（检测技术与自动化装置专业论文）基于非接触ic卡的智能门禁系统设计与研究.pdf

摘要 y 】0 0 8 1 7 8 本论文主要设计和研究基于非接触i c 卡( 射频卡) 技术的门禁安防系统。 门禁系统是楼宇自动化系统的一个重要安防环节，它对楼宇的出入1 1 3 进行控制， 并能和c c t v 闭路电视系统组成联动的控制系统。本文所设计的门禁系统，具 有较强的实用性、较高的性价比和良好的扩展性，并且在门禁系统的管理软件中 增加了考勤系统部分，使此系统更方便的运用到公司、企业的员工考勤和门禁管 理。 本文首先介绍了非接触i c 卡门禁系统原理，通过对接触式和非接触式i c 卡 的比较，概括了非接触i c 卡的特点和优势；阐述了本门禁系统的单机应用和联 网应用设计方案，以及设计时所遵循各种规范；详细描述了门禁系统的核心硬件， 门禁控制器和r s 4 2 2 - - r s 2 3 2 转换电路的设计。 根据开发要求，本门禁系统可以不和上位机通信来辨别读入的卡片，直接运 用本门禁系统存储的所有要辨别的卡号、卡的有效性等信息而独立工作：但也可 通过上位机软件实现卡号、卡的有效性识别。以节省设备费用，使用软件发卡。 为方便人员和卡片管理，上位机上建立一个简单而实用的桌面数据库管理这些信 息。第四章详细介绍了数据库的设计、上位机对数据库的访问以及考勤数据表的 设计。 本门禁系统可采用r s 4 2 2 总线型网络进行组网，用r s 4 2 2 - - r s 2 3 2 转换电路 实现和上位机的串行通信，门禁控制器和上位机所有串行通信都是通过调用设计 的串行通信动态链接库中的函数来实现的。第五章详细介绍了串行通信动态链接 库，重点介绍了多线程串行通信读写线程的实现。 本论文第六章是本门禁系统软件部分的设计。控制器软件部分重点介绍控制 器主程序设计、读卡器中断子程序设计、串行中断子程序设计等；上位机部分重 点介绍上位机串行通信的实现、以及上位机管理软件界面的介绍。 最后，总结本门禁系统的特点以及有待改进的地方，展望了智能门禁系统的 发展趋势。 关键词：门禁系统串口通信数据库动态链接库 i n t e l l i g e n ta c c e s sc o n t r o ls y s t e mb a s e d o nn o n c o n t a c ti cc a r d a b s t r a c t t h i st h e s i sc h i e f l yi n v o l v e st h ed e s i g na n dr e s e a r c ho fa c c e s sc o n t r o ls y s t e m b a s e do nn o n - c o n t a c ti c ( r 功c a r d t h ea c c e s sc o n t r o ls y s t e m ，w h i c hb e l o n g st o b u i l d i n ga u t o m a t i o ns y s t e m ( b a s ) ，c a nn o to n l yc o n t r o le n t r a n c e w a y so fb u i l d i n g s ， b u ta l s oc o m b i n ew i t hc l o s ec i r c u i tt e l e v i s i o ns y s t e m t h ea c c e s sc o n t r o ls y s t e m r e c o m m e n d e di nt h i st h e s i sp o s s e s s e sb e t t e rp r a c t i c a b i l i t y , h i g hr a t i oo fp e r f o r m a n c e o v e rp r i c ea n dp r e f e r a b l ee x p a n s i b i l i t y m o r e o v e r , t h ep a r to fc h e c k i n go nw o r k a t t e n d a n c ei n t e g r a t e di nt h em a n a g e m e n ts o f t w a r eo ft h ea c c e s sc o n t r o ls y s t e mi s m o r ec o n v e n i e n tf o rc h e c k i n gt h es t a f fo ft h e c o r p o r a t i o n s o nw o r ka n dt h e m a n a g e m e n to ft h ea c c e s sc o n t r o ls y s t e m a tf i r s t ，t h i st h e s i si n t r o d u c e st h et h e o r yo ft h ea c c e s sc o n t r o ls y s t e mb a s e do n n o n c o n t a