是否符合所限定时间段的开门权限，从而控制电控锁是否打开。门磁传感器则可以反映门的实时状态，通过门磁信号，控制器可以判断是否是合法开门。如果是非法开门，同时给予相应的报警信号。123门禁系统的分类及优缺点随着社会电子化智能程度的深入和应用领域的不断扩展，智能门禁系统的类型也变得多种多样。按照输入设备的不同可分为L、密码门禁系统通过小键盘输入密码来确认来人权限的门禁系统。优点是第一章绪论无需携带其他介质，成本较低。缺点则是速度较慢，易出错，当进出人员较多时需排队。对用户友好度较低，在安防口较多的情况下用户需记忆不同密码。且安全性差，密码易忘记或泄露。现在已经很少在家庭和办公系统中使用，即使出现也往往是作为其余输入设备的补充。2、生物识别门禁系统根据人体生物特征的不同而识别身份权限的门禁系统。常见的有指纹识别、掌型识别、虹膜识别和人像识别等。优点是安全性很高，无需携带识别介质。缺点是成本高。识别率不高人体生物特征会随时间和环境而改变，从而导致拒识。速度较慢、数据库大。因此应用范围有限，不是当前门禁系统的主流。3、刷卡门禁系统又分为接触卡和非接触卡两种。接触卡门禁系统由于卡片易磨损，使用的范围已经越来越少，只在和银行卡有关的场合使用。非接触IC卡由于其耐用性高，读取快，安全性较高，成本低成为了当前门禁系统的主流。缺点是当人数众多时需额外增加卡片制作成本。我们使用的二代证门禁系统就属于这一类。但由于使用二代身份证，从而弥补了需额外制卡的不足。按照门禁控制器与微机的通信方式又可分为1、单机控制型最简单的类型，一个设备控制一个门，不与管理机或其他设备相连，无法使用软件控制。特点是价格便宜，安装简单，维护费用低。2、以太网网络型门禁控制器和管理机通过以太网相连，采用网络常用的TCPIP协议通讯。特点是管理中心位置可随时变更，很容易实现网络控制或异地控制。但安装时需给控制器额外连接以太网线，布线难度加大，且以太网的稳定性和安全性要求高，目前还不多见。3、采用总线通讯方式使用专用线路通常为RS232、RS485等将门禁控制器与管理机相连的类型，可使用软件进行管理，集中控制。缺点是安装好后就不能方便的移动管理中心的位置。我们的二代证门禁系统因此改用ZIGBEE进行无线数据通讯，同时结合了以太网网络型和总线通讯方式的优点，既无需额外布线，又能灵活的移动管理中心。124门禁系统的国内外现状门禁系统是随着自动识别技术的发展而迅速发展的，国外门禁系统的知名品牌有美国的休斯HID、西屋WSE、洛泰克NTK，以色列的DDS、SERVANT英国的集宝、韩国SUPERLOCK等品牌。国内从事门禁系统的有捷顺、北京青云、清华紫光等公司。目前，国内外研制和使用的门禁系统主要集中在感应门禁系统和生物识别门禁系统。在生物识别门禁系统中又以指纹门禁系统应用最为广泛。随着计算机图像处理和模式识别理论以及大规模集成电路技术的不断发展与成熟，指纹自动识别系统的体积不断缩小，其价格也在不断降低【321。4二代证门禁控制器的设计与实现无线技术的发展使得在长期作为门禁系统主流的现场总线形式面临挑战。越来越多的智FL皂FQ禁系统的门禁控制器与上位管理计算机之间的组网方式开始采用无线技术，如ZIGBEE、WIFI、GPS、GSM等技术都开始被引入门禁系统的实际使用当中来。13嵌入式系统平台及射频卡概述131嵌入式系统的概念嵌入式系统是指以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统【4】。广而言之，可以认为凡是带有微处理器的专用软硬件系统都可以称为嵌入式系统。嵌入式系统采用“量体裁衣”的方式把所需功能嵌入到各种应用系统中，融合了计算机软硬件技术、通信技术和半导体微电子技术。具有软件代码小、高度自动化、响应速度快等特点，特别适合于要求实时和多任务的场合。嵌入式系统主要由嵌入式处理器、相关支撑硬件、嵌入式操作系统及应用软件系统等组成，可以看做是一个可独立工作的“器件“。