吳力普,孫啟帥

（北方工業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院，北京100144）

近幾年，一些重要機關(guān)、科研實驗室、檔案館以及其他一些重要部門對于智能建筑的安全性要求越來越高，門禁系統(tǒng)是在現(xiàn)代智能建筑中應(yīng)用比較廣泛的一種安全設(shè)施,它能管理人群的進出，限制未授權(quán)人士隨意出入某些區(qū)域。目前，市場上存在的門禁控制器大部分是單門控制，而兩門或者多門的控制器成本較高，因此，本文設(shè)計了一款價格成本比較低的、可同時支持多路刷卡的門禁控制器應(yīng)用于門禁系統(tǒng)中。該控制器除了可以控制多路門的進出之外，還可以實現(xiàn)火災(zāi)報警，記錄刷卡、讀取門狀態(tài)、火災(zāi)報警等操作的時間，以及傳送通信協(xié)議等功能。

1 結(jié)構(gòu)和功能介紹

圖1 門禁控制器的系統(tǒng)框圖

圖1為門禁控制器[1]的系統(tǒng)框圖，整個門禁控制器可分為電源模塊、單片機最小系統(tǒng)、時鐘電路、火災(zāi)報警輸入電路、按鍵與門磁輸入電路、韋根接口與光耦電路、鎖電路與報警聯(lián)動輸出電路等單元。其中，電源模塊用來給整個系統(tǒng)供電，時鐘電路用于記錄刷卡以及相關(guān)操作的時間，火災(zāi)報警輸入電路用于火災(zāi)發(fā)生時的報警信號輸入，按鍵與門磁輸入電路用來檢測門的開關(guān)信號，韋根接口與光耦電路用來接收韋根數(shù)據(jù)，鎖電路與報警聯(lián)動輸出電路用來輸出火災(zāi)發(fā)生時的報警信號并決定鎖的開關(guān)。單片機通過韋根接口輸入的數(shù)據(jù)來判斷哪個門有人刷卡，并記錄刷卡的時間以及控制門的開關(guān)。同時當(dāng)有火災(zāi)發(fā)生時，火災(zāi)報警輸入電路會給單片機輸入一個報警信號，單片機通過判斷此信號決定鎖電路的開關(guān)并使報警聯(lián)動輸出電路輸出一個信號給報警裝置來決定報警與否。單片機通過判斷按鍵產(chǎn)生的信號來判斷內(nèi)側(cè)門的開關(guān)[2]。

1.1 電源模塊

電源模塊如圖2所示，1205是一個隔離電壓轉(zhuǎn)換模塊，輸出的5 V電壓為系統(tǒng)中的單片機最小系統(tǒng)以及時鐘模塊供電；LM7805是一個三端穩(wěn)壓模塊，輸出的5 V數(shù)字電壓給系統(tǒng)中起隔離作用的光耦電路供電。

圖2 電源模塊原理圖

1.2 時鐘電路

時鐘電路主要用于記錄門的開關(guān)時間、刷卡時間、火災(zāi)報警時間等需要記錄時間信息的情況。本系統(tǒng)采用市場上常用的時鐘芯片DS1302，因其工作時功耗很低，用一節(jié)紐扣電池做備用電源就可以工作很長一段時間，其與單片機的連接如圖3所示。

圖3 時鐘電路

1.3 韋根接口與光耦電路

圖4所示為單路韋根接口與光耦電路的原理圖，韋根信號通過光耦隔離電路進入單片機的中斷管腳上，用中斷的方式接收數(shù)據(jù)可以防止數(shù)據(jù)的丟失。本系統(tǒng)可以支持4路信號，如果擴展IO口芯片，會支持更多路。

圖4 韋根接口與光耦電路

1.4 鎖電路與報警聯(lián)動輸出電路

圖5為鎖電路與報警聯(lián)動輸出電路原理圖，通過單片機的一個管腳對此進行控制。當(dāng)此管腳為高電平時，繼電器的線圈得電，鎖電路閉合，同時給報警電路輸出一個報警信號；當(dāng)此管腳為低電平時，繼電器的線圈失電，鎖電路與報警聯(lián)動輸出電路無動作。

