基于ARM处理器嵌入式门禁控制器的设计

ＡＲＭ开发与应用　中文核心期刊《微计算机信息》（嵌入式与ＳＯＣ）２００８年第２４卷第１０－２期　文章编号：１００８—０５７０（２００８）１０…２　０１４０　０２　

基于ＡＲ　Ｍ处理器嵌入式门禁控制器的设计　Ｄｅｓｉｇｎ　ｔｏ　Ｅｍｂｅｄｄｅｄ　Ａｃｃｅｓｓ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｕｎｉｔ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＡＲＭ　ＣｏｎｔｒｏＩｌｅｒ　（１．西安工业大学；２．西ｊＥ工业大学）吕志刚　，　史忠科　王鹏１毕雪芹ｌ　ＬＶ　Ｚｈｉ－－ｇａｎｇ　ＳＨＩ　Ｚｈｏｎｇ－·ｋｅ　ＷＡＮＧ　Ｐｅｎｇ　ＢＩ　Ｘｕｅ·－ｑｉｎ　

摘要：门禁系统是现代化楼宇所采用的高科技安全设施之一，已成为现代建筑智能化的重要标志。将Ｉ￣Ｃ／ＯＳ—ＩＩ嵌入式操作系统　移植到ＬＰＣ２２１４处理器中，在ＴＣＰＩＰ协议栈的辅助下，实现了具有ＴＣＰＩＰ／ＲＳ４８５双重通信模式的门禁控制器。该控制器在实现　了一般的门禁管制功能的基础上，还具有反尾随、反潜回、反胁迫、远程开门等一系列复杂的功能，满足了不同客户的需求。　关键词：门禁控制器；ＬＰＣ２２１４处理器；￣Ｃ／ＯＳ一Ⅱ操作系统；ＴＣＰＩＰ通信　中图分类号：ＴＰ３１６．２　文献标识码：Ｂ　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｃｃｅｓｓ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｕｎｉｔ　ｆＡＣＵ）ｓｙｓｔｅｍ　ｉｓ　ｏｕｅ　ｏｆ　ａｄｖａｎｃｅｄ　ｓｅｃｕｒｉｔｙ　ｆａｃｉｌｉｔｉｅｓ　ａｃｃｅｐｔｅｄ　ｂｙ　ｍｏｄｅｒｎ　ｂｕｉｌｄｉｎｇｓ，ｗｈｉｃｈ　ｉｓ　ｒｅｇａｒｄｅｄ　ａｓ　ａｎ　ｉｍｐｏ￣ａｎｔ　ｓｙｍｂｏｌ　ｏｆ　ｍｏｄｅｌＴｌ　ｂｕｉｌｄｉｎｇ　Ｓ　ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ．Ｅｍｂｅｄｄｅｄ　ｏｐｅｒａｔｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ｏｆ　ｔｘＣ／ＯＳ－ＩＩ　ｅｑｕｉｐｐｅｄ　ｗｉｔｈ　ＴＣＰＩＰ　ｐｒｏｔｏｃｏｌ　ｉｓ　ｔｒａｎｓｐｌａｎｔｅｄ　ｉｎｔｏ　ＬＰＣ２２１４　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ．ｆｒｏｍ　ｗｈｉｃｈ　ｔｗｏ　ｋｉｎｄｓ　ｏｆ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ｔｙｐｅｓ　ｆＴＣＰＩＰ＆ＲＳ４８５）ａｒｅ　ａｃｈｉｅｖｅｄ　ｉｎ　ＡＣＵ．Ｔｈｅ　ＡＣＵ　ｈａｓ　ｎｏｔ　ｏｎｌｙ　ｎｏｒｍａｌ　ａｃｃｅｓｓ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ．ｂｕｔ　ａｌｓｏ　ａ　ｓｅｒｉｅｓ　ｏｆ　ｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄ　ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ　ｓｕｃｈ　ａｓ　ａｎｔｉ—ｔｒａｉｌ，ａｎｔｉ—ｈｉｄｅ，　ａｎｔｉ—ｉｎ’　ｔｉｍｉｄａｔｅ，ｒｅｍｏｔｅ　ｏｐｅｎ　ｄｏｏｒ　ａｎｄ　ＳＯ　ｏｎ，ｗｈｉｃｈ　ｃａｎ　ｓａｔｉｓｆｙ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｃｕｓｔｏｍｅｒ　Ｓ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ＡＣＵ；ＬＰＣ２２１４　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ；Ｉ￣Ｃ／ＯＳ一Ⅱｏｐｅｒａｔｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ；ＴＣＰＩＰ　