132嵌入式系统架构的发展趋势标准的嵌入式系统架构有两大体系，一是CISCCOMPLEXINSTRUCTIONSETCOMPMER，复杂指令集计算机处理器体系，代表产品就是INTEL的X86处理器，CISC体系的指令集结构复杂，太大太全，导致其效率低下。但已被市场长久验证，稳定性高，故常被应用于效能需求不高但稳定性要求高的应用中。另一个体系就是目前占主导地位的RISCREDUCEDINSTRUCTIONSETCOMPUTER，精简指令集计算机处理器体系。这一体系的阵营非常广泛，包括ARM、MIPS、POWERPC、ARC、TENSILICA等等。虽然他们同样属于RISC体系，但在指令集设计和处理单元结构上都各有不同，所以彼此完全不能兼容。其中，基于ARM技术的处理器应用约占据了32位RISC微处理器75以上的市场。ARM技术已经渗入到我们生活的各个方面在工业控制领域，32位的ARM微控制器芯片不但占据了高端微控制器市场的大部分市场份额，同时也由于它的低功耗、高性价比，向传统的8位16位微控制器提出了挑战。在无线通信领域，目前超过85的无线通讯设备采用了ARM技术，ARM以其高性能和低成本，在该领域的地位日益巩固。在网络应用上，随着宽带技术的推广，采用ARM技术的ADSL芯片正逐步获得竞争优势。此外，在语音及视频的处理上也获得了广泛的支持，对DSP的应第一章绪论5用领域提出了挑战。消费类电子产品中，流行的数字音频播放器、数字机顶盒和游戏机中都不难发现ARM的身影。133非接触IC卡概述IC卡的全称是集成电路卡INTEGRATEDCIRCUITCARD，也称为智能卡SMARTCARD，它具有可读写，容量大，能加密，数据记录可靠，使用方便的特点。还有一种不可写入的感应卡，专用作身份识别卡IDENTIFICATIONCARD，内部只含固定编号，简称ID卡IL。以下我们提到的IC卡概念包括ID卡在内。IC卡分为接触式IC卡和非接触IC卡。接触式IC卡使用时要将其插入读卡机中，通过表面电极的物理接触来实现数据的传递，容易磨损和污染触点，从而导致读卡不便；非接触IC卡就是射频卡，使用时只需靠近读卡机，卡片和读卡机通过无线电波或电磁场感应的方式进行信息传递，使用更加自由，应用更加广泛。居民身份证是我国公民的第一法律证件，但第一代居民身份证只是一种传统的视读证件，靠肉眼识别，而第二代居民身份证以下简称二代证则是一种非接触IC卡，具有唯一性、保密性和普及性，因此，可以采用二代证本身作为门禁系统的识别卡，利用二代证的专用读卡器作为门禁系统的读卡器。141ZIGBEE概述14ZIGBEE无线网状网概述众多具有通信能力和计算能力的传感器通过无线方式相互连接，协同工作，同物理世界进行交互，共同完成特定的应用任务的网络，称为传感器网络SENSORNETWORK381。随着科学技术的发展，仅支持静态固定拓扑的无线网络也逐渐被支持动态变化拓扑的无线网络所取代。在短距离无线数据传输领域，相继出现了很多通用技术，如IEEE8021L、蓝牙、WIFI等。它们虽然各有优势，但仍然存在功耗大、组网能力差等劣势。为弥补他们的不足，IEEE802154小组与ZIGBEE联盟共同制定了ZIGBEE标准。ZIGBEE标准是一个正在发展中的低成本、低功耗、低功率的短距离无线通信标准，它是专为低速率传感器和控制网络而设计的无线网络规范。142ZIGBEE的技术特点和应用ZIGBEE协议栈瞄4JR371主要由物理层、MAC层、网络层、安全层和高层应用规范组成。6二代证门禁控制器的设计与实现应用程序接口安全层网络层MAC层物理层围IEEE图12ZIGBEE协议栈其中IEEE802154定义的物理层标准分别是24GHZ和865915MHZ，两者均基于直接序列扩频DIRECTSEQUENCESPREADSPECTRUM，DSSS技术。868MHZ用于欧洲，915MHZ用于美国，我国支持的24GHZ24835GHZ频段有16个信道，信道间隔5MHZ，能够提供250KBS的传输速率，采用OQPSK调制。