c ti c ( r f ) c a r d ，c o m p a r i n gc o n t a c ti cc a r dw i t hn o n c o n t a c t i c ( r f ) c a r d ，g a t h e r su pt h ec h a r a c t e r i s t i c sa n da d v a n t a g e so fn o n - c o n t a c ti c ( r f ) c a r d ；t h e a p p l i c a t i o n so ft h es i n g l ea n d n e t w o r ka c c e s sc o n t r o ls y s t e m ，r e f e r st os o m ek i n d so f d e s i g ns t a n d a r d s ，e x p o u n d st h ek e r n e lh a r d w a r eo fa c s ，i n c l u d i n gt h eh a r d w a r eo f t h ec o n t r o l l e ra n dt h et r a n s i t i o nc i r c u i tb e t w e e nr s 4 2 2a n dr s 2 3 2s i g n a l s a c c o r d i n gt ot h ed e v e l o p m e n td e m a n d ，t h ea c c e s sc o n t r o ls y s t e md e s i g n e dc a n d i s c e r nt h ei cc a r da c c o r d i n gt ot h ei n f o r m a t i o no ft h en u m b e r sa n dv a l i d i t yo ft h e c a r d so ni t ss t o r a g ec h i pw i t h o u tc o m m u n i c a t i n gw i t hp c c e r t a i n l yi tc a l la l s o w o r kw e l lc o m b i n i n gw i t hp c f o rs a v i n gt h ee x p e n s e so fe q u i p m e n t s ，t h i ss y s t e m g r a n t sc a r d sb yt h ea i do fs o f t w a r e a i m i n ga tt h em a n a g e m e n tc o n v e n i e n c eo ft h e s t a f fa n dc a r d s ，t h es y s t e mb u i l tad e s kd a t a b a s eo np c ，w h i c hi se x p o u n d e di nc h a p t e r 4 t h ed e s i g n e da c si sc o m p o s e di nt h en e tb yr s 4 2 2b u s ，a n dc o m m u n i c a t e sw i t h p cb yc a l l i n gt h ef u n c t i o n si nt h ed y n a m i cl i n kl i b r a r yo ft h es e r i a lc o m m u n i c a t i o n w i t ht h eh e l po ft h et r a n s i t i o nc i r c u i tb e t w e e nr s 4 2 2a n dr s 2 3 2 一s i g n a l s t h e m u l t i - t h r e a dc o m m u n i c a t i o ni se x p o u n d e di nc h a p t e r5 c h a p t e r 6d i s c u s s e st h es o a k a r ep 3 f to ft h ea c c e s sc o n t r o ls y s t e m t h em a i n p r o c e s s ，t h ei n t e r r u p ts u b p r o g r a mo ft h ec a r dr e a d e ra n dt h ei n t e r r u p ts u b p r o g r a m s e r i a lc o m m u n i c a t i o no ft h ec o n t r o l l e ra r ee x p o u n d e d i np cw o r k s t a t i o n ，s e r i a l c o m m u n i c a t i o np r o c e s sa n dm a n a g e m e n tm m ia