基于ARM的门禁系统设计

基于ARM的门禁系统设计摘要随着人类生活水平、认知水平和人们对安防要求的不断提高以及工业自动化的蓬勃发展，智能化管理已经走进了人们的社会生活，而在智能化管理中，门禁监控系统得到了越来越多的应用，门禁，又称出入管理控制系统，是一种管理人员进出的数字化管理系统。但传统的门禁监控系统一般采用门禁控制和视频图片摄录相分离的实现办法，这给现场布线带来了很多的不便，同时其成本也会大大提高。所以，设计稳定性高、保密性强和易于扩展的较通用型门禁系统具有重要的实际意义。整个系统的设计采用具有丰富多片内外设的LPC2368ARM为微控制器，选用ZLG522S/LT读卡模块为读卡器（使用Mifare卡），并采用HUIGANG继电器作为门锁开关，同时有门状态指示灯。系统通过RS-485总线与上位机进行通信。该系统具有按用户与时间权限刷卡开门和记录功能、添加用户功能、设置时间权限和考勤时间段，并能将记录信息通过SD卡导出。该电子门禁系统具有实际应用中的单门门禁考勤系统的主要功能，并具有稳定性、可靠性，保密性强和人机界面友好的优点。关键词：ARM微控制器，读卡模块，RS-485，SD卡概述本设计皆在完成一个管理人员进出的数字化出入管理控制系统。在现今的社会生活中，人们已经逐渐进入并融入到了数字化电子化的生活，社会的各个方面都已经实现或基本实现了数字化，门禁系统作为人们生活中必不可少的管理类应用，在人类的工作中显得尤为的重要，而对于这样一个应用，在这样一个大的背景下，实现其数字化与电子化是十分必要的，智能考勤系统基于现代电子与信息技术，利用智能卡或指纹等生物信息的唯一性来对员工上下班进行现代化高效管理，在各厂矿、机关、银行等场合已广泛应用并成为单位管理现代化和信息化的标志。但目前很多门禁系统的核心控制单元主要依赖单片机来实现，它虽然也能完成相应的基本功能，但其扩展能力有限，在性能和存储容量等方面已不能很好地满足人们的要求，然而，随着嵌入式技术的不断发展，特别是基于ARM处理器的嵌入式系统由于其可扩展性强、稳定性高、功耗低、性能和价格比较合理等特点已在实际生活中得到了越来越多的应用。因此，决定尝试做一个基于ARM的电子门禁系统。目前，欧美电子门禁系统市场正逐渐进入成熟阶段，其产业的分工已进人细分阶段。在国内，电子门禁系统处于成长期和初始阶段。第1章系统总体方案概述§1.1系统工作原理系统采用LPC2368ARM为微控制器，选用ZLG522S/LT读卡模块为读卡器（使用Mifare卡），并采用HUIGANG继电器作为门锁开关，具有门状态指示灯，同时仿效实际产品引出必要的接口，如门磁检测，门内开关接口，门外铃声按钮接口，RS-485通信接口和电源接口等。系统通过RS-485总线与上位机进行通信。该系统具有按用户与时间权限刷卡开门和记录功能、添加用户功能、设置时间权限和考勤时间段，并能将记录信息通过SD卡导出。上位机在VC开发环境下编程，具有一些实际电子门禁系统的主要简单功能。更详细的工作原理在下面的软硬件部分具体给出。§1.2设计思想门禁系统由门禁控制器、读卡器、出门按钮、通讯集线器、感应卡和管理软件组成。§1.2.1门禁控制器的选择门禁控制器有多种控制芯片可以选择，如8051系列单片机、ARM系列控制器等。由于本门禁考勤系统使用的串行口较多，在速度的要求上较高，而ARM系列控制器很容易得到满足。虽然其价格较贵，但综合考虑，ARM系列控制器更适合本系统。在众多的ARM控制器中，LPC2300系列较其他系列的优点显著，十分适用于串行通信的场合。§1.2.2门禁系统的类型选择门禁系统一般有以下类型：1.不联网门禁：适用场合：已装修好不便于重新布线，安全性能要求不高的场合。2.RS-485联网门禁：适用场合：小区、学校、仓库等人数稍多，门需统一管理，安全性能要求一般的场合。3.CAN-bus联网门禁：适用场合：通信性能稳定性要求高，传输速度要求快、传输距离要求远的场合，如金融机构、政府企事业机关等。