引言　门禁系统，又称出入管理控制系统，是一种管理人员进出　的数字化管理系统。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。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。　本文以实际开发项目为背景，在介绍基于实时操作系统　￣Ｃ／ＯＳ—ＩＩ的门禁控制器硬件设计方案的基础上，简要描述了其　软件的实现过程。　１系统功能　本文开发的门禁控制器具有如下功能：提供ＴＣＰＩＰ、ＲＳ４８５　双重通信方式；提供刷卡、刷卡＋密码、工号＋密码、远程管制等　多种开门方式；实现消防联动、非法入侵、烟雾、红外报警、挂失　报警等多种紧急事件的处理方式；能离线存储５０００个卡号、　４００００条记录、１０００条开门规则；提供反尾随、反潜回、反胁迫、　节假日轮休等用户可选配的复杂管制功能；离线状态下最多可　控制８个门。系统功能原理图如图１所示：　图１门禁控制器系统功能原理图　２硬件设计　２．１　ＣＰＵ模块　ＬＰＣ２２１４是基于—个支持实时仿真和跟踪的１６／３２位ＡＲＭ７　吕志刚：讲师硕士在读博士　基金项目：基于ＣＤＭＡ１Ｘ的远程图像监控系统。　陕西省教育厅自然科学研究专项项目（０６ＪＫ２８２）　ＴＤＭＩ—ＳＴＭ　ＣＰＵ的微控制器，在１４４脚的封装中，可使用的ＧＨＯ　高达７６（使用了外部存储器），功耗极低，具有多达９个外部中断，　特别适用于工业控制、医疗系统、访问控制和ＰＯＳ机。　在本系统中，ＬＰＣ２２１４集成的２５６Ｋｂ韵超大容量ＦＬＡＳＨ　存储器系统，用于存储ｔ￣Ｃ／ＯＳ—ＩＩ源代码及应用程序代码，可实　现在系统编程（ＩＳＰ）和在应用编程（ＩＡＰ）；内部集成的１６ｋＢ的　静态ＲＡＭ则用于局部变量的存储。　２．２数据存储模块　在本系统中，扩展了支持Ｉ２Ｃ总线８Ｋ字节容量ＥＥＰＲＯＭ　存储器一ＦＭ２４ＣＬ６４和２Ｍ字节容量的ＣＭＯＳ多功能Ｆ１ａｓｈＭＰＦ　器件一ＳＳＴ３９ＶＦ１６０，两者都具有掉电后数据不会丢失的特点。　前者用于存储门禁控制器的基本配置信息，例如读卡器启　用状态、胁迫密码、报警定时时间等；后者用于存储卡号、开门　规则、记录等门禁信息。其中，ＳＳＴ３９ＶＦ１６０分为５１２个扇区，每　个扇区有４０９６字节的存储空间。为实现门禁信息的便利存取，　每个卡号、规则、记录各占３２、６４、１２８字节，以保证每页ＦＬＡＳＨ　都能完整地存储以上门禁信息。　２．３时钟模块　在门禁系统中，时间因素是一个非常重要的门禁管制信　息。若当前时间处于允许开门的时间段内，门可以开启；反之则　不可开启。因此，系统扩展了低功耗多功能时钟，日历芯片一　ＰＣＦ８５６３。系统上电后，首先需要读取ＰＣＦ８５６３的时间信息，并　及时校正ＬＰＣ２２１４内部的实时时钟ＲＴＣ单元，以此作为系统　时钟。系统掉电时，使用纽扣电池为ＰＣＦ８５６３芯片供电，保证时　间信息不丢失。　２．４开关量输入，输出模块　本控制器最多可以实现对８个门进行管制，因此所需要的　ＩＯ口众多，该部分用ＬＰＣ２２１４提供的ＧＰＩＯ外扩ＴＰＬ５２１、　ＵＬＮ２８０３等芯片实现。其中，开关量输入２４路（８路接８个门的　门磁信号，８路接８个门的开门按钮，４路接红外信号，４路接报　