r ea l s oi n t r o d u c e d t h el a s t c h a p t e rg i v e st h ec o n c l u s i o na n dp o i n t so u tt h em e n dp a r t s ，t h e d e v e l o p m e n td i r e c t i o no f a c s i nt h ef u t u r e w a n gg a n g ( m e a s u r e m e n tt e c h n i q u e & a u t o m a t i o ne q u i p m e n t ) d i r e c t e db yp r o lz h e n gh u a y a o k e y w o r d s ：a c c e s sc o n t r o ls y s t e m ，s e r i a lc o m m u n i c a t i o n ，d a t a b a s e ，d y n a m i cl i n k l i b r a r y 论文独创性声明 本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。论文中除了特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人 或其他机构已经发表或撰写过的研究成果。其他同志对本研究的 启发和所做的贡献均已在论文中作了明确的声明并表示了谢意。 作者签字：圣因! 1日期：坯：厶：z 里 论文使用授权性声明 本人同意上海海事大学有关保留、使用学位论文的规定。即： 学校有权保留送交论文复印件，允许论文被查阅或借阅；学校上 网公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或者其他复 制手段保留论文。保密的论文在解密后遵守此规定。 作者签字：；皿导师签字：二丕弊日期：上盟 1 1 课题的背景 第一章绪论 当今社会是科学技术日新月异、飞速发展的信息时代。人们正感受着高科技 带来的极大方便和益处，同时，人们对于高科技服务于生活的要求也越来越高。 但随着科技的发展，运用高科技手段进行盗窃、抢劫和间谍等犯罪行为层出不穷。 人们企盼着更可靠更安全的、与时俱进的安全防范措施，以有效的阻止这些犯罪 行为的侵犯。 自古以来人们使用普通门锁来保护室内财产安全、控制人员进出的安防方式 已经沿袭了几千年，这种安防措藏始终离不开一把金属钥匙。但是钥匙多了就繁 琐累赘，并且易被复制、丢失、生锈。传统的门锁已经在很大程度上不能满足现 代安防的需要，为从根本上改变这种落后的局面，智能门禁系统在千呼万唤中应 运而生。智能门禁系统是一种综合性的多学科的高科技技术集合，它是在电子、 机械、计算机技术、通信技术等诸多新技术的基础上开发出来的。 智能门禁系统将智能卡与锁有机结合，进而由智能卡代替钥匙，配以电脑， 实行智能管理，有效的解决了传统门锁的多种不足。目前结合小区、工厂、机关 等部门智能化管理的特点，将其中的大门、单元门、一些特殊门( 重要的设旌问、 会议场所的一系列门等) 选择为智能卡门禁系统，已经取得了较好的经济和社会 效益。 目前智能门禁系统已成为发达国家和地区最主要的安防系统之一，和 传统的安防设备不同，它变被动的监控和报警为主动的控制，起到更高的 安全作用。因此，智能门禁系统在安防设备领域中独领风骚。据美国权威 机构调查统计结果：美国门禁设备销售占整个公共安全行业市场销售额的 5 7 8 ，闭路电视监控及其它报警设备销售总额仅占3 9 2 ，另外台湾安全 器材市场年度调查报告中，门禁系统销售增长率为2 5 ，高出其它保安设 备增长率十几倍。 随着人们对门禁系统性能各方面要求的不断提高，现在智能门禁系统的应用 范围越来越广泛。人们对智能门禁系统的应用已不再局限于单一的出入口控制， 而且还要求它不仅可应用于智能大厦或智能小区的门禁控制、企业的考勤管理、 安防报警、停车场控制、电梯控制、楼宇自控等，还能与其它联动控制设备等一 起构成多种控制功能的系统。 i 2 门禁系统的发展 智能门禁系统是在传统门锁的基础上发展而来的。后者仅仅是单纯的机械装 置，无论结构设计多么合理，材料多么坚固，人们总能通过各种手段把它打开。 在出入人很多的通道( 像办公室，酒店客房) 钥匙的管理很麻烦，钥匙丢失或人 员更换都要把锁和钥匙一起更换。为了解决这些问题，就出现了电子磁卡锁，电 子密码锁，这两种锁的出现从一定程度上提高了人们对出入i z l 通道的管理程度， 使通道管理进入了电子时代。 随着电子芯片的高度集成化，智能门禁系统得以面世。身份识别技术的发展， 更使智能门禁系统的功能变得越来越完善，而且越来越容易操作。以下是门禁系 统的发展过程。1 ： 第一代门禁：单一的键盘输入密码方式常常会有因忘记密码而被拒之门 外尴尬的事时有发生： 第二代门禁：接触卡式门禁系统，例如： 1 ) 磁码卡它是把磁质贴在塑料卡片上制成的。磁卡可以改写，应用方便。 其缺点是易消磁，易磨损： 2 ) 铁码卡这种卡片中间用特殊的金属线排列编码，采用金属磁烧的原理 制成，不易被复制。铁码卡可有效的防磁，防水，防尘，是安全性较高的一种卡。