ZIGBEE的有效覆盖范围在1075米之间，并且信号有穿过墙等障碍物的能力，具有低功耗、低成本、时延短的特点。每个ZIGBEE网络最多可支持255个设备，通过该网络，通信范围可延伸至一栋大楼。适合于应用在家庭和建筑物的自动化控制、各种消费电子设备、PC机外设和工业控制等领域。143ZIGBEE的研究现状和发展趋势短短几年时间，ZIGBEE联盟已经从最初的13家公司发展到100多家知名企业加盟的商业团体，拥有包括芯片制造商、软件开发者、终端制造商以及服务提供商等在内的一条完整的产业链。摩托罗拉、三菱电子、飞利浦、西门子、三星、德州仪器、华为等都是联盟的成员。ZIGBEE的应用领域横跨家庭自动化、家庭安全、工业与环境控制与移动增值的方方面面。ZIGBEE技术也在百花齐放的无线技术进步中蓬勃发展。未来的ZIGBEE将向着更廉价、更省电、与IPV6结合的方面发展。IPV6的巨大地址空间，将为每一个廉价的ZIGBEE节点分配一个全球唯一的网络地址，同时提供安全的通信保障和优良的QOS保证。15本文的主要工作与内容安排本文的研究目的是设计一种高效，实用且易于安装的嵌入式门禁系统。包括以下几个方面的工作第一章绪论7L、设计门禁系统的硬件平台。包括一套“核心板扩展主板”结构的ARM9嵌入式开发平台；一套使用二代居民身份证作为识别卡的非接触IC卡读卡器。2、在以上平台的基础上进行UBOOT、LINUX26内核的移植，完成控制端的各种输入输出、串口、小键盘、读卡器等设备的驱动程序。给上层应用软件开发提供各种接口。3、研究ZIGBEE路由和协议，使用DIGI公司的ZIGBEE模块将门禁控制器和管理机组成ZIGBEE网络，制定提供给应用层通信的传输帧接13。本文的结构安排第一章介绍课题相关的背景和项目开发的意义，并简要介绍涉及的基本知识背景。第二章第一部分按照嵌入式门禁系统的具体需求制定硬件设计的总体方案，包括系统的组成和平台软硬件的选型。第二部分则分别介绍了各个组成部分的具体硬件总体设计和在此之上的开发调试环境。第三章介绍门禁系统中电源、处理器、读卡器和ZIGBEE部分的原理图设计，并完成硬件测试工作。第四章在上述实现的硬件平台上，详细描述了UBOOT，LINUX26内核的移植优化过程，以及LINUX下嵌入式设备驱动的开发流程。并着重介绍了二代证读卡器驱动的实现。第五章详细分析ZIGBEE组网和路由协议的特点，描述了门禁控制器间以及控制器与管理机之间使用ZIGBEE配置无线网状网的具体过程。给出了上层应用端通过ZIGBEE网络互相通信的组帧结构设计，并测试具体各结构分组的传输效果。第六章完成对门禁控制器系统的功能测试，包括UBOOT，LINUX，读卡器和ZIGBEE通信。第七章对工作的总结以及对课题的进一步研究提出了展望。第二章嵌入式门禁系统分析和总体设计9211设计目标第二章嵌入式门禁系统分析和总体设计21嵌入式门禁系统的需求分析随着智FI邑LJ禁系统成本的降低，技术的普及，在各大高校的实验楼，图书馆，教学楼或宿舍的大门处都开始使用门禁系统来进行出入人员的管理。但在楼内各房间使用门禁系统进行统一管理的还很少，这一方面有使用不便，费用过高等原因，另一方面也有楼宇内环境复杂，不易布线的原因。这种整体安防系统的缺失就造成了楼内失窃事件仍然时有发生的情况。为了改进现有刷卡门禁系统在通用性，方便性和组网灵活性等方面的不足之处。我们设计了新一代的基于二代证读卡器的远程门禁系统。它具有门禁控制、防火、防盗、考勤等功能，并支持灵活的组网方式。主要定位于学校实验楼、住宅小区、办公楼，工厂车间等楼宇内使用。在实际设计当中，结合我们实验室自身实际使用需求，做到能够进行几个实验室出入人员的统一管理，并在实验的最后阶段投入实用。212功能需求根据面对的群体和实际使用情况我们设计了如下功能1识别卡支持类型支持14443TYPEA、14443TYPEB二代证和15693协议卡片。2二代证读卡器在管理机端用于读取二代证详细信息的读卡器，将读取的身份证信息及对应的二代证卡ID录入服务器数据库，然后通过网络更新至各个控制器端。