聯網門禁控制器設計

張小跎++王興隆

摘要：隨著我國城市化建設步伐的加快以及互聯網的廣泛普及，人們對家居安全的要求越來越高[1，2]。由于現有門禁系統具有碎片化、低效等問題，本課題采用聯網形式設計門禁系統，通過采用STM32F芯片等設備，整體設計了安全、聯動、高效的聯網門禁控制系統。

Abstract： With the accelerated pace of urbanization in China and the widespread popularity of the Internet， people are increasingly demanding the safety of home. As the existing access control system has the problem of fragmentation and inefficiency， this topic uses the networking form to design the access control system， through the use of STM32F chip and other equipment， the overall design of a safe， linkage and efficient network access control system.

關鍵詞：聯網；門禁；控制器；安全

Key words： networking；entrance guard；control；safe

中圖分類號：TP368.1；TP277 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）21-0181-03

0 引言

門禁系統是一種新型的公共安全管理系統，集微機自動識別技術和現代安全管理措施為一體，是小區出入口實現安全防范管理的有效途徑，為業主和工作人員提供了方便和安全[3，4]。因此開發聯動、高效、可靠的安防系統已成為目前的迫切需要。

本課題重點針對聯網門禁控制器硬件電路設計方案進行詳細的研究及闡述。聯網門禁控制器用于連接單元總線或小區大門與系統總線之間。其具體功能有總線隔離、信號轉發和音頻視頻通道切換、信號的放大及匹配。通過級聯聯網控制器將單元門連接起來，組成網絡形成片區統一管理。實現了聯網門禁控制器的通信、信息存儲、處理、保存等硬件功能。具有抗干擾能力強、運行穩定、成本較低、聯動性強等優點，使控制器擁有廣泛的應用空間。

1 門禁系統的控制功能

連接于單元總線或小區大門與系統總線之間，其功能為總線隔離，信號轉發和音頻通道切換、視頻通道切換、放大（雙向）及匹配。通過級聯聯網控制器，將單元門連接起來，組成網絡，形成片區統一管理。

1.1 視頻信號切換及放大

單元門口機、小區大門機、大堂管理機的視頻信號經過放大切換到中心樓道內的視頻信號并直接連接到樓道視頻總線，來自聯網總線的視頻信號經過放大切換到單元總線視頻線上。

1.2 音頻信號切換

完成單元門口機、小區大門機、大堂管理機、管理中心機、樓道的音頻信號（雙向信號）切換。

1.3 信號轉發

轉發單元總線的信號到系統總線，系統總線的信號到單元總線；聯網控制器作為通道設備，自動識別相關的轉發信號。相關參數的設置、查看及地址設置、通過和它相連接的單元門口機或小區大門機（不用撥位開關）。

1.4 視頻信號匹配設置

視頻增益補償通過搭接帽以選擇距離（500、300、200m）的方式實現視頻增益調節或自動增益調節。聯網控制器還擁有兩個二個視頻增益調節搭接帽，分別對應主機到系統總線和系統總線到室內機兩個視頻通道，調節增益可提高視頻傳輸距離。

1.5 如果所有單元門口機出故障，則聯網控制器起到樓道管理者作用

即室內機要能呼叫大堂管理機；室內機要能呼叫中心；報警信息要能上報；中心要能查詢留影。

2 系統結構

聯網控制器采用STM32F103RBT6作為控制器的MCU。與同系列產品具有很好的硬件兼容性，內部集成有CAN控制器，同時擁有128KB的FLASH和20KB的RAM。其三種工作模式可以通過ISP進行自由選擇。聯網控制器系統結構圖如圖1。

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本次設計主要通過MCU控制其他設備：由攝像頭等設備提供門禁系統的相關信息，幫助監控人員提高安保水平。

3 各控制單元的設計與實現

3.1 通信接口電路

RS485總線采用平衡發送與差分接收的方式，因此具有抑制共模干擾的能力。RS485總線網絡系統通信具有較高可靠性[5]。故本節采用RS485總線。控制單元主要為控制器的接口電路，包括485接口電路設計與CAN總線接口電路。

SP3485E為半雙工接口芯片低功耗的485總線收發芯片，其真值表及引腳圖如圖2。

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485接口電路：485接口電路采用半雙工接口芯片SP3485E為收發芯片。作為樓道內RS485通信接口的總線分支，連接到RS485通信的主設備上，以實現相互的數據通訊及相互的控制包括對講，監視等功能，終端匹配電阻R88為120Ω，通過搭接冒JP3判斷RS485總線分支是否接入終端匹配電阻。（圖3）