这 种系统虽然有些改进，但是如果卡片不小心被消磁或弄脏，进入人员将被拒之门 外。 第三代门禁：感应卡即非接触式i c 卡门禁 一般指无源i c 卡：卡片采用了先进的半导体制造技术和信息安全技术，利用 电子回路及感应线圈在读卡器本身产生的特殊振荡频率，当卡片进入读卡器能量 范围时产生共振，感应电流使电子回路发射信号到读卡器，经读卡器将接收的信 号转换成卡片资料，送到控制器进行判断、决策。 第四代门禁： 生物辨识系统：它包括指纹机，掌纹机，视网膜辨识机和声音识别以及人脸识 别装置等。这些门禁通常用于对安全性要求较高的出入口控制系统，视网膜辨识 机和声音辨识装置在正常情况下安全性极高，但若视网膜充血或病变以及感冒等 疾病会影响使用“。 以上几代门禁系统中，磁码卡价格便宜，仍被使用：铁码卡和感应式保安性能 好，在国外比较流行：生物辨识技术安全性极高，价格也高，一般应用在军政要害 部门或银行黄金库等场所“儿。因为非接触式i c 卡门禁的优良性能，是目前在智 能门禁系统中应用最为广泛的一种。 1 3 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( h i d ) 、西屋( w s e ) 、洛泰克( n t k ) ，以色列的d d s 、英 国的集宝等品牌。国内从事门禁系统有捷顺、北京青云等公司。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，其价格也将不断降低”，。 生物特征识别技术将会更加注重安全性、便携型、精确性、鲁棒性和可用性。 核心算法研究方面，在指纹识别技术研究继续深入的同时，面像、虹膜识别技术 也将会加速发展，新式的识别技术，如静脉识别等，也会不断产生。核心技术研 究将更加关注不清楚部分或难以采集的特殊特征的处理方式，大规模数据库快速 检索和数据挖掘方法也j 下在加速研究中”1 。 目前国外生产的门禁系统安全性较高，但是价格昂贵，感应式门禁系统控制 器的价格从4 0 0 0 到3 万元不等，包括读卡器、门锁、控制器、软件在内的一套 系统报价在万元左右。国内生产的感应式门禁系统和指纹门禁系统价格较国外同 类产品价格低大约1 0 一5 0 左右。但系统的可靠性稍差一些。 1 4选题的意义 3 目前，智能化己成为自动化领域各种新技术、新方法、新产品的发展趋势与 显著标志，智能功能迅速扩展到仪器、仪表、设备，甚至整个大系统。它不仅深 入工业控制，也深入军事、商业、农业和建筑业，其中包括计算机控制、计算机 管理、计算机辅助设计与生产过程自动化等各个领域。 智能门禁系统属于智能弱电系统中的一个安防系统。现在的建筑物内的主要 管理区、出入口、电梯厅、设备控制中心机房、贵重物品的库房等重要部门的通 道口都需要加强安防工作，这都需要开发与之需要相应的智能门禁系统，从而实 现对出入口的控制。不过到目前为止，虽然我国在1 9 9 3 年已经建立了“金卡工 程”，但是对于高端c p u 卡和非接触i c 智能射频卡的制卡技术以及相应的读 写卡设备技术，仍处于落后状态。这极大的制约着我国i c 卡事业的发展，制约 着我国“金卡工程”的实施“3 。智能门禁系统的使用在国内还处于发展时期。 正是在这种背景下，本课题在介绍了智能建筑中的弱电系统的基础上，具体 分析研究了其中的一个重要部分一安防系统。安防系统作为居民人身和财产安全 的重要手段，其研究结果具有深切的实际意义。 1 5 本文的主要研究内容 第二章非接触i c 卡门禁系统概述。介绍了非接触i c 卡的特点和优势，门 禁系统的概念、原理以及本门禁系统的单机应用方案和联网应用方案。 第三章控制器硬件电路设计。详细介绍了控制器硬件电路的各个部分的设 计，存储电路、r s 4 2 2 接口电路、看门狗电路、r s 4 2 2 - - r s 2 3 2 转换电路等。 第四章数据库系统设计。介绍了数据库的概念、数据库的选择以及数据库 的引用。重点介绍了v b 对数据库的访问。 第五章串行通信动态链接库函数设计。介绍了动态链接库的概念、原理以 及使用动态链接库的优点，重点介绍了多线程串行通信的实现。 第六章系统软件设计。主要介绍控制器软件设计和上位机串行通信程序的 实现。最后介绍了门禁系统管理软件的界面。 第七章结论与展望。总结了本门禁系统的特点，对门禁系统的发展做出合 理的展望。 4 第二章基于非接触i c 卡的门禁系统概述 2 1 非接触式i c 卡( 射频卡) 简介 非接触式i c 卡( 又称射频卡) 是 9 0 年代初发展起来的新技术，它成功 地将射频识别技术和i c 卡技术结合起 来，解决了无源和免接触难题。射频 ； 卡无需专门的供电电源，它与读写器 间无机械接触，避免了接触故障；它 的表面无裸露芯片，可防水，且不易产生静电击穿及弯曲损坏等问题；射频卡使 用时没有正反面，而且非接触式i c 卡具有可靠性高、使用方便、操作速度快等 特点。非接触式i c 卡如上图所示。 非接触式i c 卡由感应天线、控制芯片、存储单元组成，并完全密封在一个 标准p v c 卡片中，无外露部分。非接触式i c 卡的读写过程，通常由非接触式i c 卡与读写器之间通过调制的射频信号来完成。 