基于SOPC的门禁系统设计

陈建明，孟 晗

(华北水利水电学院，河南郑州450011)

门禁系统是对出入口安全进行管理控制的系统，它不仅可以禁止非权限人员进入，而且可以对部门内部进行有序化管理.随着自动控制技术、现代通信技术和计算机技术的快速发展，门禁系统也需要向更加智能化、网络化和对数据进行集中管理的方向发展，这就需要将更加完善的技术应用于门禁系统中.

指纹因具有生物差异性，在门禁系统中具有广泛应用，但仍存在一定不安全因素，如权限人员被非权限人员尾随或挟持，权限人员未经许可搬走部门重要仪器等.为解决这一问题，在指纹识别后对欲出入人员进行称重，称重结果在一定范围内(该范围可调)的人才可通过受控门，这样有效地防止了尾随和仪器被盗事件的发生，提高了系统的安全性.

为方便后台计算机及时掌握各出入口人员的进出情况，需实现系统的网络通讯功能.一般来说，实现系统的网络通讯功能有如下几种方案:①使用自主编程的TCP/IP协议［1］.利用现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array，FPGA)丰富的 IP 资源和IP复用技术，使用硬件编程语言设计TCP/IP协议的硬件电路.该方法的优点是可裁剪性好，专用性强，缺点是开发难度较高，开发周期较长.②使用操作系统直接入网［2］.即通过在设备中集成操作系统和TCP/IP协议完成嵌入式设备入网要求.③使用硬件固化的 TCP/IP协议栈芯片［3］.考虑到自主编程协议和植入操作系统、TCP/IP协议需要较长的开发周期，采用硬件TCP/IP协议栈W5100芯片实现以太网接口.

门禁系统中有多种传感器信号，如对实时性要求较高的中断信号、受控门的开启状态信号、转栅当前的位置信号等.为保证信号的及时处理和系统的快速运行，处理器选用具有丰富IP资源和并行处理方式的FPGA来实现网络化的智能门禁系统［4］.

1 系统的总体结构

通道分为进门和出门2个方向，各有一个指纹阅读器、信号灯指示状态和电磁铁控制器.门禁控制器将指纹阅读器采集到的指纹信息进行预处理、特征提取和比对，比对通过后发一个信号给数据处理电路.数据处理电路接收到信号后计算AD7705芯片采集到的秤台上人员重量信息，不超过阈值则检测门是否为正常状态，若为正常状态则控制电磁铁执行放行动作，对应信号灯绿灯亮，对受控门的执行器件给出放行命令;如超过阈值，则对电磁铁给出禁行命令.人员进出情况将通过W5100网络传输给后台计算机.采用可编程片上系统(System On a Progra rnmable-Chip，SOPC)配置 Nios II软核处理器，使处理器作为门禁系统CPU控制外设，完成门禁功能，SDRAM存储器和Flash存储器用于存储系统运行过程中的数据和程序，EPCS配置器件用于存储FP-GA的配置数据.系统的硬件结构框图如图1所示.

图1 系统结构框图

2 系统的硬件设计

2.1 NiosⅡ软核处理器的定制

采用Altera公司的EP2C5Q208芯片，嵌入NiosⅡ快速软核处理器，系统时钟为50 MHz，在SOPC Builder中配置的主要资源有Onchip RAM、Onchip ROM、Interval timer、System ID Peripheral、SDRAM 控制器、CFI Controller、W5100 接口、AD7705 接口、指纹接口、PIO.

2.2 AD7705 芯片

采用AD公司生产的16位高性能、低功耗的AD7705芯片，它包括由缓冲器和增益可编程放大器组成的前端模拟调节电路、电荷平衡式调节器以及可编程数字滤波器等，可对来自传感器的微弱信号进行A/D转换.AD7705采用串行接口，选用其主时钟信号MCLK的频率为4.915 2 MHz，FPGA芯片与芯片AD7705的连接如图2所示.

图2 AD7705与FPGA的连接图

AD7705的所有寄存器操作都必须通过写通信寄存器来对其他寄存器操作.通信寄存器中的/DRDY位为数据准备就绪的状态位，低电平时表示转换数据可读取，高电平表示不可读取.但当对通信寄存器进行写操作时，该位必须为“0”.AD7705初始化后，先对通信寄存器进行写操作，设置下个操作对象为时钟寄存器，然后对时钟寄存器设置.同样方法对设置寄存器中的工作模式、校准、增益等参数进行设置，设置完成后将通信寄存器指向数据寄存器，监测DRDY信号状态.当该信号为低时，在MCLK的下降沿时通过DO口读入FPGA芯片中.

2.3 W5100

W5100是WIZnet公司生产的单片网络接口芯片，内部集成10 M/100 M以太网控制器，可以实现没有操作系统的网络连接.支持多种网络协议，系统选用面向连接的TCP协议.

W5100与MCU有直接总线接口、间接总线接口和SPI总线接口3种接口方式.系统采用直接总线接口方式，即使用15位地址线，8位数据线，/CS，/RD，/WR和/INT信号线进行接口连接.W5100的工作时钟为25 MHz，EP2C5Q208的频率为50 MHz，经过一次分频即可为W5100提供工作时钟.

系统中NiosⅡ软核处理器为32位，W5100的数据宽度为8位，系统中主从端口数据宽度不同，必须处理地址对齐问题.主从外设端口使用静态地址对齐，当主端口从从端口读取数据时，从端口的数据位映射到主端口数据的低位，主端口数据的高位补零.

3 系统软件设计

NiosⅡIDE是SOPC系统的软件开发环境，用户通过该软件设计C/C++应用程序代码，使用Alter公司提供的外设驱动程序和硬件抽象层(HAL)快速编写 NIiosⅡ程序，而不需关注低级硬件细节［5］.

为采集到较准确的称重数据，AD7705编程时采用去极值平均滤波法，该算法为:建立一个固定长度的队列，对体重值进行一次新采样时采得该队列长度个数值，先用中值滤波法滤除采样值中的干扰，即剔除队列中的最大值和最小值，再用算术平均法算出余下采样值的平均值就是本次采样的体重值.

考虑到权限人员的体重会发生变化，且仪器的更新也会使得对阈值的需求产生变化，管理人员可根据实际情况随时调节阈值大小，暂设置可通过的体重波动范围为5 kg.在一次“放行”动作完成后，将人员的实时体重及时更新到存储器中.

为便于查看人员出入情况，用VC语言编写了后台计算机的显示界面，如图3所示.

图3 显示界面

4 结语

采用SOPC技术，通过添加NiosⅡ嵌入式内核及外设的硬件配置、编写C应用程序代码，控制AD7705和硬件网络协议芯片W5100完成重量识别和网络通讯的功能，增加了利用指纹识别的门禁系统的安全性.并用VC编程搭建用户界面，实现了智能化、网络化的门禁系统.

［1］陈维良，赵俊超，魏少军，等.TCP/IP协议的ASIC设计与实现［J］.微电子学，2002(2):97－101.

［2］廖凌，刘旭儒，史仪凯.一种基于C/OS－II的嵌入式以太网通信实现方法［J］.计算机测量与控制，2010，18(3):1142－1144.

［3］蒋峰.W5100在远程温度采集系统中的应用［J］.化工自动化及仪表，2011，38(2):214 －217.

［4］任爱锋.基于FPGA的嵌入式系统设计［M］.西安:西安电子科技大学出版社，2004.

［5］周立功.SOPC嵌入式系统基础教程［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2006.