本課題采用CAN接口電路，替換門禁系統中最常用的RS485總線。相比RS485總線，CAN總想具有更好的可靠性與靈活性，并且CAN芯片價格便宜，且技術簡單可靠，性能優于RS485。綜上，本課題采用CAN總線[6]。

CAN接口電路采用TJA1051T/3芯片。作為控制器中CAN通信接口的總線分支，連接于CAN通信的主設備上實現數據的相互通訊及控制。終端匹配電阻R89為120Ω。電路中電阻R93，R99為限流輸入電阻，對TJA1051T/3起保護作用設計阻值為10Ω。電路設計圖如圖4。

3.2 電源電路設計

作為至關重要的電源供給，本課題采用聯網控制通過+35V開關電源給整個系統提供電源電壓，通過MC34063電源管理芯片得到+12V的電壓，為視頻放大器提供工作電壓，同時也為音視頻控制電路中的繼電器提供工作電壓。通過78M05電源管理芯片得到+5V電壓來給485收發器和CAN收發器進行供電。后者通過TLV1117-3.3電源管理芯片得到+3.3V工作電壓，為CPU進行供電。（圖5）

3.3 MCU外圍電路設計

外圍電路包括晶振電路與復位電路。

晶振電路：不同的晶振頻率，所使用的接地電容與并聯電阻是不同的，本次設計所采用的是20pf電容與105Ω電阻。設計電路如圖6所示。

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為了防止隨機斷電做成數據丟失等問題，本課題復位電路采用MAX813L看門狗復位芯片[7]。其中為了防止外界干擾因素的影響，對手動復位引腳/mr進行上拉。確定其電平為穩定狀態。

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3.4 外部擴展RAM

此電路設計主要為防止MCU內部存儲不足設計。擴展FM25CL64，64位非易失性鐵電隨機存儲器。采用SPI快速串行外設接口協議，最大總線傳輸速度可達20M/S，具有完善的寫保護功能。在硬件上可以直接代替EEPROM[8]。此部分主要目的是預備留用。

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3.5 JTAG接口電路

JTAG接口用于Flash編程方法，根據JTAP接口提供的邊界掃描功能，通過PC機并行接口模擬JTAP接口時序，利用微處理器JTAP接口對系統程序存儲器進行編程[9]。用于芯片內部測試及對系統進行仿真和調試。為防止實際應用中存在的不確定性干擾。我們分別對其信號進行上拉和下拉處理。具體電路圖設計如圖9所示。

3.6 音視頻控制電路

控制器音視頻采用拓撲結構。在樓道單元部分和互聯網部分的音頻處理中加入高頻變壓器，起到隔離耦合作用。為了緩解MCU的帶載壓力，通過VLN2003A芯片來設計繼電器驅動電路。

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4 結論

本文通過聯網方式設計出具有高效、安全、聯動的門禁控制器系統。依據實踐經驗，控制器分別采用RS485總線作為通信接口電路、采用TJA1051T/3芯片作為CAN接口電路、采用MC34063電源管理芯片提高安全性、并設計了MCU外圍電路設計及外部擴展RAM，此外添加了JTAG接口用于Flash編程方法。

參考文獻：

[1]韓峻峰，楊敘，潘盛輝，等.基于多傳感器融合技術的模糊舒適度傳感器系統[J].傳感器與微系統，2007，26（1）：60-61.

[2]陳德裕，張憲隸，顧曉濤，等.物聯網下的嵌入式家居安全監控系統設計與實現[J].傳感器與微系統，2012，31（9）：105-108.

[3]游德智.小區嵌入式控制門禁系統的設計[J].科協論壇，2009（7）：121.

[4]張瑩，劉詩斌，劉子懿.基于單片機的數字磁通門傳感器[J].傳感器與微系統，2006，25（7）：46-49.

[5]張芳娥，衡君山，甄換強.RS485總線網絡可靠性研究[J].儀器儀表學報，2006，27（S3）：2458-2459.

[6]侯海嶺，徐平.基于CAN總線的門禁控制系統[J].儀器儀表用戶，2009，16（2）.

[7]黃再銀.帶看門狗和電源監控功能的復位芯片MAX813L[J].電子世界，2003（3）：40.

[8]張坤，張冠男，王樹勛，等.鐵電存儲器FM25CL64在DSP系統中的應用[C].全國單片機及嵌入式系統學術年會，2003.

[9]郭功兵，李學橋.JTAG接口在嵌入式系統中的應用[J].鄭州輕工業學院學報自然科學版，2004，19（1）：70-72.