圖5 鎖電路與報警聯(lián)動輸出電路

1.5 火災(zāi)報警輸入電路

火災(zāi)報警輸入電路如圖6所示。輸入部分類似于一個開關(guān)量控制，圖中用S代替火災(zāi)報警輸入，與單片機一個管腳相連接（圖中為PB3），單片機通過判斷此管腳電平的高低來判斷是否有火災(zāi)發(fā)生。若有火災(zāi)發(fā)生S閉合，相當(dāng)于輸入0管腳電平拉低，報警器報警，否則不報警。門磁輸入、按鍵輸入與火災(zāi)報警輸入原理相同。

圖6 火災(zāi)報警輸入電路

2 程序設(shè)計與流程圖

2.1 韋根接口協(xié)議簡介

韋根協(xié)議[3-4]是由摩托羅拉公司制定的一種通信協(xié)議，它適用于涉及門禁控制系統(tǒng)[5]的讀卡器和卡片的許多特性。其協(xié)議并沒有定義通信的波特率，也沒有定義數(shù)據(jù)長度，主要定義的是數(shù)據(jù)傳輸方式。韋根碼在數(shù)據(jù)的傳輸中只需兩條數(shù)據(jù)線，一條為DATA0，另一條為DATA1。協(xié)議規(guī)定，兩條數(shù)據(jù)線在無數(shù)據(jù)時均為高電平，如果DATA0為低電平代表數(shù)據(jù) 0，DATA1為低電平代表數(shù)據(jù)1。韋根協(xié)議有很多格式，標準的26 bit是最常用的格式，此外，還有34 bit、36 bit等格式。本文所設(shè)計的控制器是基于常用的26 bit標準格式進行數(shù)據(jù)通信的。

2.2 多路門禁通信協(xié)議設(shè)計

本設(shè)計定義了一種多路門禁通信協(xié)議，此協(xié)議共分為6部分，如表1所示。協(xié)議傳送的內(nèi)容如表2所示。

2.3 軟件程序設(shè)計

整個程序?qū)崿F(xiàn)了控制器對多路門的控制。其功能主要為：單片機通過串口中斷方式接收上位機指令，根據(jù)上位機指令進行相關(guān)動作。當(dāng)接收到修改時間指令時，單片機會修改系統(tǒng)時間；當(dāng)接收到讀門狀態(tài)指令時，單片機會將所有門狀態(tài)讀出，并封裝成數(shù)據(jù)幀回傳給上位機；當(dāng)有人刷卡時，單片機通過外部中斷方式接收韋根數(shù)據(jù)，并記錄卡號及刷卡時間，使門打開。單片機實時檢測按鍵與門磁輸入、火災(zāi)報警輸入，一旦檢測到相應(yīng)的管腳電平有變化就會做出開關(guān)門或火災(zāi)報警的動作。

表1 多路門禁通信協(xié)議

表2 協(xié)議傳送內(nèi)容

圖7 程序整體結(jié)構(gòu)流程圖

圖7為程序整體結(jié)構(gòu)圖，裝置上電后，單片機完成各管腳狀態(tài)、寄存器以及串口中斷和外部中斷的初始化，然后開中斷，單片機進入主循環(huán)程序。單片機進入主循環(huán)時運行的程序流程如圖8所示，其工作過程就是控制多路門的過程，通過接收上位機指令完成修改時間、讀取門狀態(tài)、判斷火災(zāi)、記錄刷卡等操作。

本文在韋根協(xié)議的基礎(chǔ)上開發(fā)出一種多路門禁通信協(xié)議,以完成對多路門的控制。其原理簡單易懂，功能豐富，能通過一個控制器采集多路門的信息，實現(xiàn)對多路門的控制，而且可以允許多個門同時刷卡進出，實用性及擴展性強，具有很強的推廣價值。

圖8 主程序流程圖

[1]于長波.非接觸式IC卡門禁控制器的設(shè)計[D].蘇州:蘇州大學(xué),2009.

[2]沈建良，趙文宏，賈玉坤.ATmega128單片機入門與提高[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2009.

[3]索靜，田生喜，劉杰.韋根信號接收處理的實現(xiàn)[J].福建電腦,2010,26(4):101-102.

[4]柴卉，萬振凱.韋根協(xié)議在門禁系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].儀器儀表用戶，2007,14(5):111-112.

[5]薛琳，魏蘭磊,朱述川,等.基于 GPRS和RFID技術(shù)的門禁控制系統(tǒng)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2012，38(6):145-148.