狄巨星，李 琦，范晶晶

(1.河北建筑工程學(xué)院計(jì)算機(jī)系，河北 張家口 075024；2.河北北方學(xué)院，河北 張家口 075000)

任何閉環(huán)系統(tǒng)在增益為單位增益1，且內(nèi)部隨頻率變化的相移為360°時(shí)，該閉環(huán)控制系統(tǒng)都會(huì)存在不穩(wěn)定的可能性。因此幾乎所有的開(kāi)關(guān)電源都有一個(gè)閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，從而能獲得較好的性能。在負(fù)反饋系統(tǒng)中，控制放大器的連接方式有意地引入了180°相移，如果反饋的相位保持在180°以內(nèi)，那么控制環(huán)路將總是穩(wěn)定的。當(dāng)然，在現(xiàn)實(shí)中這種情況是不會(huì)存在的，由于各種各樣的開(kāi)關(guān)延時(shí)和電抗引入了額外的相移，如果不采用適合的環(huán)路補(bǔ)償，這類相移同樣會(huì)導(dǎo)致開(kāi)關(guān)電源的穩(wěn)定性。以下針對(duì)門禁系統(tǒng)電源的特點(diǎn)，對(duì)該系統(tǒng)開(kāi)關(guān)電源的穩(wěn)定性進(jìn)行了研究[1]。

1 RFID門禁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能分析

門禁系統(tǒng)是指通過(guò)電子化的身份識(shí)別裝置(如磁卡、射頻卡)或生物特征識(shí)別方式(如語(yǔ)音、虹膜、指紋)識(shí)別欲開(kāi)門的身份，并根據(jù)預(yù)先設(shè)定的權(quán)限決定是開(kāi)門還是發(fā)出報(bào)警信號(hào)，本系統(tǒng)采用非接觸式卡。常見(jiàn)的門禁系統(tǒng)多采用RS-485總線實(shí)現(xiàn)身份識(shí)別裝置與控制主機(jī)之間的通信。

1.1 門禁系統(tǒng)構(gòu)成

門禁系統(tǒng)需要配備的硬件包括：RFID門禁卡、嵌入式門禁控制器、系統(tǒng)電源、發(fā)卡器、閱讀器、電控鎖和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等[2]。每個(gè)終端存儲(chǔ)有此終端準(zhǔn)入授權(quán)的密鑰識(shí)別碼(“通用密鑰”、“加密后樓棟單元編碼”、“加密后房間編碼”)。終端將數(shù)據(jù)載體中存儲(chǔ)的所有密鑰識(shí)別碼與所存儲(chǔ)的所有密鑰識(shí)別碼進(jìn)行比較，一旦找到一個(gè)相符的識(shí)別碼，即給予準(zhǔn)入授權(quán)。由中央程序站對(duì)標(biāo)簽進(jìn)行編程，本系統(tǒng)采用DES、RSA加密算法進(jìn)行加密處理，除了授權(quán)準(zhǔn)許進(jìn)入之外，標(biāo)簽內(nèi)頁(yè)可以編入有效期限，以備臨時(shí)用戶使用[3]。

1.2 門禁系統(tǒng)的功能

門禁系統(tǒng)具備以下功能：

(1)基本資料：可錄入門禁使用單位類型、員工婚姻狀況、職務(wù)、學(xué)歷、職稱等一些重復(fù)錄入的數(shù)據(jù)。

(2)機(jī)構(gòu)設(shè)置：錄入機(jī)構(gòu)的名稱、類型、電話、傳真、通信地址等資料，并建立其相互關(guān)系。

(3)員工管理：包括員工發(fā)行卡片和注銷卡片。

(4)設(shè)備安裝區(qū)域：建立設(shè)備的安裝區(qū)域資料和聯(lián)系。

(5)設(shè)備資料：輸入設(shè)備的基本資料、控制參數(shù)、時(shí)間參數(shù)等。

(6)設(shè)備授權(quán)：輸入設(shè)備的準(zhǔn)許打卡人員以及人員的有效期和有效的時(shí)間段資料。

(7)發(fā)送/接收：包括讀取設(shè)備時(shí)間、設(shè)置設(shè)備時(shí)間、清除設(shè)備歷史記錄、恢復(fù)設(shè)備歷史記錄、設(shè)定門禁控制參數(shù)、設(shè)定門禁的節(jié)假日、設(shè)定門禁的準(zhǔn)許時(shí)段、高級(jí)定考勤機(jī)參數(shù)、設(shè)定考勤機(jī)報(bào)時(shí)時(shí)間表、設(shè)定設(shè)備的準(zhǔn)許人員[4]。

