联网门禁控制器设计

摘要：随着我国城市化建设步伐的加快以及互联网的广泛普及，人们对家居安全的要求越来越高[1，2]。由于现有门禁系统具有碎片化、低效等问题，本课题采用联网形式设计门禁系统，通过采用STM32F芯片等设备，整体设计了安全、联动、高效的联网门禁控制系统。

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.

关键词：联网；门禁；控制器；安全

Key words： networking；entrance guard；control；safe

中图分类号：TP368.1；TP277 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）21-0181-03

0 引言

门禁系统是一种新型的公共安全管理系统，集微机自动识别技术和现代安全管理措施为一体，是小区出入口实现安全防范管理的有效途径，为业主和工作人员提供了方便和安全[3，4]。因此开发联动、高效、可靠的安防系统已成为目前的迫切需要。

本课题重点针对联网门禁控制器硬件电路设计方案进行详细的研究及阐述。联网门禁控制器用于连接单元总线或小区大门与系统总线之间。其具体功能有总线隔离、信号转发和音频视频通道切换、信号的放大及匹配。通过级联联网控制器将单元门连接起来，组成网络形成片区统一管理。实现了联网门禁控制器的通信、信息存储、处理、保存等硬件功能。具有抗干扰能力、运行稳定、成本较低、联动性强等优点，使控制器拥有广泛的应用空间。

1 门禁系统的控制功能

连接于单元总线或小区大门与系统总线之间，其功能为总线隔离，信号转发和音频通道切换、视频通道切换、放大（双向）及匹配。通过级联联网控制器，将单元门连接起来，组成网络，形成片区统一管理。

1.1 视频信号切换及放大

单元门口机、小区大门机、大堂管理机的视频信号经过放大切换到中心楼道内的视频信号并直接连接到楼道视频总线，来自联网总线的视频信号经过放大切换到单元总线视频线上。

1.2 音频信号切换

完成单元门口机、小区大门机、大堂管理机、管理中心机、楼道的音频信号（双向信号）切换。

1.3 信号转发

转发单元总线的信号到系统总线，系统总线的信号到单元总线；联网控制器作为通道设备，自动识别相关的转发信号。相关参数的设置、查看及地址设置、通过和它相连接的单元门口机或小区大门机（不用拨位开关）。

1.4 视频信号匹配设置

视频增益补偿通过搭接帽以选择距离（500、300、200m）的方式实现视频增益调节或自动增益调节。联网控制器还拥有两个二个视频增益调节搭接帽，分别对应主机到系统总线和系统总线到室内机两个视频通道，调节增益可提高视频传输距离。

1.5 如果所有单元门口机出故障，则联网控制器起到楼道管理者作用

即室内机要能呼叫大堂管理机；室内机要能呼叫中心；报警信息要能上报；中心要能查询留影。

2 系统结构

联网控制器采用STM32F103RBT6作为控制器的MCU。与同系列产品具有很好的硬件兼容性，内部集成有CAN控制器，同时拥有128KB的FLASH和20KB的RAM。其三种工作模式可以通过ISP进行自由选择。联网控制器系统结构图如图1。

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本次设计主要通过MCU控制其他设备：由摄像头等设备提供门禁系统的相关信息，帮助监控人员提高安保水平。

3 各控制单元的设计与实现

3.1 通信接口电路

RS485总线采用平衡发送与差分接收的方式，因此具有抑制共模干扰的能力。RS485总线网络系统通信具有较高可靠性[5]。故本节采用RS485总线。控制单元主要为控制器的接口电路，包括485接口电路设计与CAN总线接口电路。

SP3485E为半双工接口芯片低功耗的485总线收发芯片，其真值表及引脚图如图2。

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485接口电路：485接口电路采用半双工接口芯片SP3485E为收发芯片。作为楼道内RS485通信接口的总线分支，连接到RS485通信的主设备上，以实现相互的数据通讯及相互的控制包括对讲，监视等功能，终端匹配电阻R88为120Ω，通过搭接冒JP3判断RS485总线分支是否接入终端匹配电阻。（图3）

本课题采用CAN接口电路，替换门禁系统中最常用的RS485总线。相比RS485总线，CAN总想具有更好的可靠性与灵活性，并且CAN芯片价格便宜，且技术简单可靠，性能优于RS485。综上，本课题采用CAN总线[6]。

CAN接口电路采用TJA1051T/3芯片。作为控制器中CAN通信接口的总线分支，连接于CAN通信的主设备上实现数据的相互通讯及控制。终端匹配电阻R89为120Ω。电路中电阻R93，R99为限流输入电阻，对TJA1051T/3起保护作用设计阻值为10Ω。电路设计图如图4。

3.2 电源电路设计

作为至关重要的电源供给，本课题采用联网控制通过+35V开关电源给整个系统提供电源电压，通过MC34063电源管理芯片得到+12V的电压，为视频放大器提供工作电压，同时也为音视频控制电路中的继电器提供工作电压。通过78M05电源管理芯片得到+5V电压来给485收发器和CAN收发器进行供电。后者通过TLV1117-3.3电源管理芯片得到+3.3V工作电压，为CPU进行供电。（图5）

3.3 MCU电路设计

电路包括晶振电路与复位电路。

晶振电路：不同的晶振频率，所使用的接地电容与并联电阻是不同的，本次设计所采用的是20pf电容与105Ω电阻。设计电路如图6所示。

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为了防止随机断电做成数据丢失等问题，本课题复位电路采用MAX813L看门狗复位芯片[7]。其中为了防止外界干扰因素的影响，对手动复位引脚/mr进行上拉。确定其电平为稳定状态。

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3.4 外部扩展RAM

此电路设计主要为防止MCU内部存储不足设计。扩展FM25CL64，64位非易失性铁电随机存储器。采用SPI快速串行外设接口协议，最大总线传输速度可达20M/S，具有完善的写保护功能。在硬件上可以直接代替EEPROM[8]。此部分主要目的是预备留用。

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3.5 JTAG接口电路

JTAG接口用于Flash编程方法，根据JTAP接口提供的边界扫描功能，通过PC机并行接口模拟JTAP接口时序，利用微处理器JTAP接口对系统程序存储器进行编程[9]。用于芯片内部测试及对系统进行仿真和调试。为防止实际应用中存在的不确定性干扰。我们分别对其信号进行上拉和下拉处理。具体电路图设计如图9所示。

3.6 音视频控制电路

控制器音视频采用拓扑结构。在楼道单元部分和互联网部分的音频处理中加入高频变压器，起到隔离耦合作用。为了缓解MCU的带载压力，通过VLN2003A芯片来设计继电器驱动电路。

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4 结论

本文通过联网方式设计出具有高效、安全、联动的门禁控制器系统。依据实践经验，控制器分别采用RS485总线作为通信接口电路、采用TJA1051T/3芯片作为CAN接口电路、采用MC34063电源管理芯片提高安全性、并设计了MCU电路设计及外部扩展RAM，此外添加了JTAG接口用于Flash编程方法。

参考文献：

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