3二代证卡ID阅读器在门禁控制器端所用的读卡器，用来读取识别卡的ID号，当用于读取身份证时，先读取二代证内的卡ID，然后对照与数据库中录入的身份证详细信息来获取权限。4报警功能提供对于非法卡、强制开门、烟火警、防撬、超时等的报警功能，报警时间可在0255S之间设置。5LCD显示输出在门禁控制器上提供35寸LCD显示输出。与核心板直接连接。可用于显示提示信息，当前状态等。6小键盘输入在门禁控制器的LCD下方提供一个4X4电容式触控小键盘输入。可用于刷卡识别系统的补充。7门禁控制器复位门禁控制器的复位分为上电复位、按键复位和系统遥控复位。10二代证门禁控制器的设计与实现1上电复位门禁控制器加电后对内存进行自检，自检完成后启动。2按键复位长按门禁控制器复位键5S后，控制器不对内存进行自检，直接重启。3系统遥控复位控制器从通信口接收到管理机的复位指令后引发系统重启。8系统通信提供有线以太网和无线WIFI、ZIGBEE网络接VI。用来连接门禁控制器与管理机。控制器可将每个操作作为事件上传至管理机。9系统数据保护当上位机故障或通信中断时，控制器仍可使用本机上的数据库进行正常工作，并且存储刷卡事件信息，最多可存储10万条。待通信恢复后再上传至上位机。10异常状况自恢复提供看门狗功能，在软件死机后可在一定时间内重启时间可自由设定。11电源管理当市电正常时，门禁控制器由市电供电同时对备用电池充电直至充满，当市电中断时，控制器由备用电池供电。213系统组成由以上功能设计的系统整体组成如图21图21门禁控制系统组成其中门禁控制器可通过以太网方式和无线方式与管理机连接，以太网方式支持TCPIP协议，无线方式支持80211WIFI和802154ZIGBEE。与管理机相连的二代证读卡器用于读取身份证详细信息，与门禁控制器相连的卡LD阅读器用于读取卡ID。第二章嵌入式门禁系统分析和总体设计214平台软硬件选型在需求明确之后就要确定适合的软硬件，在选型中根据具有适当的扩展性和低成本、高通用性的原则，选择了适合的软硬件。1、硬件选型硬件设备是整个系统的骨架和基础，出于成本和易用性的要求，我们选择了三星公司的S3C2410A芯片。3C2410A主频达200MHZ，是一颗基于ARM920T内核1632BITRISCCPU的高性能SOCCPU。ARM920T是一类采用ARM9技术知识产权IP核的微处理器，由ARM920TDMI、存储管理单元MMU和高速缓存三部分组成。高速缓存由独立的16KB地址缓存和16KB数据缓存组成。采用哈佛结构并采用5级流水线操作，能独立作为内核或者嵌入到更复杂的系统中。支持WINCENET、LINUX和UCOSII等多种业内主流的操作系统。3C2410A还具有高性能、低价格、低功耗的特点。在片上集成了以下功能模块【5提11820V内核供电，33V存储器供电，33V外部IO供电具有16KB的ICACHE和L6KB的DCACHEMMU外部存储控制器SDRAM控制和片选逻辑，支持NANDFLASH系统引导3路UARTUNIVERSALASYNCHRONOUSRECEIVERTRANSMITTER2路主USBUNIVERSALSERIALBUS和1路从USB4路DMADIRECTMEMORYACCESS通道并有外部请求引脚2路SPISERIALPERIPHERALINTERFACE1路IICINTERINTEGRATEDCIRCUIT和1路IISINTERICSOUND总线控制器8通道10比特ADCANALOGDIGITALCONVERTER和触摸屏接口带专用DMA通道的LCD控制器支持STNTFTSDSECUREDIGITALINTERFACE卡和MMCMULTIMEDIACARD卡接口4路PWMPULSEWIDTHMODULATION定时器和L路内部定时器看门狗定时器功耗控制模式具有普通、慢速、空闲和掉电模式117个可编程的IO口和24路外部中断具有日历功能的RTC片内锁相环，内部时钟可达203MHZ3C2410采用了一种叫做先进微控制器总线架构ADVANCEDMICROCONROLLERBUSARCHITECTURE，AMBA的新型总线结构。