4.TCP/IP以太网联网门禁：适用场合：适合安装在大项目、人数多、速度快、跨地域的工程中。由于本系统的技术要求和应用场所是中距离通信场合，综合以上四种类型及本系统对安全性的要求不是很高的基础上，RS-485联网系统可以胜任。§1.2.3感应卡的选择常见的门禁系统有：密码门禁系统、非接触IC卡(感应式IC卡)门禁系统和指纹虹膜掌型生物识别门禁系统等。密码门禁系统由于其本身的安全性弱和便捷性差已经面临淘汰；生物识别门禁系统安全性高，但成本高；现在国际最通用的还是非接触IC卡门禁系统。非接触IC卡由于其较高的安全性，便捷性和性价比高成为门禁系统的主流。所以该系统使用非接触IC卡。非接触IC卡RS-485门禁考勤系统示意图如图1-1所示。图1-1非接触IC卡RS-485门禁考勤系统示意图第2章硬件设计技术文档本设计为门禁考勤系统，顾名思义，其兼具门禁和考勤的功能。下面为本系统的硬件设计说明。§2.1门禁考勤系统的功能框图见图2-1图2-1门禁考勤系统的功能框§2.2硬件电路分析§2.2.1电路原理图（见图2-2）图2-2门禁考勤系统电路原理图§2.2.2硬件使用的资源LPC2368是基于一个支持实时仿真和嵌入式跟踪的32/16位ARM7TDMI-STMCPU的微控制器，并带有512kB的嵌入高速Flash存储器。128位宽度的存储器接口和独特的加速结构使32位代码能够在最大时钟速率下运行。对代码规模有严格控制的应用可使用16位Thumb模式将代码规模降低超过30%，而性能的损失却很小。其特别适合于串行通信的场合。LPC2368内部由512K的Flash，58K的片内SRAM，包括32K的局部总线SRAM、8K的USB使用的SRAM、16K的以太网SRAM和2K的电池SRAM。此门禁考勤系统只使用了片内Flash、局部总线SRAM和2K的电池SRAM，没有外部扩展存储器。如表2-1所示，为LPC2368I/O口的使用和分配表。表2-1LPC2368I/O口的使用和分配表功能模块使用LPC2368引脚引脚功能看门狗复位P1．24给SP706S喂狗串口UARTO(RS-232C和RS-485)接口P0.2(TXDO)串口UARTO的输出输入P0.3(RXDO)P1.22(GPIO)RSM485CHT的收发控制读卡器模块P0.10(TXD2)微控制器与读卡模块的UART通信接口P0.11(RXD2)P0.27(SDAO)微控制器与读卡模块的C通信接口P0.28(SCLO)P2.11(INT)按键和门内开关P0.6~P0.9四个独立按键P0.23门内开门开关输入指示灯P1.28门关闭指示灯P1.29门打开指示灯继电器和蜂鸣器P1.26继电器控制端（高电平有效）P1.27直流蜂鸣器控制（低电平有效）门磁检测P1.25检测门磁状态（低电平为门开）SD卡接口P0.21、P0.22、P2.11、P2.12、P2.13、P0.20、P0.19、P2.8、P3.25引脚具体说明见表2-3ZLG7290接口P0.0(SDAO)此接口出去次三接口外，还有电源和地接口§2.2.3各个部分单元电路原理及其分析1.电源电路系统设计为3.3V应用系统，但是LPC2300系列ARM微控制器需要2种类型的电源，分别是3.3V和1.8V，而与PC机通信使用的RS-485收发器（RSM485CHT）和继电器都是5V器件，所以设计5V电源为系统前级电源，3.3V为后级电源。对于LPC2300系列ARM的1.8V内核供电，本系统使用片内的DC-DC，由于本系统没有使用AD/DA功能，所以不区分模拟电源和数字电源。如图2-3（a）、（b）所示，首先由CON30电源接口输入9V直流电源，二极管D11防止电源反接，经过C11、C12滤波，再通过LM2575将电源稳压至5V，然后通过L2、C111、C110组成的滤波电路，输出稳定的低纹波5V电压，再使用LDO芯片(低压差电源芯片)稳压输出3.3V电压。