１４０—３６０元／年邮局订阅号：８２—９４６　

维普资讯 http://www.cqvip.com ＡＲＭ开发与应用　警按钮），开关量输出ｌ０路（８路接８个门的开锁继电器，２路　接报警继电器）。　

图２数据存储模块、时钟模块原理图　其中，４路报警接入ＬＰＣ２２１４的４个中断引脚。当有报警　事件发生时，触发外部中断，实现对报警事件的快速响应。通过　检测８路门磁信息，不但能得到门实时的开关状态，而且为实　现反尾随功能提供了硬件基础。　２．５外扩ＳＲＡＭ模块　在本系统中，扩展了一个高速的２６２，ｌ４４个字的静态　ＲＡＭ—ＩＳ６１ＬＶ２５６１６，该器件由ＩＳＳＩ的高性能ＣＭＯＳ技术制造而　成，具有功耗低　访问速度快等特点。　系统上电后，先将ＦＬＡＳＨ中存储的卡号、规则信息导入在　ＳＲＡＭ中定义的数组中，当有人提出开门请求时，编程实现卡　号的快速检索和管制信息的快速判断；为实现反潜回、反尾随　等复杂的管制功能，需要为每个卡号在ＳＲＡＭ　中定义相应的标　志位；使用ＩｘＣ／ＯＳ—ＩＩ操作系统建立了多个任务，每个任务都需　要一定量的堆栈支持，而这些堆栈也需要在ＳＲＡＭ中开辟。　２．６通信模块　该模块由两部分构成：读卡器通信模块、Ｐｃ机通信模块。　控制器通过前者获取提出开门请求人员的卡号、工号、密码等　信息，通过后者实现门禁记录的上传、登记卡号、开门规则、控　制器配置等信息的下载。　ＬＰＣ２２１４内部集成两个１６Ｃ５５０工业标准ＵＡＲＴ串行接　口，分别外扩ＭＡＸ３４８５芯片，构成两路４８５通信接口。其中　ＵＡＲＴ１构成读卡器通信模块，用于实现门禁控制器与读卡器的　通信；ＵＡＲＴ０构成一组ＰＣ机通信模块，用于实现门禁控制器　与ＰＣ机的通信。　同时，系统外扩ＲＴＬ８０１９ＡＳ芯片，构成另外一组ＰＣ机通　信模块，在ＴＣＰＩＰ协议栈的辅助下，实现门禁控制器与ＰＣ机之　间的ＴＣＰＩＰ通信。ＰＣ机通信模块具有两种通信方式，在硬件上　采用跳线的方法选择（Ｐ１．０接高电平为４８５方式，接低电平为　ＴＣＰＩＰ方式），满足不同客户的需求。　

３软件设计　系统使用的Ｉ￣Ｃ／ＯＳ—ＩＩ操作系统完成软件部分的开发。ＬＬｃ／　ＯＳ—ＩＩ是一个可移植、可固化和占先式的实时内核，最多可以管　理６４个任务佣户最多可以设计５６任务）　。为实现门禁控制　器各功能之间的协调运转，把系统软件分割成多个任务，任务　分配如下：　ＳｔａｒＬ＿Ｔａｓｋ：用于各芯片的初始仳　桑怍以及翼　的仓峰鞋檗ｌ作；　Ｐｃ　Ｃｏｍｍ　ＴａｓＫ：实现与Ｐｃ机的通信，Ｐ１．０的跳线的状态，　决定采用４ｇ５还是ｔｃｐｉｐ通信；　Ｒｅａｄｅｒ　ＣｏｍｍＴａｓｋ：实现与读卡器的通信，以获取刷卡人　的卡号、工号、密码等信息；　ＩＯＴａｓｋ：用于获取门磁、开门按钮等共２４路输入信息，同　时控制ｌ０路继电器的输出；　ＡＣＵＭａｉｎ　Ｔａｓｋ：这是门禁控制器软件的核心部分。该任务　