先进微控制器总线架构是ARM公司为高性能片上微控制器定义的一套总线标准，是一种中央多路选择器互连方案，它读数据和写数据的总线分开，完成片上数据传送。AMBA包括先进高性能总线AHB、先进系统总线ASB和先进外设总线APB。AHB和ASB都是高12二代证门禁控制器的设计与实现性能总线，支持多个主设备和多个从设备，ARM公司推荐使用AHB。APB实际上是二级总线，为AHBASB提供一个低功耗和接口简单的扩展。它从整体上说是一个从设备。2、软件选型软件是系统的灵魂。首先，在操作系统的选择上我们选择了嵌入式LINUX作为门禁控制器的操作系统。它主要有以下几点优势1作为一款开源软件，其使用成本很低。2进入市场时间很早，与硬件的兼容性好。3可移植性强。4定制能力强，体积较小。5可利用资源较多，减少了开发的难度。在版本方面，我们使用了2614内核的ARM1INUX，该内核在原有内核的基础上，已经进行了一定的裁剪，同时也是专门支持ARM系统芯片的LINUX版本。在文件系统方面，我们使用了CRAMFS和YAFFS以及JAFFS2。由于CRAMFS是一种高压缩率的文件系统，比较适合嵌入式系统小内存的情况。但由于其是一款只读的文件系统，因此我们又加载了YAFFS和JAFFS2可读写文件系统作为补充。其中YAFFS用于NANDFLASH，JAFFS2用于NORFLASH。同时在调试过程中，我们还使用了NFS网络文件系统以方便远程调试。在开发工具方面，我们主要使用了CC语言作为基本开发语言，并采用BASHSHELL脚本来方便配置。因为LINUX本身对C语言有良好的函数库支持，所以在驱动移植方面比较方便。C因为其良好的与C的兼容性和可读性，主要用于上层软件的开发。22嵌入式门禁控制器总体硬件设计门禁控制器由一块核心板、一块底板、一个二代证卡ID阅读器、一个LCD显示屏以及按钮、门磁、烟火传感器、入侵传感器等外接输入和报警器、门锁等外界输出组成。其中核心板、底板和二代证读卡器都为实验室自行开发，核心板通过DIMM200接口与底板相连，读卡器通过串口与底板连接。如图23所示第二章嵌入式门禁系统分析和总体设计13底板图23控制器模型以下分别介绍各自的硬件结构。221核心板设计门禁控制器的核心板规格为80MMX68MM，由于面积较小使用十层PCB布线。主要使用的芯片及接口如图24所示其中SDRAM为三星公司的K4S561632E，NANDFLASH为三星公司的K9F1208UOB，NORFLASH为INTEL公司的JS28F128。14二代证门禁控制器的设计与实现222底板设计底板规格为175MMXL50MM，使用四层PCB布线。接口如图25所示门禁控制器的IO口要求具体如表21所示表21IO接口具体要求表接口编号名称具体要求备注数量要求支持10M100M自适应与服务器连接；1ETHEMET接口1组配置、维护和上传记录支持USB20标准。用于连接WIFI2USB接口1组模块3串口01组3线端子用于连接小键盘4串口11组3线端子用于连接ZIGBEE5串口21组3线端子用于连接读卡器6电源接口1组内供电源12V每组包括一个门磁状态端口常7门磁输入接口2组闭。每组包括一个出门请求按钮输入端8开门输入按钮2组口常开。9布防输入按钮2组每组包括一个布防请求按钮输入端第二章嵌入式门禁系统分析和总体设计口常闭。主机防拆输入接对主机进行保护，2个接线端子常101组口闭。继电器输出接用来控制电插锁和报警器，共支持114组口2个电插锁和2个报警器。红外和烟火感各2组，烟火用于防止室内火灾，124组应输入接口红外用于监测入侵。223读卡器设计读卡器射频芯片使用TI公司的TRF7960，控制芯片采用ATMEGA8。