考虑到系统长时间处于工作状态，从节能方面考虑采用了开关电源LM2575设计。系统使用的电源是9V直流电源，由CON30电源接口输入，接头上的电源极性为外正内负。当系统上电后，POWER指示LED1应点亮。LDO芯片采用了SPX1117M3-3.3，其特点为输出电流大，输出电压精度高，稳定性高。图2-3系统前后级电源和RTC电源电路LPC2300系列ARM集成有RTC外设，其单独供电，此次设计中提供了两种供电方式，系统电源和外部电池供电，如图2-3（c）所示。系统电源方式便于调试系统时使用，电池供电方式在实际应用中使用。2.时钟系统、RTC时钟电路系统采用ARM嵌入式工业控制模块T2368中的最小系统，其中使用外部12.000MHz无源晶振作为主时钟源。对于实时时钟（RTC）功能，在CPU的RTCK1和RTCK2脚之间接一个32.768KHz的晶振。3.看门狗复位电路由于ARM芯片的高速、低功耗、低工作电压等特性导致其噪声容限低，对电源的纹波、瞬态响应性能、时钟源的稳定性、电源监控可靠性等诸多方面也提出了更高的要求。使用了专用微处理器电源监控芯片SP706S以提高系统的可靠性，同时该芯片还带有硬件看门狗电路。如图2-4所示，在电路中将看门狗复位信号输出脚（WDO）通过R32连接到SP706S的手动复位输入脚（MR）上，信号nRST连接到CPU的复位脚nRST。可通过定时翻转P1.24的电平来喂狗，一旦在1.6秒内未翻转P1.24的电平，则SP706S内部的看门狗溢出，WDO脚输出低电平，MR脚被WDO脚拉低为低电平，导致SP706S在RST脚输出200ms的复位脉冲令CPU复位，同时SP706S内部清零看门狗让其重新计数。图2-4系统复位电路当复位按键RST按下时，SP706S的RST脚输出低电平复位系统。4.串口UART0（RS-232C和RS-485）接口由于系统是3.3V，所以使用了SP3232E进行RS-232C电平转换，SP3232E是3V工作电源的RS-232C转换芯片。如图2-5所示，CON2为UART0接口，可以在串口调试阶段使用，在实际应用中，则要使用CON3的RS-485接口。RS-485收发器采用嵌入式隔离RS-485收发器RSM485CHT，如图2-5（c）所示。RSM485CHT隔离收发器模块，是集成电源隔离、电气隔离、RS-485接口芯片，总线保护器件于一身，其为5V工作电源器件。电路设计中采用保守方法，加入了PESD1CAN隔离，是系统稳定性更高。RS-232C与RS-485功能可以通过跳线JP2来切换，如图2-5（b）。JP2跳线器说明见表2-2。图2-5UART0(RS-232CANDRS-485)接口JP2功能备注控制器的UART0与CON2（RS-232C）连接（模式1）串口调试时使用控制器的UART0与CON3（RS-485C）连接（模式2）实际应用中使用5.JTAG接口电路和ISP跳线电路采用ARM公司提出的标准20脚JTAG仿真调试接口，JTAG信号的定义及与T2368的连接如图2-6（a）所示。其中RTCK引脚加上拉电阻，使系统重启后，LPC2368内部的JTAG接口使能，可以直接进行JTAG仿真调试，同时P2[9:0]引脚不为跟踪功能；当要使用ISP功能时，将PC的串口与CON2相连，并将跳线JP2设置为第一种模式，使用UART0通信。同时把JP1（如图2-6JTAG接口电路（c））短接，是ISP的硬件条件得到满足。图2-6JTAG接口电路6.读卡模块现在，门禁考勤系统一般都使用非接触式无线智能卡，Mifare卡就是其中的一员，可以实现一卡通功能，具有数据传送速度快、防碰撞、保密性高等特点。读卡器采用ZLG500S系列读卡模块（ZLG522S/LT），ZLG522S/LT为3.3V供电，具有I2C和UART两种通信接口，和天线一体化，主动检测卡片进入的模块。此系统中，将两种接口都引出来，但只使用UART接口，如图2-7（b）所示。图2-7读卡模块7.按键、门内开关和指示灯