门禁控制器的设计与开发

0 引言

    门禁控制器是门禁系统的核心部分。门禁系统的各项功能都是由它直接完成的，如处理读卡器传来的数据流，并按照标准协议把其转换为相应的卡片识别码；接收主机的命令完成实时监控、卡权限下载、设置门禁管理延时、报警联动、控制器复位等操作；缓存刷卡记录及刷卡时间；按照卡的权限开相应的门等。因此，系统对于控制器的设计有较高的要求，硬件与软件要按系统全局最优原则考虑设计。

    本文讨论的控制器采用8位单片机设计，集数据处理、存贮、通讯功能于一块印制电路板上，具有与读卡器终端和通讯口快速拆除的特点。因而，它既可作为一个节点同主机通讯形成主从式总线结构网络，也可以作为一个独立的单片机控制系统，具有一定的灵活性。

1 总体技术要求 

    在门禁控制器的硬件电路设计方面，重点是如何通过单片机的开发实现以下几个功能：读卡器的读卡和开门功能；记录和重要数据的存储功能；精确的时间管理；门状态检测以及在线联网功能。通过需求分析得知，该系统对单片机要求比较高，要求体积小、功耗低、易升级、大容量、抗干扰能力强、使用寿命长、低成本等特点，而且由于其外围器件多，需要的I／0口较多。经过对比SST89系列的单片机，特别适合该系统的开发，芯片管脚图如图1所示。 

图1 SST89558RD管脚图

    为了满足控制器对时钟高精确度的要求，它不仅要求控制器能根据时段属性控制出入口，并能产生相应的动作，而且还要准确记录事件发生的日期和时间。经过精心比较，本系统选用了性价比极高的时钟芯片DS1216D，同时配备电池保证时钟芯片的准确性。

    门禁控制器要求能存储控制方式、卡片表、事件表、时段表、群组表、节假日表等各种信息，这就需要一定容量的存储器。由于这些信息需要随时读写，掉电时又不能丢失，要求门禁系统能够脱机运行，而且控制器能够在脱机的情况下保存一定的事件纪录，当该控制器在线后能够自动上传到控制器。该系统设定控制器能够保存2000件历史事件记录，根据容量计算选用了AT24C1024存储芯片，同时配备电池保持事件的不丢失。系统总框图如图2所示。

图2 门禁控制器系统总框图

2 技术解决途径

2．1 单片机最小系统设计

    最小系统是由保证微处理器可靠工作所必须的基本电路组成的。SSST89E58芯片加上数据存储器AT24C1024(EEPROM)、锁存器及电源电路、晶体振荡器电路、复位电路就构成了本系统的最小系统。另外，在系统掉电情况下为保存重要的数据采集带有时钟(SmartWatch)的锂电池保护器件(DS1216D)作为后备电源，同时也为系统提供了实时时钟。 

    因为时钟频率是决定门禁控制器的CPU运行速度和时序的重要性能指标。本设计采用外部时钟电路。在SST89E58的管脚XTAL1和XTAL2之间接一 个11．0592 Hz的石英晶体，如图3所示。

图3 晶体电路

2．2 时钟系统设计

    在设计中采用DS1216D实时时钟／日历芯片，嵌入锂电池来保护时钟芯片的数据信息不会丢失。所提供的时间信息包括：年、月、日、周、时、分、秒，最小单位是0．01 S；计时工作方式有24 h制和12 h制(AM／PM)两种。

    这部分由2个子程序实现功能，其主要功能完成对DS1216D访问前进行的模式识别过程。识别为正确的模式后就可以读取时间信息。这里的时间信息也是64位串行数据，同样要按照64个循环移位的方式进行，读取时间的顺序依次是：0．01秒、秒、分、时、日、周、月、年。

2．3 波特率的设置

给出串口初始化程序如下：

    INIT：MOV TMOD，#20H；选择定时器T1模式2，计时方式
    MOV TH1，#0F3H；预置时间常数
    M0V TL10F3H
    SETB TR1；启动定时器T1
    MOV PCON，#80H ；SMOD =1
    MOV SCON，#50H；串行口方式1工作
    根据初始化程序，然后进行波特率的计算，

其中： 为定时器 1的计数初值。

2．4 DC-DC双开关电源模块设计

    LM2576直流电源变换器宽电压(12V3A)输入方式，输出2路5VDC分别给CPU提供电源及驱动继电器输出，为无源输入、RS一485通信信号线供电。电源输入输出双向短路、过流、抗雷击保护，防静电、抗干扰性能很强。

2．5 非接触式IC卡读卡器接口设计

    读卡器经WG (wiegand)扩展接口以WG格式向门禁控制器发送卡号，其中通过DO和D1两条数据线和控制器的P1．0和P1．1口相连。发送规则为DO和D1在无信号时同保持高电平，若下一位数据为0，则DO数据线上出现一个50 µs的低电平，D1数
据线上信号保持不变。若下一位数据为1，则D1数据线上出现一个50 µs的低电平，D0数据线上信号保持不变。在50 µs低电平之外，D0和D1始终保持高电平。每一位数据的发送周期为1 ms。

    读卡器的电源也是由门禁控制器提供的，门禁控制器与读卡器之间的连线除电源外还有地线GND，指示灯LED信号，WG信号DO和D1.

2．6 开关量输入输出隔离模块设计

    4路开关量无源触点输入、2路继电器输出和2路开关量输出采用光电隔离方式 。开关量输入主要包括：2个门的开门按钮输入、2门的门磁传感器输入；继电器常开常闭输出本门禁控制器即可接电子阴锁也可接电子阳锁，根据情况灵活配置；2路开关量输出控制读卡器的蜂鸣器和LED灯的显示。

2．7 RS．232和RS485串行通信隔离接口设计

    当门禁控制器非联网工作时，控制器可以作为一个独立的系统使用，控制1至2个门，其卡权限数据是在初始化时计算机通过RS-232串口下载的；联网工作时，控制器通过RS-485接口与控制中心主机实时通信。随时接收主机发来的控制命令如实时监控、卡权限下载、设置门控延时、报警联动、控制器复位(系统自检时用)等。

    RS-232和RS485通讯分别使用MAX487CSA和MAX232AESE，利用跳线方式控制P3．2口的电平来选择使用哪种通讯方式，

3 结 语

    门禁控制器设计的完成，为其门禁管理系统设计奠定了一个基础。但是控制器的设计开发主要还是为门禁系统搭建一个核心平台，真正完成门禁系统的开发还有很长的路要走。另外，随着芯片技术的发展。现在已经开始推广32位的控制系统，以及新的出人口管理理念和外围感应设备。本文研究的基于8位单片机的控制器，仅为以后的开发做好技术储备和
基础。

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