设计框图如下图26读卡器设计框图其中TRF7960同时支持14443AB和15693协议，由ATMEGA8发送读卡命令至TRF7960，读取到的UID先传至ATMEGA8中处理后再通过串口传至3C2410的串口寄存器中。23开发环境231嵌入式系统的开发模式嵌入式系统常用的开发模式是宿主机目标机模式如图26，其中宿主机是指完成操作系统的裁剪和应用程序开发的计算机包括台式机或工作站；目标机通常指实现对象智能化控制的硬件平台。其实现原理在宿主机上完成软件功能，然后通过串口或者网络将交叉编译生成的目标代码传输并下载到目标机上，并在监控程序或者操作系统的支持下利用交叉调试器进行分析和调试，然后目标机在特定环境下脱离宿主机独立运行。16二代证门禁控制器的设计与实现1II串口线I板图26宿主机一目标机模式采用宿主机目标机开发模式进行嵌入式系统开发，具有整体思路清晰，便于系统分工，容易同步开发的特点。在宿主机一目标机开发模式中，交叉编译和远程调试是系统开发的重要特征【12431。1、交叉编译。宿主机上的CPU结构体系和目标机上的CPU结构体系是不同的。为了实现裁剪后的嵌入式操作系统和应用软件能在目标机上正常运行起来，这就需要在移植他们之前，在宿主机上建立新的编译环境，进行和目标及CPU相匹配的编译，这种编译方式就称为交叉编译。新建立的编译环境称之为交叉编译环境。交叉编译环境下的编译工具在宿主机上配置编译实现，必须是针对目标机CPU体系的编译工具。只有这样，对源代码编译生成的可执行映像，才会被目标机的CPU识别。2、远程调试远程调试是一种允许调试器以某种方式控制目标机上被调试进程的运行方式，并具有查看和修改目标机上内存单元、寄存器以及被调试进程中变量值等各种调试功能的调试方法。调试器是一个单独运行的进程。在嵌入式系统中，调试器运行在宿主机的通用操作系统之上，被调试的进程运行在目标机的嵌入式操作系统中，调试器和被调试进程通过串口或者网络进行通信，调试器可以控制、访问被调试进程，读取被调试进程的当前状态，并能够改变被调试进程的运行状态。232开发调试环境在开发阶段我们就使用了上述的宿主机目标机的开发模式。在宿主机上安装了UBUNTU7041INUX2620和WINDOWSXP双操作系统；使用现成的GNUTOOLS交叉编译工具，版本为2953。安装目录为USRLOCALCROSS，并设置环境变量为PATHUSRLOCALCROSS2953BIPATH。在编译内核或其他程序的时候，均可直第二章嵌入式门禁系统分析和总体设计17接使用交叉编译器命令ANN1INUXGCC。在调试阶段采用串口线和网线同时连接宿主机和目标板，串口线用于将调试信息输出到宿主机的DNW或超级终端界面端，同时操作者也可在DNW端对嵌入式开发板进行相应的操作；网线用于使用NFS网络文件系统。NFS的全称是NETFILESYSTEM网络文件系统，NFS允许一个系统在网络上与他人共享目录和文件。通过使用NFS，我们就可以在目标机上像访问本地文件一样访问位于远程宿主机系统上的文件。这样我们就可以不把根文件系统烧写到目标板上即可进行调试，减少了多次擦写FLASH带来的不良后果。在烧写阶段，目标板支持仿真器下载和TFTP网络传输两种方式。仿真器下载主要使用ARM公司的ADS集成开发环境，通过目标板上的JTAG接口，使用MAGICICE仿真器将交叉编译好的镜像文件下载到目标板上。T邱的全称是啊VIALFILETRANSFERPROTOCOL简单文件传输协议，是TCPIP协议族中的一个用来在客户机与服务器之间进行简单文件传输的协议，提供不复杂、开销不大的文件传输服务。T邱功能已集成到UBOOT中，所以在已将UBOOT烧到目标板的FLASH中之后，就可以通过UBOOT的TFTP命令烧写其他镜像。24本章小结本章首先介绍了嵌入式门禁控制系统的应用需求和系统的组成，在此基础上进行了系统的软硬件选型。然后描述了控制器的三个主要硬件设备各自的设计，包括核心板、底板和读卡器。最后对整体开发环境的建立进行了介绍。