(8)數(shù)據(jù)采集：將設(shè)備的歷史記錄保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中，以便進(jìn)行處理。

(9)門禁控制：監(jiān)視門禁控制器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)、報(bào)警狀態(tài)等，并能進(jìn)行遠(yuǎn)程門禁控制。

(10)默認(rèn)門禁節(jié)假日：建立默認(rèn)的門禁控制器節(jié)假日和每周休息日的資料，規(guī)定在法定或者規(guī)定的節(jié)假日期間門禁的進(jìn)入許可。

(11)默認(rèn)門禁準(zhǔn)進(jìn)時(shí)段：建立默認(rèn)的門禁控制器工作日時(shí)段、非工作日時(shí)段、門常開(kāi)時(shí)段和星期時(shí)段資料。

(12)查詢報(bào)表：包括機(jī)構(gòu)報(bào)表、員工報(bào)表、員工持卡報(bào)表情況、設(shè)備資料報(bào)表、設(shè)備準(zhǔn)許人員報(bào)表、打卡記錄報(bào)表、設(shè)備事件記錄報(bào)表。

(13)安全方案[5]：門禁控制器與控制主機(jī)之間的信息交換是通過(guò)以太網(wǎng)完成的，傳輸內(nèi)容非常容易被截獲和分析，為此需要保證兩者之間信息傳遞的安全性，包括以下幾方面：

用戶身份認(rèn)證的保密性。在門禁控制器向控制主機(jī)發(fā)送用戶身份認(rèn)證時(shí)，需要對(duì)用戶身份認(rèn)證進(jìn)行加密，這樣即使相關(guān)報(bào)文被截獲也無(wú)法非常方便地分析出用戶身份認(rèn)證，以防用戶身份被仿造。

控制主機(jī)開(kāi)門命令不可偽造。惡意用戶無(wú)法通過(guò)截獲和分析原有開(kāi)門報(bào)文的格式，偽造出新控制主機(jī)的開(kāi)門命令。

控制主機(jī)和門禁控制器之間的相互鑒別。兩者可以準(zhǔn)確的鑒別報(bào)文內(nèi)容是否是對(duì)方發(fā)來(lái)的，即使惡意用戶通過(guò)偽造IP地址等方式也無(wú)法欺騙。

2 門禁系統(tǒng)電源穩(wěn)定性研究

2.1 門禁系統(tǒng)電源穩(wěn)定性指標(biāo)

衡量開(kāi)關(guān)電源穩(wěn)定性的指標(biāo)是相位裕度和增益裕度。相位裕度是指：增益降到0 dB時(shí)所對(duì)應(yīng)的相位。增益裕度是指：相位為零時(shí)所對(duì)應(yīng)的增益大小(實(shí)際是衰減)。在實(shí)際設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)電源時(shí)，只在設(shè)計(jì)反激變換器時(shí)才考慮增益裕度，設(shè)計(jì)其它變換器時(shí)，一般不使用增益裕度。

在開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)中，相位裕度有兩個(gè)相互獨(dú)立作用：一是可以阻尼變換器在負(fù)載階躍變化時(shí)出現(xiàn)的動(dòng)態(tài)過(guò)程；另一個(gè)作用是當(dāng)元器件參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，仍然可以保證系統(tǒng)穩(wěn)定。相位裕度只能用來(lái)保證“小信號(hào)穩(wěn)定”。在負(fù)載階躍變化時(shí)，電源不可避免要進(jìn)入“大信號(hào)穩(wěn)定”范圍。工程中我們認(rèn)為在室溫和標(biāo)準(zhǔn)輸入、正常負(fù)載條件下，環(huán)路的相位裕度要求大于45°。在各種參數(shù)變化和誤差情況下，這個(gè)相位裕度足以確保系統(tǒng)穩(wěn)定。如果負(fù)載變化或者輸入電壓范圍變化非常大，考慮在所有負(fù)載和輸入電壓下環(huán)路和相位裕度應(yīng)大于30°。

