基于CAN总线智能门禁系统的单门控制器设计

孔庆霞

(淮阴工学院 电子与电气工程学院,江苏 淮安 223003)

基于CAN总线智能门禁系统的单门控制器设计

孔庆霞

(淮阴工学院 电子与电气工程学院,江苏 淮安 223003)

针对传统单门密码控制器的不足，将CAN总线技术与红外编码遥控技术相结合，设计一种基于CAN总线智能门禁系统的单门控制器。整个控制器采用STC89C55单片机、外扩展的CAN控制器、数据存储器、实时时钟电路、键盘显示等电路，实现了遥控开锁、实时时钟显示、CAN数据通信与显示，键盘控制、密码修改与保存等功能。基于CAN总线技术的密钥管理功能，使得该控制器的可靠性、实时性更好。

CAN总线；门禁系统；单门控制器；红外遥控；STC89C55单片机

0 引言

与传统的保安设备不同，新一代出入口门禁保安管理系统变被动报警为主动监控[1-2]，其安全性更高，已成为发达国家和地区主要的保安系统之一，相比之下，我国的门禁单门控制器[3]则一般以机械式锁具为主，其密码量少，操作频繁，输入密码不易，钥匙易于复制，另一种键盘电子式的锁具[4]也一般采用固定式键盘，从而导致用户缺少使用隐蔽性。

基于这种现状，本设计实现了基于CAN总线的智能门禁系统的单门控制器，所采用的CAN总线控制方式更加适应门禁系统的需要，通过将开门人信息(如，卡号)等发送到主机，利用主机检查其合法性，从而增加了系统的安全性，也方便主机将开门信息、时间等数据保存以供查询或处理，还可由电脑完成对本地锁具各种参数的设置。总之，采用了CAN总线的设计，将更加利于系统扩充及多级管理。同时，本地的单门控制器还采用了红外线遥控的方式，以红外线作为载波，将指令信号调制到载波上，然后通过红外发射二极管发射出去，接收端则将接收到的调制信号还原出原指令信号，采用这种红外线遥控方式不仅保证控制可靠且能有效隔离电气干扰，除此以外，该系统还可实现计时等扩展功能。

1 系统硬件介绍

整个系统由STC89C55单片机、红外接收电路、RS232/RS485接口电路、IIC存储器、实时时钟电路、看门狗电路、CAN接口电路、点阵LED、4X4键盘电路组成，系统框图如图1所示。

图1 系统原理框图

从图1可见，STC89C55单片机作为系统核心，该单片机是一种低功耗、高性能的8位CMOS微控制器，是由ATMEL公司在8031单片机核心基础上研究，并使用ATMEL公司闪速存储器技术的一种FLASH单片机，其内部功能及引脚与80C51单片机兼容。整个系统可实现遥控开锁、实时时钟显示、CAN数据通信与显示，键盘控制、密码修改与保存等功能。

2 主要硬件电路

2.1 主控电路及CAN控制局域网接口电路

主控电路由STC89C55单片机及SJA1000构成，如图2所示。

图2 主控电路

由图2可见，STC89C55为整个系统的核心，用以负责管理和控制系统资源，其外扩的SJA1000是CAN控制器，用以实现可靠的数据通信。SJA1000是一款独立的控制器[5]，常用于工业环境的局域网络(CAN)控制过程中，是PHILIPS半导体PCA82C200CAN控制器的替代产品，具有如支持11位和29位识别码，位速率可达1Mbits/s等特性，该控制器还增加了一种新的工作模式(PeliCAN),该模式具有可读/写访问的错误计数器，可编程的错误报警限制，最近一次错误代码寄存器，对每一个CAN总线错误的中断，由具体控制位控制仲裁丢失中断，单次发送，只听模式等特性，除此以外，还支持热插拔，验收滤波器扩展，可编程的CAN输出驱动器配置以及增强的环境温度范围等。

整个系统通过CAN总线控制器来实现系统与上位机之间的通讯，用以将开门信息、日期、时间等相关信息传送给微机存储，以供查询或电脑处理，例如，可以实现定期或实时采集每个门的进出资料，并进行汇总、查询、分类或打印等，从而使系统具有更好的可靠性、实时性及应用信息快速交互传递等特点。CAN总线是一种技术先进、可靠性高、功能完善、成本合理的远程网络通讯控制方式，与RS-485性能比较，CAN总线具有系统成本较低[6]，数据传输率高，可靠的错误处理和检错机制，通讯失败率低，网络调试容易，通讯距离可达10Km等优势。相应局域网接口电路如图3所示，其中，TJA1040T为CAN收发器，可以自动调整斜率，无需进行斜率电阻调整。

图3 CAN控制局域网接口电路

2.2 LED显示电路

LED电路如图4所示。整个显示过程采用了动态扫描方式来完成，用以实现对输入密码或各种提示信息的显示，如提示输入的数据信息或数据确认后的密码正确信息，在系统空闲时，还可以显示实时时钟。动态扫描方式可以多路复用，各个显示器共用一个译码器和驱动器，在图4中，所选驱动电路为74HC573。

图4 LED显示电路

2.3 红外遥控接口电路

红外遥控电路主要用以实现对本地密码的输入和接收，利用红外线作为载波，将输入密码数码指令信号调制到载波上，然后通过红外发射二极管发射出去，而接收端在接收到调制信号后，即通过限幅、滤波、解调等过程还原出原数码的指令信号。通用的红外遥控系统一般由发射和接收两部分组成。其中，发射部分包括键盘矩阵、编码调制、LED红外发送器；接收部分包括光、电转换放大器、解调、解码电路等。系统利用单片机的串行接口与红外发射接收电路构成了特定的红外线遥控接口电路，如图5所示。