非接触式i c 卡本身是无源体，当读写器对非接触式i c 卡进行读写操作时， 读写器发出的射频信号由两部分叠加组成：部分是电源信号，该信号由卡接收 后，与其本身的l c 产生谐振，产生一个瞬间能量来供给芯片工作。另一部分 则经解调后，控制芯片完成密码验证、数据的读取、修改、存储等，并返回给读 写器。由非接触式i c 卡所形成的读写系统，无论是硬件结构，还是软件控制的 操作过程都得到了很大的简化，同时借助于先进的管理软件和网络支持可在很多 领域得到应用p 1 。 非接触式i c 卡与传统的接触式i c 卡相比，它在继承了接触式i c 卡的优点 的同时，如容量大、安全性高外，又克服了接触式i c 卡所无法避免的缺点，如 读写故障率高，由于触点外露而导致的污染、损伤、磨损、静电以及插卡不便、 易受恶意攻击等。非接触式1 c 卡完全密封的形式及无接触的工作方式，使之不 受外界不良因素的影响，从而使用寿命完全接近i c 芯片的自然寿命，因而卡本 身的使用期限以及操作的便利性都大大的高于接触式i c 卡。可见，非接触式 i c 卡存在着磁卡和接触i c 卡无可比拟的优点，使之一经问世，便立刻引起了世 界广泛的关注【1 0 】。同时，国际标准i s 0 1 0 5 3 6 和i s 0 1 4 4 4 3 阐述了对非接触式i c 卡的有关规定，将使非接触式i c 卡发挥更大的应用潜力1 1 1 2 1 。毫无疑问，集众 家之大成的非接触式i c 卡将在身份识别、金融、电子货币、公共交通、智能楼 宇、小区物业、社会保障等诸多领域独领风骚。 2 2 门禁系统概述 2 2 1 门禁系统的概念 门禁系统，即出入口门禁系统，是对出入口通道进行管制的系统，该系统控 制各类人员的出入以及他们在相关区域的活动【1 3 】。其控制的基本原理是：按照 人的活动范围，预先制作出各种层次的卡或预定密码。在相关的大门、档案室门 等处安装读卡器，持卡者把自己的卡片放到读暑器上识别，读卡器把读到的卡号 等信息发送到控制器，经控制器判断，如身份符合，门锁就丌启，否则就报警。 通过门禁系统，可有效控制人员的活动。目前它是解决重要部门出入口实现安全 防范管理的有效措施。适用各种机要部门，如银行、宾馆、机房、军械库、机要 室、办公间、智能化小区、工厂等。 2 2 2 门禁系统工作原理3 】 本系统采用感应式技术，或称作射频识别技术，是一种在卡片与读卡器之间 无需直接接触的情况下即读取卡上信息。在感应式技术应用中，读卡器不断通过 其内部的线圈发出一个电磁场( 激发信号) 。当一个感应卡放在读卡器的读卡范 围内时，卡内的线圈在激发信号的感应下产生出微弱的电流，作为卡内一个小集 成电路的电源，而卡内的集成电路存储有制造时输入的唯一的数字辩识号码 ( i d ) ，该号码从卡中通过解调信号( 接收信号) 传输回读卡器。读卡器将收到 的无线信号按一定的格式传回给控制器，由控制器处理、检错和转换成数字信号， 控制器然后把这个数字辩识号码( i d ) 送给控制器上的微处理器，由它作出决策。 使用感应式读卡器，不再会因为接触摩擦而引起卡片和读卡设备的磨损，也无需 将卡塞入孔内或磁槽内刷卡。卡片只需在读卡器的读卡范围内晃动即可。 6 2 2 3 门禁系统的组成“3 1 5 1 门禁控制系统一般有出入口目标识别子系统( 读卡器) 、出入口信息管理子 系统和出入口控制执行机构三部分组成，如下图2 1 所示： 信息管理子系 控制执行机构 目标识别 子系统 图2 1门禁系统组成框图 ( 1 ) 系统的前端设备为各种出入口目标的识别装置和门锁启闭装置。包括识 别卡、读卡器、电子门锁、指示信号和警号等。主要用来接受人员输入的信息， 再转换成电信号送到控制器中。同时根据来自控制器的信号，完成开锁、闭锁、 报警等功能。 ( 2 ) 控制器接受底层设备发来的相关信息，同自己存储的信息相比较以作出 判断，然后再发出处理的信息。当然也接受控制主机发来的命令。单个控制器可 以组成一个简单的门禁系统来管理一个门或多个门。多个控制器可以通过通信网 络同计算机连接起来就组成了可集中监控的门禁系统。 ( 3 ) 管理计算机( 上位机1 装有门禁系统管理软件，它管理着系统中所有的控 制器，向它们发送命令，对它们精心设置，接受发来的信息，完成系统中所有信 息的分析与处理。 2 2 4 门禁系统的功能 ( 1 ) 管理各类进入人员并制作相应的通行证，设置各种进出的权限。 7 ( 2 ) ( 3 ) ( 4 ) ( 5 ) ( 6 ) 对某时间段出入的人员或某人的出入情况实时统计、查询和打印。 在特殊数情况下，可以使用上位机命令开门。 凭有效的卡片，代码和特征，根据其进出权限允许进入或拒绝进入。属 于黑名单者将报警。 系统的控制器可以通过总线的方式与控制中心连接，记录所有合法进入 人员的信息，包括人员的姓名、进入时间和出门时等。 根据需要，系统可以外接密码键盘输入，以及摄像机等设备。 2 3 本门禁系统的设计方案 本门禁系统主要设计目标是，设计一种具有对人员进出授权、记录、查询和 统计等多种功能，还可作为人事管理、考勤管理等使用，可与任何机电设备产品 及控制系统配合使用的智能卡门禁系统。本门禁系统既能方便内部人员的自由出 入，又能杜绝外来人员随意进出，提高安全防范能力。