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无线电电子与电气工程百科全书 设计自动访问控制系统。 无线电电子电气工程百科全书
如今，电子元件市场为创建各种用途的系统提供了充足的机会。 然而，问题出现了：如何为特定系统选择正确的组件？ 发表的文章讨论了使用广泛可用的廉价组件的自动访问控制系统的设计。 那么从哪里开始呢？ 任何系统的开发都始于一系列必须满足的要求。 对于本文中描述的系统，列表可能如下所示。 系统必须：
让我们定义系统应该包含哪些组件。 为此，请考虑上面列出的要求。 从第 1 段可以看出，需要一根 I/O 线来控制门打开/关闭机构，并需要一台设备来输入标识符。 用户识别技术（第 2 条）的选择会显着影响系统的稳定性（防止第三方通过选择电子密钥/代码访问对象）、易用性（用户在识别过程上花费的时间）、系统本身及其进一步操作的成本等特性。 这里可能的解决方案的示例包括通过键盘输入密码、使用达拉斯半导体公司的磁条卡和 iButton 加密狗 [1,2]。 通过键盘输入密码是最简单、最便宜的实现方式，尽管它不是很方便且不易操作，因为用户可能会忘记密码，或者其他人可能会偷看它。 另外，由于出入场所频繁，输入密码组合需要相当多的时间。 塑料卡使用起来更方便，而且这样的系统更难以“破解”，但是，其实现需要额外的设备来从卡中读取信息，以及向卡中写入信息的特殊设备，这些设备将在添加新用户时使用。 这大大增加了最终系统的成本。 让我们考虑最后一个选项。 iButton 按键是一个集成电路，放置在金属 MicroCan 平板电脑外壳中，直径为 18，高度为 6 毫米。 这种设计制造的产品范围相当广泛：实时时钟、温度传感器、非易失性存储器等等。 一个 iButton 的成本很低（大约 2 美元），而且阅读器的实现也相当简单——事实上，数据总线直接连接到微控制器端口的一根 I/O 线上。 在这种情况下，只需在软件中实现1-Wire协议即可。 使用这种系统的便利性也是显而易见的——为了读取代码，用户只需将“平板电脑”触摸到接触垫即可。 对于所描述的系统，选择了 DS1990 修改版，它除了识别之外不执行任何其他功能，即芯片仅包含一个唯一的代码，可以通过向设备发送特殊命令来读取该代码。 让我们回到功能需求。 从第 3 段可以看出，有必要跟踪时间并记录有关用户访问保护对象的信息。 当然，必须预见到停电，因此时间和日志记录机制必须对此类问题具有鲁棒性。 由于选择 DS1990 作为用户标识符，并且在任何情况下都需要在软件中实现 1-Wire 协议，因此使用另一个 iButton 修改版本 - DS1994 作为实时时钟是有意义的。 该芯片内置锂电池，保证10年运行时间。 为了存储段落日志，选择了 Atmel AT45 的一系列闪存 [3]。 对该类型存储器的数据读/写是通过串行SPI协议进行的，涉及的输入/输出线总数为7。从该系列可用的微电路中选择了存储器容量为45 Mbit的AT041D4。 需要键盘来控制系统设置。 在这种情况下，包含数字 3...4 以及符号“*”和“#”的 0x9 按钮矩阵就足够了。 这样的键盘将需要 3+4=7 条以上的微控制器 I/O 线。 系统中最不需要的就是用于查看通道日志和配置系统的小显示屏。 当前可用的低成本显示器的范围相当广泛，但在我们的例子中，不需要图形输出，因此 LCD 足以显示字母数字信息。 基于 HITACHI HD44780 控制器的 LCD 是当今最流行的 [4]。 它们的特点是易于连接和低成本。 数据通过八位或四位接口传输（取决于所使用的模式），另外还需要三个 I/O 线来传输控制信号。 为了节省I/O线，选择了四位接口，因此控制LCD的I/O线总数也为7。 这样就完成了外设的选择。 现在我们必须选择一个能够有效控制上述所有设备的微控制器。 首先，我们来计算系统中所需的输入/输出线路的数量（表 1）。 获得的结果不是最终的，因为将来（在操作过程中）可能需要额外的输入/输出线，例如连接 LED、动圈扬声器头等。因此，建议选择输入/输出线数量大于表中所示数量的微控制器。 1.