其中，红外发送电路包括脉冲振荡器、驱动管T1和T2、红外发射管D1和D2、脉冲振荡器由NE555定时器、电阻(R1、R2)和电容(C1、C2)组成，用以产生作为载波信号的38kHz的脉冲序列，红外发射管D1和D2选用Vishay公司生产的TSAL6238，用来向外发射950nm的红外光束。在工作过程中，串行数据由单片机的串行输出端TXD送出并驱动T1管，数位“0”使T1管导通，通过T2管调制成38kHz的载波信号，并利用两个红外发射管D1和D2以光脉冲的形式向外发送。数位“1”使T1管截止，红外发射管D1和D2不发射红外光,若传送的波特率设为1200bps，则每个数位“0”对应32个载波脉冲调制信号的时序。

图5 红外线遥控接口电路

红外接收电路选用了Vishay公司生产的专用红外接收模块TSOP1738。该接收模块是一个三端元件，使用单电源+5V供电，具有功耗低、抗干扰能力强、输入灵敏度高、对其它波长(950nm以外)的红外光不敏感的特点。在工作过程中，首先，通过TSOP1738内部的红外光敏元件将接收到的来自红外发送器的载波频率为38kHz的脉冲调制红外光信号转化为电信号，再由内部的前置放大器和自动增益控制电路进行放大处理，然后，通过带通滤波器进行滤波，滤波后的信号由解调电路进行解调。最后，由输出级电路进行反相放大，由OUT输出引脚输出，经单片机的RXD引脚送至单片机进行处理。

2.4 时钟与数据存储电路

为扩展系统功能，设计在系统空闲时可以显示实时时钟，并可修改其时间，且保证时间掉电不丢失，其中，时钟电路主要采用DS1307电路来实现；另外，为防止密码掉电不丢失，该电子密码锁采用CAN总线芯片作为密匙，用总线接口的EEPROM芯片来完成密码的存储和修改，可掉电保存密码，重要的密码设置数据则存储在24C01中。24C01是一个1K位串行CMOS EEPROM，采用了128个8位字节的先进CMOS技术，从而减少了器件的功耗，其内部有一个8字节页写缓冲器，具有专门的写保护功能，可以通过I2C总线接口进行操作。具体时钟与数据存储电路如图6所示。

图6 时钟与数据存储电路

3 系统软件设计

系统的主程序流程如图7所示。在系统启动时，首先将完成硬件的检查和初始化工作。其中，硬件复位部分主要完成了CAN总线控制器的接口检查工作，所采用的方法是向CAN控制器的测试寄存器写入特定得分的数据并读出，若读出与写入的数据一致，则表明硬件接口正确，则进入接下来的初始化程序，否则，表明硬件检查出错，需进行报错处理。在硬件检查通过后的初始化工作，包括对时间、密码数据、串口、显示器的初始化工作。初始化后即进入主程序循环流程，在主循环中，首先判断有无总线接收标志、总线发送标志或错误标志，若有某个标志，则进行相应处理，然后读取键值，根据读到的键值执行相应键值处理程序，后读取红外密码数据，执行显示以及时间提取程序等。

图7 系统软件主程序流程图

4 结论

针对传统机械式和固定键盘式密码锁的不足，设计了一种基于CAN总线智能门禁系统的单门控制器，将CAN总线技术与红外编码遥控技术相结合，实现遥控开锁、实时时钟显示、CAN数据通信与显示、键盘控制、密码修改与保存等功能。该系统充分利用了CAN总线技术进行数据的交互传递,利用CAN总线芯片作为密匙，用总线接口的EEPROM芯片来完成密码的存储和修改，从而实现了掉电保存密码，同时，锁体采用了高可靠性的单片机来实现，使得整个系统的安全性、稳定性和实用性都大大提高。

[1] 来国军,徐平.基于以太网技术的门禁控制系统[J].装备指挥技术学院学报,2003,14(5):81-84.

[2] 王凯华,康露,陈小平.基于CAN通信的电梯门禁控制器设计[J].微型机与应用,2012,31(21):76-81.

[3] 王汝琳.智能门禁控制系统[M].北京:电子工业出版社,2004.

[4] 张洁,刘苹,冉会中.智能门禁控制器的设计与实现[J].现代电子技术,2012,35(14):14-15.

[5] 王聪,夏青.小区智能门禁管理系统设计[J].电子设计工程,2012,20(14):38-40.

[6] 孙炳阳.基于CAN总线的非接触式IC卡门禁与巡更监察系统[J].计算机工程与应用,2002,(19):243-245.

(责任编辑：尹晓琦)

The Design of Single Door-controller Based on Intelligent Door-entry System through CAN Bus

KONG Qing-xia

(Faculty of Electronic and Electrical Engineering, Huaiyin Institute of Technology, Huai'an Jiangsu 223003, China)

In view of the faults of the traditional single door-controller, a single door-controller based on intelligent door-entry system through CAN bus was designed via combining the CAN bus with infrared coded remote control technology. The controller consisted of STC89C55 single chip, CAN controller, data memorizer, the real time clock, and keyboard display circuit. It could realize the function of remote controlling-unlock, real-time clock display, CAN data communication, keyboard control, and password changing and saving. Based on the function of the key management technology of CAN bus, it made the controller highly reliable and real-time.

CAN Bus; door-entry system; single door-controller; infrared remote control; STC89C55 single chip controller

2015-05-11

淮安市科技支撑计划(农业)项目(SN1161)

孔庆霞(1976-),女,江苏涟水人，实验师,主要从事智能检测与智能控制研究。

TP

A

1009-7961(2015)03-0022-05