以下是本设计的智能卡门 禁系统的单机应用的框图，如图2 2 ： 开门 电控锁 图2 2 单机应用的框图 本门禁系统共有五部分组成：主控计算机及门禁管理软件、r s 2 3 2 - r s 4 2 2 4 8 5 转换器、门禁控制器、读卡器以及电子锁等执行机构组成，所有的门禁装置可以 组成一个总线型的拓扑网络，主机和各个节点的门禁控制器之间采用r s 4 2 2 的 凰由 全双工通信方式。 本门禁系统是一种总线型有线传输出入1 ：3 控制系统，本门禁系统系统可以采 用r s 4 2 2 4 8 5 总线型网络组网。其信号传输方式采用r s 一4 8 5 4 2 2 方式，系统网 络的传输有效距离为1 2 0 0 米以内，如需延长则增加中继信号放大器即可。 r s 一4 8 5 4 2 2 方式传输的信号到达信号转换器后，由信号转换器转换为标准的 r s 一2 3 2 信号，与计算机串行口连接。如下是本门禁系统的联网图，如图2 3 ： 2 4 本门禁系统特点 图2 3 联网应用方案图 可以通过系统打丌某个门或所有门； 员工或住户的个人识别卡读卡后，经系统认可方能打丌门 系统实时显示当前所有门的进出情况； 可以针对某张卡进行统计查询： 建立用户数据库，使之与个人识别卡进行一一对应： 建立操作者权限控制等级，以便于多级安全管理； 可以通过系统软件来查询哪些人( 卡) 能打开该门： 系统对设备的故障进事实监控，以便维护人员及时维护： 对于某些特定门，在进行读卡操作时可以进行可闻可见报警，可以驱动某些 继电器，以驱动某些c c 9 摄像机等： 2 5 系统设计所遵循的规范 智能建筑设计标准( d b j 0 8 4 7 9 5 ) 商用建筑线缆标准( e i a t i a 一5 6 9 ) 民用建筑电气设计规范( j g j t 1 6 9 2 ) 工业电视系统工程设计规范( g b j l l 58 7 ) 电气装置安装工程施工及验收规范( g b j 2 3 9 0 ，9 2 ) 民用闭路监视系统工程技术规范( 6 8 5 0 1 9 8 9 4 ) 安全防范工程程序与要求( g a t 7 5 9 4 ) 建设部城镇建设行业标准建设行业i c 卡应用管理技术要求草案 0 第三章门禁系统硬件电路设计 控制器电路是门禁系统的核心，由一台微处理机以及相应的外围电路组成。 如果将读卡器比作系统的眼睛，将电磁锁比作系统的手，那么控制器就是系统的 大脑，由它来辨别是否为本系统已注册的有效卡，该卡是否符合所限定的时间段， 从而控制电磁锁是否打开。 目前国内大部分门禁系统大都是采用单片机控制，本门禁系统采用a t 8 9 c 5 2 单片机作为控制器，用其自身带的串行口实现门禁系统和上位机的通信。但是有 些场合门禁系统现场离上位机有一定的距离，本系统采用了传输距离较远的 r s 4 2 2 接口。上位机本身不带有r s 4 2 2 接口，要实现门禁系统和上位机的通信， 必须设计相应的转换接1 ：3 电路。本章具体介绍门禁系统硬件各个部分的设计、 a t 8 9 c 5 1 单片机串行通信接口r s 4 2 2 接口的实现，以及r s 4 2 2 和r s 2 3 2 接口转 换电路的设计。 3 1a t 8 9 c 5 2 单片机简介1 6 1 本系统采用a t m e l 公司生产的a t 8 9 c 5 2 单片机作为微处理器。a t 8 9 c 5 2 与m c s 5 1 系列单片机完全兼容，它采用静态时钟方式，可以大大节省耗电量。 a t 8 9 c 5 2 是一个低电压，高性能c m o s8 位单片机，片内含8 kb y t e s 的可反复擦 写的f l a s h 只读程序存储器和2 5 6b y t e s 的随机存取数据存储器( r a m ) ，功能强 大的a t 8 9 c 5 2 单片机已经应用于较复杂的系统控制场合。 p d l p 封装的a t 8 9 c 5 2 有4 0 个引脚，3 2 个外部双向输入输出( f o ) 端口， 同时内含2 个外中断口，3 个1 6 位呵编程定时计数器，2 个全双工串行通信口，2 个读写口线，a t 8 9 c 5 2 可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。 图3 1a t 8 9 c 5 2 p d i p 封装图 a t 8 9 c 5 2 有p d i p 、p q f p t q f p 及p l c c 等三种封装形式，以适应不同产品 1 l ol34j6rt o l 2 e 4 5 b t 2 l s i ， l l ；mm瓤hh碓蹦艇蛐胁mmmm_芝m胁mm， 2 d d 一0 一l qlrd 删 啪砌旆|罾nn贰面 帅 的需求。如图3 _ 1 是本系统中用到的p d i p 封装的外观图。 