圖1所示為門禁系統(tǒng)電源控制環(huán)路示意圖，開(kāi)關(guān)電源控制環(huán)路由以下3部分構(gòu)成：

(1)功率變換器部分，主要包含方波驅(qū)動(dòng)功率開(kāi)關(guān)、主功率變壓器和輸出濾波器；

(2)脈沖寬度調(diào)節(jié)部分，主要包含PWM脈寬比較器、圖騰柱功率放大；

(3)采樣、控制比較放大部分，主要包含輸出電壓采樣、比較、放大(如TL431)、誤差放大傳輸(如光電耦合器)和PWM集成電路內(nèi)部集成的電壓比較器(這些放大器的補(bǔ)償設(shè)計(jì)最大程度的決定著開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)穩(wěn)定性，是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn))。

2.2 門禁系統(tǒng)電源穩(wěn)定性分析

如圖1所示，假如在節(jié)點(diǎn)A處引入干擾波，此方波所包含的能量分配成無(wú)限列奇次諧波分量。如果檢測(cè)到真實(shí)系統(tǒng)對(duì)不斷增大的諧波有響應(yīng)，則可以看出增益和相移也隨著頻率的增加而改變。如果在某一頻率下增益等于1且總的額外相移為180°(此相移加上原先設(shè)定的180°相移，總相移量為360°)，那么將會(huì)有足夠的能量返回到系統(tǒng)的輸入端，且相位與原相位相同，那么干擾將維持下去，系統(tǒng)在此頻率下振蕩。如圖2所示，通常情況下，控制放大器都會(huì)采用反饋補(bǔ)償元器件Z2減少更高頻率下的增益，使得開(kāi)關(guān)電源在所有頻率下都保持穩(wěn)定。

波特圖對(duì)應(yīng)于小信號(hào)(理論上的小信號(hào)是無(wú)限小的)擾動(dòng)時(shí)系統(tǒng)的響應(yīng)；但是如果擾動(dòng)很大，系統(tǒng)的響應(yīng)可能不是由反饋的線性部分決定的，而可能是由非線性部分決定的，如運(yùn)放的壓擺率、增益帶寬或者電路中可能達(dá)到的最小、最大占空比等。當(dāng)這些因素影響系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)，原來(lái)的系統(tǒng)就會(huì)表現(xiàn)為非線性，而且傳遞函數(shù)的方法就不能繼續(xù)使用了。因此，雖然小信號(hào)穩(wěn)定是必須滿足的，但還不足以保證電源的穩(wěn)定工作。因此，在設(shè)計(jì)電源環(huán)路補(bǔ)償時(shí)，不但要考慮信號(hào)電源系統(tǒng)的響應(yīng)特性，還要處理好電源系統(tǒng)的大信號(hào)響應(yīng)特性。電源系統(tǒng)對(duì)大信號(hào)響應(yīng)特性的優(yōu)劣可以通過(guò)負(fù)載躍變響應(yīng)特性和輸入電壓躍變響應(yīng)特性來(lái)判斷，負(fù)載躍變響應(yīng)特性和輸入電壓躍變響應(yīng)特性存在很強(qiáng)的連帶關(guān)系，負(fù)載躍變響應(yīng)特性好，則輸入電壓躍變響應(yīng)特性一定好。

對(duì)開(kāi)關(guān)電源環(huán)路穩(wěn)定性判據(jù)的理論分析是很復(fù)雜的，這是因?yàn)閭鬟f函數(shù)隨著負(fù)載條件的改變而改變。各種不同線繞功率元器件的有效電感值通常會(huì)隨著負(fù)載電流而改變。此外，在考慮大信號(hào)瞬態(tài)的情況下，控制電路工作方式轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷€性工作方式，此時(shí)僅用線性分析將無(wú)法得到完整的狀態(tài)描述。下面詳細(xì)介紹通過(guò)對(duì)負(fù)載躍變瞬態(tài)響應(yīng)波形分析來(lái)判斷開(kāi)關(guān)電源環(huán)路穩(wěn)定性。

2.3 門禁系統(tǒng)電源穩(wěn)定性測(cè)試

測(cè)試條件：(1)無(wú)感電阻；(2)負(fù)載變化幅度為10%～100%；(3)負(fù)載開(kāi)關(guān)頻率可調(diào)(在獲得同樣理想響應(yīng)波形的條件下，開(kāi)關(guān)頻率越高越好)；(4)限定負(fù)載開(kāi)關(guān)電流變化率為5 A/μs或者2 A/μs，沒(méi)有聲明負(fù)載電流大小和變化率的瞬態(tài)響應(yīng)曲線圖形無(wú)任何意義。