第三章门禁系统的原理图设计及测试19第三章门禁系统的原理图设计及测试31电源部分原理图设计电源是硬件电路设计的基础部分，电源部分的稳定直接关系到整个系统是否能正常工作，因此电源设计部分需要考虑到电路板各部件的最大功率要求和电压要求。论文设计的门禁控制器底板上采用12V输入12V供电电压由电池或市电转12V变压器获得，板上提供5V、33V、18V三路电源。考虑到技术保密的要求，以下原理图设计均未具体标明使用的IC和器件参数。12V输入首先通过IC5转为5V输出，如图31所示瑙图3112V转5V原理图5V输入再通过IC6转为33V和18V输出，如图32所示LEDNETCL触SA璃N曩M矗PDW管L蛰黎潮牛棚下TS0JDL42NC1LLESERNCNC3LGNDNC1ENLSENSEL丑Q10UT1誉6二L蹦IOUTNC2RESET耄M8丢INCNC2GNDNC2EN2SENSE一1392LN20UT2DI20UT可NCNC嗤一0毒C2鸭止。鄹南LE川DNCNCNETCLASSLT一图325V转33V、1SV原理图其中，IC6是一个带有N沟道和P沟道MOS开关管的同步脉宽调制降压式电压转换器。具有使能端控制和过温保护功能，当为高时，它处于关闭状态，此时功率管、驱动器、电压比较电路和振荡器等电路都处于不工作状态，使静态电流降至1JLLA左右。当IC6的温度高于门限值时，它将会自动关闭，直到温度低于门限值才会重新进入工作状态。另外，IC6还提供一个内置的软启动电路，用来20二代证门禁控制器的设计与实现防止在加电时电流过冲而影响转换器的性能。输出的两路电压分别为33V和18V，每路最大输出电流为1A，并能提供要求的有200MS延时的复位信号【28】。IC6需要低有效的电源使能控制，使能信号是来自于经CPLD反向后的3C2410的使能控制信号。输出的5V、33V、18V都接有电源指示灯，当芯片有输出电压时指示灯点亮。32微处理器原理图设计核心板使用的微处理器是SAMSUNG公司的3C2410A，它采用了ARM920T内核，O18JLIM工艺的CMOS标准宏单元和存储器单元，采用FPGA封装，共272根引脚。由于涉及的外接总线，通用IO和各种专用模块太多太繁杂，本文就不在此介绍了，主要介绍下系统时钟和启动相关的关键控制管脚。321时钟3C2410片内集成了一个具有日历功能的RTC和具有PLL锁相环的芯片时钟发生器。3C2410可以生成三种时钟信号，分别是微处理器使用的FCLK、AHB总线使用的HCLK和APB总线使用的PCLK。同时，3C2410有两个锁相环，一个用于FCLK、PCLK和HCLK，称为MPLL；另一个用于USB设备，称为UPLL。MPLL产生主时钟，UPLL产生实现主从USB功能的时钟。1、时钟源选择表31显示了不同时钟源的选择所对应的模式控制引脚OM2和OM3，跳线方式见323节状态。表313C2410的时钟源选择OM32】MPLL状态UPLL状态主时钟源USB时钟源00ONONCRYSTALCRYSTAL01ONONCRYSTALEXTCLK10ONONEXTCLKCRYSTAL10ONONEXTCLKEXTCLK在本文系统中时钟源使用外部晶振，因此OM32I妫00T29。O】。2、HCLK、PCLK和FCLK的频率选择表32显示了HCLK、PCLK和FCLK的分频选择，其比率通过HDIVN、PDIVN寄存器控制。表32FCLK、PCLK和FCLK频率选择HDIVNLHDIVNPDIVNFCLKHCLKPCLK比率000FCLKFCLKFCLK111默认第三章门禁系统的原理图设计及测试210OLFCLKFCLKFCLK21L2OL0FCLKFCLK2FCLK21220LLFCLKFCLK2FCLK4124推荐100FCLKFCLK4FCLK4L44其中11FCLK用于ARM920T。2HCLK用于AHB总线，包括ARM920T、内存控制器、中断控制器、LCD控制器、DMA和USB。3PCLK用于APB总线，主要是各种外围接口。