从编程的角度来看，微控制器非常有吸引力，其中实现了所谓的ISP技术（Ip系统编程-在线编程）。 为了将新的程序代码加载到微控制器中，不需要将其从板上移除：编程是通过特殊输出在电路中完成的。 而且，对于某些修改，甚至不需要程序员——“固件”是通过计算机的并行端口进行的。 当然，最可接受的解决方案是在系统中使用这样的微控制器，这不需要额外的固件资金。 为了实现该任务，选用了AT89S8252单片机，该单片机在代码和引脚排列上与8051系列单片机完全兼容，它具有8 KB具有1000次重写周期资源的在线可编程闪存程序存储器、2 KB内置EEPROM（电可擦除可编程只读存储器）、256字节RAM、32条I/O线、24个定时器、12个看门狗定时器，硬件支持SPI接口。 时钟频率 - O...XNUMX MHz（一个机器周期由 XNUMX 个周期执行，因此最大性能为每秒 XNUMX 万次操作）。 选择该特定微控制器的理由如下。 8051 系列微控制器具有丰富的指令集，这有利于它们的低级编程（例如，支持对各个位的操作 [5]）。 ISP技术加速调试并方便开发，硬件对SPI接口的支持使您无需对该协议进行额外编程即可连接所选的AT45系列闪存。 2 KB 内置 EEPROM 可用于存储无论是否存在外部电源都必须保留的信息。 32 个 I/O 线足以实现所描述的系统。 定时器的存在允许灵活地实现 1-Wire 协议，因为它需要精确地观察时间延迟。 看门狗定时器可确保系统在受到强电磁干扰（可能导致控制器死机）时仍保持运行。 看门狗定时器是微控制器中的一个独立子系统，每N个周期检查微处理器状态寄存器中一位的状态。 如果设置该位，则微控制器重置为其初始状态，如果重置，则设置为 1 并且测试停止。 因此，正在执行的程序必须以不超过 N 个周期的间隔重置该位。 如果这种情况没有发生，则意味着微控制器的操作被外部干扰中断，下次看门狗定时器触发时，微控制器将重置为其初始状态。 在继续进行软件实现之前，让我们从执行系统直接功能的有效性的角度再次审视该架构。 设计的系统将支持两种输入信息的方式：使用键盘（用于设置系统、查看通行日志的命令）和通过 1-Wire 接口的接触垫。 由于系统的主要目的是访问控制，1-Wire 焊盘的轮询时间必须超过分配给键盘轮询的时间。 考虑 1-Wire 协议规范，您可以看到可能存在两种根本不同的情况：第一种是线路上只有一个设备时，第二种是当线路上有更多设备时。 为了确定线路上的设备数量及其标识符，1-Wire 协议规范中指定了一种特殊的搜索机制。 它包括在线上设备的连续筛选和地址空间（“按钮”标识符空间）的逐位扫描。此外，在与连接设备的每个通信周期之后必须再次执行此过程（因为它们的组成可能会改变）。 正如已经提到的，我们的系统中规划了一条1-Wire线路，它将用于连接实时时钟和识别密钥，并且作为系统一部分的实时时钟将始终连接。 这意味着我们会遇到这样一种情况：线路上可能有多个设备。 考虑到上述情况以及 I/O 端口空闲线路的存在，在系统中为 1-Wire 协议分配两条线路是合理的：将实时时钟永久连接到其中一条线路，并仅使用第二条线路来显示用户标识符。 这种配置保证了任何时候每条线上只有一个设备，大大简化了系统实现，减少了响应时间，并节省了程序内存空间。 DS1994 实时时钟有一个五字节计数器，每秒递增 256 次。 当溢出时，计数从零继续。 5 个字节的容量足以运行 136 年，直到计数器溢出。 由于用户需要以方便的格式显示时间，并且还需要提供设置时钟的能力，因此嵌入式系统必须支持日期和时间从内部格式到文本的转换，反之亦然。 选择日期 01.01.2000/00/00 00:2136:XNUMX 作为参考点，这保证了时钟和记录的运行直到大约 XNUMX 年。 