圖3為瞬變負(fù)載波形。圖4為理想響應(yīng)波形，接近最優(yōu)情況，在絕大多數(shù)應(yīng)用中，瞬態(tài)響應(yīng)穩(wěn)定且性能優(yōu)良，增益裕度和相位裕度充足。對(duì)于正向和負(fù)向尖峰，對(duì)稱的波形是同樣需要的，因此從它可以看出控制部分和電源部分在控制內(nèi)有中心線，且在負(fù)載的增大和減少的情況下它們的擺動(dòng)速率是相同的。上面介紹了開(kāi)關(guān)電源控制環(huán)路的兩個(gè)穩(wěn)定性判據(jù)，就是通過(guò)波特圖判定小信號(hào)下開(kāi)關(guān)電源控制環(huán)路的相位裕度和通過(guò)負(fù)載躍變瞬態(tài)響應(yīng)波形判定大信號(hào)下開(kāi)關(guān)電源控制環(huán)路的穩(wěn)定性。

2.4 本系統(tǒng)電源穩(wěn)定性設(shè)計(jì)方法

首先測(cè)量好脈寬調(diào)整器和功率變換器部分的傳遞特性，然后用“差分技術(shù)”來(lái)確定補(bǔ)償控制放大器所必須具有的特性。要想使實(shí)際的放大器完全滿足最優(yōu)特性是不大可能的，主要的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)盡可能地接近。具體步驟如下：

(1)找到開(kāi)環(huán)曲線中極點(diǎn)過(guò)零處所對(duì)應(yīng)的頻率，在補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)中相應(yīng)的頻率周圍處引入零點(diǎn)，那么在直到等于穿越頻率的范圍內(nèi)相移小于315°(相位裕度至少為45°)；

(2)找到開(kāi)環(huán)曲線中ESR零點(diǎn)對(duì)應(yīng)的頻率，在補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)中相應(yīng)的頻率周圍處引入極點(diǎn) (否則這些零點(diǎn)將使增益特性變平，且不能按照期望下降)；

(3)如果低頻增益太低，無(wú)法得到期望的直流校正，那么可以引入一對(duì)零極點(diǎn)以提高低頻下的增益。大多數(shù)情況下，需要進(jìn)行“微調(diào)”，最好的辦法是采用瞬態(tài)負(fù)載測(cè)量法。

3 結(jié)束語(yǔ)

作者根據(jù)門禁系統(tǒng)開(kāi)關(guān)電源穩(wěn)定性特點(diǎn)，提出設(shè)計(jì)同類系統(tǒng)電源重點(diǎn)有兩點(diǎn)：一是磁路設(shè)計(jì)，重點(diǎn)解決的是從輸入到輸出的電壓及功率變換問(wèn)題。二是穩(wěn)定性設(shè)計(jì)，重點(diǎn)解決的是輸出電壓的品質(zhì)問(wèn)題。開(kāi)關(guān)電源穩(wěn)定性設(shè)計(jì)的好壞直接決定著開(kāi)關(guān)電源啟動(dòng)特性、輸入電壓躍變響應(yīng)特性、負(fù)載躍變響應(yīng)特性、高低溫穩(wěn)定性、生產(chǎn)和調(diào)試難易度。作者將上述開(kāi)關(guān)電源穩(wěn)定性設(shè)計(jì)方法和結(jié)論應(yīng)用到了門禁系統(tǒng)開(kāi)關(guān)電源的研發(fā)工作中，經(jīng)過(guò)多次測(cè)試，系統(tǒng)電源穩(wěn)定得到很大程度提高。

[1]王其崗，榮焱.開(kāi)關(guān)電源穩(wěn)定性設(shè)計(jì)[J].電源技術(shù)應(yīng)用，2008(6):1-5.

[2]陳虎，吳濤，張安定，等.嵌入式系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)[M].北京:電子工業(yè)出版社，2008.

[3]雷永梅，趙霖.計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息安全保密技術(shù)[M].北京:清華大學(xué)出版社，2003.

[4]游戰(zhàn)清,李蘇劍.無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù)理論與應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社，2004.

[5]WONG J K W,LI H,WANG S W,et al.Intelligent building research：A review[J].Automation in Construction,2005，14(1)：