包括WDT、IIS、12C、MMC、P仆4ADC、UART、GPIO、RTC和SPI。3、RTC实时时钟RTC电路设计如图33所示V18CHSM280XD图33RTC原理图其中3C2410的RTCVDD直接连接到RTC模块。V18是电源模块18V供电，大部分时间都是由V18供电的。当供电3C2410处于掉电工作模式时，由备用电池来供电。322晶振根据3C2410的最高工作频率及PLL电路的工作方式，设计选择12MHZ的无源晶振为微处理器提供系统时钟，选择32768KHZ无源晶振作为实时时钟提供时钟信号。12MHZ的晶振频率通过3C2410芯片内部集成的倍频电路可以产生系统所需的不同频率。片内的PLL电路兼有频率放大和信号提纯的功能，因此，系统可以以较低的外部时钟信号获得较高的工作频率，以降低因高速开关时钟所造成的高频噪声。图34是系统时钟和实时时钟的示意图，这里的电容用于滤除来自振荡的高次谐波，电阻是进行阻抗匹配的。二代证门禁控制器的设计与实现323启动模式图34系统时钟和实时时钟示意图3C2410具有三种启动方式，可以通过OMI0管脚进行选择，表33是3C2410所支持的启动模式【301。表333C2410的启动模式OMI操作模式1OM0操作模式O导入ROM数据宽度O0NANDFLASHMODE0116BITL032BIT1LTESTMODE本设计采用的是32位的NORFLASH和NANDFLASH作为存储器，因此本次设计OMI0应该设定为10或者00。以跳线的方式来设定OMI0的值。OM控制部分接口电路如图35所示第三章门禁系统的原理图设计及测试3V33V33V33V3图35OM控制电路其中OM0和OML用于选择启动模式，OM2、OM3用于选择时钟源。皆用跳线控制，当对应端口需选择1时，接上上排对应电阻；当对应端口需选择0时，接上下排对应电阻。如OMOO，OMII，OM2O，OM30时，接上R7、R4、R9和RIO，其余不接。当系统使用NORFLASH启动时，启动ROM就要定位于内存的起始地址空间OX00000000，处理器直接在ROM上运行启动程序，处理器内部的SRAM容量为4KB被定位于内存地址的0X40000000处。当系统使用NANDFLASH启动时，外部的NANDFALSH将访问控制接口，并将引导代码自动加载到处理器内部的SRAM此时该SRAM定位于起始地址空间OXOOOOOOOO中，并且运行。之后，SRAM中的引导程序将操作系统镜像加载到SDRAM中，操作系统就能够在SDRAM中运行。启动完毕后，4KB的启动SRAM就可以用于其他用途【29301。33RFID读卡器及ZIGBEE原理图设计331RFID读卡器原理图设计门禁控制器上使用的读卡器就属于RFID，RFID的全称是RADIOFREQUENCYIDENTIFICATION无线射频识别，是非接触式自动识别技术的一种。最简单的RFID系统由标签TAG、解读器READER和天线ANTENNA三部分组成。其工作原理是标签进入磁场后，接受解读器发出的射频信号，凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息PASSIVETAG，无源标签或被动标签，或者主动发送某一频率的信号ACTIVETAG，有源标签或主动标签；解读器读取信息并解码后，送至中央信息系统进行有关数据处理。我们的门禁系统中使用了ATMEGA8微处理器和TRF7960多协议收发芯片组成24二代证门禁控制器的设计与实现完整的RFID读卡系统。TRF7960同时支持振幅和相位调制接受模式，工作频率1356MHZ。同时支持IS014443AJB和IS015693协议。见图36图36读卡器设计框图解读器和微处理器本文中为ATMEGE8之间可以用串口或类似接口通信，当使用硬件编码器和解码器用于其它标准的扩充板时，发送和接收函数需要使用一个12字节的FIFO缓冲器。对于直接发送和接收函数来说，为了使微处理器可以实时处理数据。编码器解