基于非接触IC卡的门禁控制系统设计
【摘要】本设计是一套基于非接触式IC射频卡和单片机的门禁控制系统，上位机通过CAN总线向下位机（单片机）下传各微控制器参数及卡号信息，同时可从下位机上传其记录的流水记录完成进出入的智能化管理。
【关键词】门禁系统;射频卡
1.引言
现代化的企业管理模式和高度科学化的企业管理已成为企业生存的有力保障。企业的公共安全，人员管理和企业保密工作任何一个环节的不慎或失误，都将有可能对企业造成损失。在企业经济效益，科技成果，管理内部事务等一系列问题上，门禁管理系统为企业提供了强有力的保障。
出入口门禁系统顾名思义就是对出入口通道进行管制的系统，它是在传统的门锁基础上发展而来的。传统的机械门锁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口通道的管理程度，使通道管理进入了电子时代，但随着这两种电子锁的不断应用，它们本身的缺陷就逐渐暴露，磁卡锁的问题是信息容易复制，卡片与读卡机具之间磨损大，故障率高，安全系数低;密码锁的问题是密码容易泄露，又无从查起，安全系数很低。同时这个时期的产品由于大多采用读卡部分（密码输入）与控制部分合在一起安装在门外，很容易被人在室外打开锁。这个时期的门禁系统还停留在早期不成熟阶段，因此当时的门禁系统通常被人称为电子锁，应用也不广泛。
最近几年随着感应卡技术，生物识别技术的发展，门禁系统得到了飞跃式的发展，进入了成熟期，出现了感应卡式门禁系统，指纹门禁系统，虹膜门禁系统，面部识别门禁系统，乱序键盘门禁系统等各种技术的系统，它们在安全性，方便性，易管理性等方面都各有特长，门禁系统的应用领域也越来越广。
本设计就是一套基于非接触式IC射频卡和单片机的门禁控制系统，完成对某些重要场所的进出入智能化自动化管理。
2.系统硬件结构
系统设计使用主从CPU结构，这种结构可以减少单个CPU的工作量，提高系统的实时性。系统结构如图1所示。
图1 系统整体
主控CPU负责系统门禁整体调度，采用大容量的RAM和大容量的FlashROM进行扩展，以记录门控信息，同时系统扩展了CAN总线接口与PC机通信，实现了门禁系统的分布式管理。
从CPU用于读取非接触式IC卡的卡号及一些开关量（如超级开门权限），并控制继电器的输出（门锁控制）。
系统主电路使用开关电源供电，为了使通信电路有较强的抗干扰能力，该部分电路电源与系统其它处电源隔离，所以采用DC-DC转换电路给其供电。
为了增强系统的稳定性与安全性，还在系统中加了CPU抗干扰单元电路。具体采用了微处理器监控电路MAX1232，其主要功能包括：
（1）电源监控：电压监测器监控Vcc，每当Vcc低于所选的容限时，就输出并保存复位信号;
（2）按钮复位输入：在PBRST端靠手动强制复位输出;
（3）监控定时器：当系统因干扰或其他原因导致程序“跑飞”，他会给出复位信号并自动恢复运行。
系统时间记录选择了实时时钟芯片DS12887（RealTime Clock）。它可以替代IBM-AT计算机日历、时钟;在无外接电源的情况下，可以稳定工作在十年以上;芯片带有128字节的内部RAM，其中部分RAM可作为用户RAM使用。
系统使用CAN总线与上位PC机进行数据交换，进行门禁控制管理与门禁控制的历史记录。CAN是英文Controller Area Net的缩写，即控制器局域网络，它是主要用于各种过程（设备）监测及控制的一种网络。是一种有效支持分布式控制和实时控制的串行通信网络，CAN总线上任一个节点均可在任一时刻主动向网络上的其他节点发送数据，而不分主从，通信灵活。CAN总线节点在严重错误的情况下，可自动切断与总线的联系，以使总线上的其他操作不受影响，具有高可靠性。CAN总线每帧数据都含有CRC（循环冗余）校验及其他校验措施，采用非破坏性总线仲裁，数据出错率低，纠错能力强。由于以上优点，CAN总线已成为一种总线标准。CAN总线驱动器可以连接至少110个节点，对于楼层或小型建筑用一台PC机（使用CAN接口卡）就可以完成对整个系统的监控管理。