a t 8 9 c 5 2 的主要性能和参数： 与m c s 一5 1 单片机完全兼容的指令和引脚排列以及工作特性 片内程序存储器内含8 k 可重复擦写的f l a s h 程序存储器，可擦写寿命为 1 0 0 0 次 片内数据存储器内含2 5 6 字节的r a m ， 3 个可编程的1 6 位计数器( 定时器) 和3 2 个可编程i o 口线 串行口是具有一个全双工的可编程的串行通信口 中断系统是具有8 个中断源、6 个中断矢量、2 个优先权的中断机构 低功耗模式有空闲模式和掉电模式 编程频率是3 - 2 4 m h ，编程启动电流是l m a a t 8 9 c 5 2 的工作电压是5 ( 1 + 0 2 ，v ，典型值为5 v 3 2 电源电路设计刀 本门禁系统工作时，需要+ 5 v 的稳压电源，为了使系统的轻巧、便捷，控制 器电路设计时没把线圈和整流桥部分设计到控制板上，将2 2 0 v 的交流市电经过 变压后生成1 2 v 直流电源，然后再接入到控制板的电源变换电路。其中电路原理 图如图3 4 所示： 图3 2 电源电路原理图 上面的1 2 v 的电源用于驱动发生动作的继电器和产生报警的蜂鸣器a 3 3r s 4 2 2 通信电路设计 1 2 3 3 1r s 4 2 2 标准1 1 5 1 3 0 l r s 4 2 2 是一种以差动平衡方式传输的标准，所谓平衡，是指双端发送和双端 接收，所以传送信号线要用两条线a a 、和b b 、，发送端分别采用平衡发送器和差 动接收器，如图3 3r s 4 2 2 典型接线图所示。这种标准的电气特性对逻辑电平的 定义是根据两条传输线之间的电位差来决定的，当a a 、线比b b 、线的电平低于一2 v 时表示逻辑电平1 ，当a a 、线l l b b 、线的电平高于2 v 时，表示逻辑电平1 0 ”。 很明显，这种方式和r s 2 3 2 采用单端接收器和单端发送器，只用一条信号线传输 信息，并且根据该信号线上的电平相对于公共信号地电平的大小来决定逻辑电平 的“1 ”和“0 ”是不同的。r s 4 2 2 电路有发送器，平衡连接电缆，电缆终端负载 以及接收器组成。它通过平衡发送器把逻辑电平变成电位差，完成始端的信息传 输，通过差动接收器把电位差转换为逻辑电平，实现终端的数据接收，r s 4 2 2 采 用了双线传输，大大增强了抗共模干扰的能力，因此最大传送速率可以达n l o m b i t s ( 传送距离是1 5 m 时1 。若传送速率能降到9 0 k b j t s 时，则最大传输距离可以 达至r j l 2 0 0 m 。该标准规定了电路中只能有一个发送器，可以有多个接收器，所以 可以组成网络。该标准允许驱动器输出为2 v ，6 v ，接收器输入电平可以低到 _ + 2 0 0 m v 。 图3 3r s 4 2 2 典型接线图 本门禁系统采用r s 4 2 2 串行总线的主要原因是，考虑到门禁系统控制电路有 时距离上位机的距离很远，从而抛弃 r s 2 3 2 的技术路线，采用r s 4 2 2 。其中电 路图的原理图如图3 4 所示 1 9 】： 图3 - 4r s 4 2 2 通信电路原理图 本系统所用的r s 4 8 5 的收发器是m a x i m 公司的m a x 4 7 8 。，m a x 4 7 8 是低功耗的 r s 4 8 5 收发器，它的工作电流i c c 为3 5 0 u a ( 最大值) ，这是现有的r s 一4 8 5 收 发器中功耗较小的一种，转换速率限制的输出实际上抑制了数据线终端失配引起 的反射，这样，它可以在更长的电缆上进行准确无误的传输。 m a x 4 8 7 最高可以以2 5 0 k b i t s 的速率进行发送，它是标准的半双工收发器， 为此，在电路设计上要实现全双工的通信线路，使用了两个m a x 4 7 8 。一个专门 接收，另一个专用于发送数据。 m a x 4 8 7 的管脚图如图3 5 所示： 图3 5m a x 4 8 7 的管脚图 管脚的定义如下： r o ：接受器输出 r e ：接收器输出使能为高电平时，r o 为高阻态。 d e ：发送器输出使能为低电平时a 和b 为高阻态。 d h 发送器输入。 a ：非转化接收器输入和非转化发送器输出。 b ：转化接受器输入和转化发送器输出。 3 3 2a t 8 9 c 5 2 串行通信协议1 6 1 1 2 1 1 a t 8 9 c 5 2 的串口是全双工结构，表示可以同时接收和发送。它还具有接收 缓冲功能，在第一个字节从寄存器读出之前，可以开始接收第二个字节。但是如 果第二个字节接收完毕时第一个字节仍未读出，其中一个字节将会丢失。串口的 发送和接收都是通过对s r rs b u f 特殊寄存器的操作进行访问的。写入s b u f 的数据装入发送寄存器，对s b u f 的读操作是对物理上分开的接收寄存器进行访 问的。 a t 8 9 c 5 2 串口有4 种操作模式： 模式0 ： 串口数据通过r x d 进入。t x d 输出时钟，每次发送或接收以l s b ( 最低位) 1 4 作为首位，每次8 位。波特率固定为m c u 时钟频率的十二分之一。 模式1 ： t x d 引脚发送数据，r x d 引脚接收数据，每次数据为1 0 位，一个起始位( o ) ， 8 个数据位( l s b 在前) 以及一个停止位( 1 ) 。当接收数据时，停止位存于s c o n 寄存器的r b 8 内，波特率可变，由定时器1 溢出的速率决定。 模式2 ： ， t x d 引脚发送数据，r x d 引脚接收数据，每次数据为1 1 位，一个起始位( o ) ， 8 个数据位( l s b 在前) ，一个可编程第9 位以及一个停止位( 1 ) 。 