首先获取当前刷卡人的卡号、工号、密码等鉴别信息；然后将这　些信息与系统存储的合法信息相比对，若为非法的鉴别信息，不　能开门；若为合法的鉴别信息，则获取该鉴别信息对应的开门规　则，判断当前时间是否处于有效的开门时间段内，若不在有效时　间段内，则不能开ｆ１；若在有效时间段内，并且在没有违反反潜　回、反尾随、反胁迫等复杂管制功能的基础上，可以开门。对于以　上所有管制过程，用户都可以选择是否在控制器中进行记录。　

１ｅ根　Ｉ地址钱　

图３外扩ＳＲＡＭ模块、通信模块原理图　４结束语　实践表明，采用ＬＰＣ２２１４＋ｔｘＣ／ＯＳ—ＩＩ设计的门禁控制器，实　现所有的门禁功能，并已实现批量生产。由于使用了嵌入式操　作系统，功能软件的设计和维护也变得更加方便。该系统具有　鉴别速度快、存储容量大、通信效率高、通用性强等特点，应用　前景十分广阔。　本文作者创新点：将嵌入式技术应用于门禁系统，并实现了　ｔｃｐ／ｉＤ和４８５双重通信功能，在完成一般门禁管制的基础上，实　现了反尾随、反潜回、反胁迫、远程开门等一系列复杂的功能。　经济效益：本门禁控制器已经投入批量生产，用户反映良　好，产生的经济效益在数十万元以上。　参考文献　ｆｌ１邵贝贝．嵌入式实时操作系统ｔｘＣ／ＯＳ一Ⅱ．北京：北京航空航天　大学出版社．２００３．　『２１周立功．ＡＲＭ控制器基础与实践．北京：北京航空航天大学出　版社．２００３．　『３１吴绍根．ＩｘＣ／ＯＳ—ＩＩ在ＬＰＣ　２２１０上的移植实现．微计算机信息，　

２００７，５－２：６２－６４　１邵凯．单机非接触式Ｉｃ卡门禁系统的改进设计研究．微计算机　

信息，２００７，ｔ５－３：５４—５５　’　作者简介：吕志刚（１９＂７８一），男（汉族）　，辽宁盘锦人，西安工业大　学自动化系讲师，硕士（西北工业大学，控制科学与工程专业在　读博士），主要从事嵌入式系统的研究。　Ｂｉｏｇｒａｐｈｙ：ＬＶ　Ｚｈｉ－ｇａｎｇ（１９７８一），Ｍａｌｅ（ｔｈｅ　Ｈａｒｔ　ｎａｔｉｏｎａｌｉｔｙ），　Ｌｉａｏｎｉｎｇ　Ｐｒｏｖｉｎｃｅ，Ｘｉ　ａｎ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｌｅｃｔｕｒｅｒ，　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｔｈｅｏｒｙ　ａｎｄ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｉｎ　Ｅｍｂｅｄｅｄ　Ｓｙｓｔｅｍ　ａｒｅａ．　ｒ７１００３２西安西安工业大学电子信息工程学院）吕志刚　王鹏毕雪芹　（７１００７２陕西西安西北工业大学自动化学院）吕志刚史忠科　（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ＣｏＨｅｇｅ，Ｘｉ　ａｎ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ＂ａｎ　７１００３２，Ｃｈｉｎａ）ＬＶ　Ｚｈｉ－ｇａｎｇ　ＷＡＮＧ　Ｐｅｎｇ　ＢＩ　Ｘｕｅ－ｑｉｎ　（Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，Ｎｏｒｔｈｗｅｓｔｅｒｎ　Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ　ａｎ，７１００７２，Ｃｈｉｎａ）ＬＶ　Ｚｈｉ－ｇａｎｇ　Ｓｍ　Ｚｈｏｎｇ－－ｋｅ　通讯地址：（７１００３２西安市金花北路４号西安工业大学８Ｏ号　信箱电信学院）吕志刚　ｆ收稿日期：２００８．０８．２３）（修稿日期：２００８．１０．０５）