另外，电路设计采用独立的CAN控制器，并使用了CAN控制器接口芯片以增大通信距离，提高系统的瞬间抗干扰能力、保护总线，降低射频干扰（RFI），实现热防护等。为了进一步提高抗干扰措施，在CAN控制器和CAN控制器接口芯片间使用了由高速隔离器件6N137构成的隔离电路。
从CPU与主CPU之间采用串行口进行多机通信，主CPU可以带多个从CPU，方便控制的扩展。
系统读卡器采用WEIGAND26串行数据协议，卡号信息共26位，其中首位与末位为奇偶校验位，剩下24位正好是3个字节的卡号。串行数据最大的优点是距离远，走线少，抗干扰能力强。
为了防止人为破坏，系统中增加了防撬监控电路，采用普通的IO监控，防撬开关或暗导线。
3.系统软件设计
门禁控制系统仅允许注册的用户IC卡，而且赋予不同的权限（如使用时段，使用时间），通过PC机CAN总线下传到主控器的FlashROM中以备校验使用。对于丢失的用户卡给予特殊处理，如列入黑名单，当再次使用时给予报警。对于每次开门打卡都做成流水记录，存放于主控器的扩展RAM中，以备上传到PC机，通过PC机管理记录。
门禁控制系统中PC机是通过CAN卡跟主控器进行数据交换，该部分使用Delphi编写程序，通过调用CAN卡开发商提供的API函数进行，并使用了数据库管理技术。
门禁主控器分主CPU和从CPU两部分，其分别负责不同工作。
主CPU负责整体卡号采集、权限判断、控制调度和与上位PC机进行数据交换。该部分工作过程如图2所示。
图2 主CPU工作过程
（1）系统上电后主CPU便读取硬件所设定主控器的地址（一个CAN驱动器可以驱动110个节点，设定不同的地址），存放于地址缓冲器，以备与上位机通信时主控器身份的识别。
（2）输入输出初始化：该初始化包括RAM存储器初始化、定时器、串行口、CAN控制器等的初始化和对从CPU的初始化。
（3）在以上过程完成后，系统进入主循环：实时监视主控器是否被撬，一旦被撬，马上将系统锁死并报警处理;如果系统正常，将读取卡号并根据权限给从CPU开关锁命令，同时进行流水记录，记录包括卡号、时间等信息。
（4）在系统主循环中，可以随时接收上位PC机的信息并根据要求进行数据交换，通信使用CAN2.0B协议。
图3 从CPU工作流程
从CPU用于读取非接触式IC卡的卡号及一些开关量，通过串行口传到主CPU，并根据主CPU所给的控制要求控制门锁的开关。该部分程序流程如图3所示。
（1）系统上电后从CPU便读取硬件所设定读卡器的地址（一个从CPU可带多个读卡器，设定不同的地址），存放于地址缓冲器，以备与主CPU通信时读卡器身份的识别
（2）输入输出初始化：该初始化包括RAM存储器初始化、定时器、串行口等。
（3）以上过程完成后，系统进入主循环：实时输出主CPU传来的控制信息。
（4）在从CPU主循环中，通过中断读取射频IC卡的卡号，并通过串行口随时传给主CPU，同时通过串行口接收主CPU传来的控制命令。
4.结束语
出入口门禁安全管理系统是新型现代化安全管理系统，它集微机自动识别技术和现代安全管理措施为一体，它涉及电子，机械，光学，计算机技术，通讯技术，生物技术等诸多新技术。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。在数字技术、网络技术飞速发展的今天，门禁技术得到了迅猛的发展。门禁系统早已超越了单纯的门道及钥匙管理，它已经逐渐发展成为一套完整的出入管理系统。它在工作环境安全、人事考勤管理等行政管理工作中发挥着巨大的作用。
参考文献
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作者简介：窦文淼（1984—），女，学士，助教，现供职于桂林电子科技大学信息科技学院，主要研究方向：测控技术与仪器。