发送时，第9 个数据位( s c o n 内的r b 8 位) 可置为0 或1 。例如将奇偶位 ( p s w 内的p 位) 移至t b 8 。接收时，第9 位数据存入s c o n 寄存器的r b 8 位， 停止位忽略。波特率可编程为m c u 时钟频率的1 3 2 或1 6 4 ，由p c o n 内的 s m o d l 位决定。 模式3 ： t x d 引脚发送数据，r x d 引脚接收数据，每次数据为1 1 位，一个起始位( 0 ) ， 8 个数据位( l s b 在前) ，一个可编程第9 位以及一个停止位( 1 ) 。事实上，模 式3 除了波特率外均与模式2 相同。其波特率可变并由定时器1 的溢出率决定。 在以上的4 神模式中，发送过程是以任意一条以写s b u f 作为目标寄存器的 指令开始的，模式0 时接收通过设置r i = 0 以及r e n = i 初始化，其他模式下如 果r e n = 1 则通过起始位初始化。 通信协议 u a r t 模式2 和模式3 有一个专门的应用领域即多机通信。在这两种模式时， 接收为9 位数据。第9 位存入r b 8 。接下来是停止位。u a r t 可编程为：接收到 停止位时，仅当r b 8 = i 时串口中断才有效。可通过置位s c o n 内的s m 2 位来选 择这一特性。下述为多机系统利用这一特性的一种方法。 当主机需要发送一数据给从机时，首先发送一个地址字节对目标从机进行识 别。地址与数据字节通过第9 位数据区别，其中地址字节的第9 位为1 ，而数据 字节的第9 位为0 。s m = i 时，数据字节不会使各从机产生中断，而地址字节则 可以令所有的从机产生中断，这样各从机可以检查接收的数据判断是否被寻址。 被寻址的从机即可以清除s m 2 位准备随后接收数据内容。未被寻址的从机的 s m 2 位仍为1 ，则不理睬随后的数据继续自己的工作。此通信协议在附录早的串 行通信程序中得到实现。 3 4 存储器的扩展 3 4 1 存储器的选型 由于本系统需要存储的卡片的信息很多，并且对于门禁系统来说所要记录的 卡片数越多越好，所以单片机所需的存储空f 司4 2 0 ) r e t u r n1 ； ) c s t r i n gs t r ； s t r f o r m a t ( ”c o m l d , c o m _ p o r t + 1 ) ； i f ( s c _ h c o m c o mp o r t ! = i n v a l i d _ h a n d l e _ v a l u e ) e x i t _ p o r t ( c o mp o r t ) ； 如果串l m l 处于打开状态，则先关闭串口，然后根据新参数打开串i - 1 i f ( ( s c _ h c o m c o mp o r t = c r e a t e f i l e ( s t r , g e n e r i c _ r e a d i g e n e r i c _ w r i t e ，0 ， n u l l , o p e n _ e x i s t i n g 5 _ f i l e _ f l a g _ o v e r l a p p e d ，n u u 0 ) = = i n v a l i dh a n d l e _ v a l u e ) r e t u m l ； ) s c _ e v t c o m _ p o r t = c r e a t e e v e n t ( n u l l , f a l s e ，t r u e ，n u u 0 ； d c bd c b ：定义数据控制块结构 g e t c o m m s t a t e ( s c _ h c o m c o m _ p o r t ，& d c b ) ；读串口原来的参数设置 m e m s e t ( ( b y t e4 ) & d c b ，0 ，s i z e o f ( d c b ) ) ； d c b b a u d r a t e = 9 6 0 0 ；d c b b y t e s i z e = 8 ：d c b p a r i t y = n o p a r i t y ； 设置数据控制结构的各种参数 d c b s t o p b i t s = o n e s t o p b i t ；d c b f b i n a r y = t r u e ；d c b f p a r i t y = f a l s e ； d c b d c b l e n g t h = s i z e o f ( d c b ) ； s e t c o m m s t a t e ( s c _ h c o m c o m _ p o r t ，& d c b ) ；* 口参数配置 s e t u p c o m m ( s c _ h c o m c o mp o r t ，5 1 2 ，5 1 2 ) ；设置缓冲区 c o m m t i m e o u t sc o m m t i m e o u t s ：设置超时结构 c o m m t i m e o u t s r