还有一点你应该注意。 我们已经同意将通行日志存储在外部闪存中，但是我们仍然需要确定存储访问权限列表的位置。 在描述微控制器时，提到了 2 KB 的内置 EEPROM，它非常适合此目的，因为访问权限列表比通行日志更有价值，例如，如果可以通过从板上移除相应芯片来从系统中（物理地）移除通行日志，则只能通过移除微控制器来移除访问权限列表，否则系统将无法工作。 在所描述的系统中，指定的内存量足以容纳 168 个帐户，即最大用户数为 168。 通过日志被实现为循环列表，当它已满时，最旧的条目将被删除。 一个日志条目的大小为 12 字节（4 字节为通过时间，8 字节为标识符）。 因此，在第一次日志溢出发生之前，有足够的日志内存来记录大约 45 次传递。 在开发过程中，系统中添加了另一个组件 - 门上的簧片开关。 系统必须能够判断门当前是打开还是关闭，并及时关闭电磁铁的电源。 实现以下开门算法：向电磁线圈施加电压，系统等待直到门打开或直到等于 5 s 的时间延迟结束，之后停止供电。 开发的装置示意图如图所示。
可以看到，除了DD1微控制器外，它还包含一个DS1闪存芯片、一个12键键盘SB1 - SB12和一个LCD HG1。 微控制器的时钟频率将 ZQ1 石英谐振器设置为 24 MHz。 端口 P0 用于输入来自 iButton 时钟（连接到插座 X1）和标识符（连接到 X2）的信息，控制为锁电磁体供电的继电器（通过晶体管钥匙）、HL1 LED 发出开门信号，并记录安装在其上的簧片开关的状态。 与DS1闪存芯片的信息交换是通过端口P1进行的。 键盘由端口 P2 提供服务，指示器 HG1 由端口 РЗ 提供服务。 该设备由 5 V 的稳定电压供电。为了给控制电磁体运行的继电器供电，需要 16 ... 20 V 的电压源。 该装置组装在尺寸合适的板上。 要连接 DD1 微控制器和 DS1 存储芯片，建议使用适当的插座。 安装板放置在塑料或金属外壳中，键盘和 LCD 显示屏显示在前面板上。 该设备安装在受保护的场所内。 设备开启后，LCD 显示菜单项列表，如表所示。 2. 由于指示器只有两行，因此“#”和“*”键用于水平“滚动”。 要执行这些命令中的任何一个，都需要管理员权限，并且在按相应的键选择菜单项后，必须提供具有管理员权限的键，否则请求的命令将被忽略。
在该设备的开发过程中，在不同的开发阶段都出现了问题。 我想指出以下几点。 硬件部分。 任何微处理器都有输入/输出端口的输入和输出电流的最大允许值。 例如，如果系统中需要使用LED，那么如果活动状态为log，大多数微控制器将无法向I/O端口提供所需的电流。 1. 在这种情况下，需要将日志状态设为活动状态。 0 通过将 LED 的阳极连接到电源轨。 我们也不应该忘记通过开启与负载串联的电阻约为 2 kOhm 的电阻来限制电流。 如果还需要使用日志。 1为有源状态，且负载过大，则应采用晶体管开关来导通负载。 实现 1-Wire 总线时，需要通过电阻将数据总线“上拉”至电源电压。 这是必要的，以便在从低到高的转换期间，线路快速达到日志的切换阈值。 1. 电阻值必须在 4,7 ... 5,1 kOhm 范围内。 如果电线的长度足够大（几米），则可以减小电阻器的阻值。 我们不应忘记连接到微控制器端口的所有设备可以消耗的最大电流。 需要考虑全部都处于活动状态的情况，计算单片机是否能够提供这样的输出功率。 如果超过允许的最大值，设备将无法在正确的时间打开。 软件部分。 开发过程很大程度上取决于使用哪个编译器、它对代码的优化程度以及在内存中的分配情况、它是否允许您在自己的模拟器上调试程序以及跟踪程序执行时间等。 如果程序使用字符串常量，那么由于RAM数量有限，必须使用特殊指令告诉编译器它们应该位于程序存储区域中。 例如，对于 Keil uVision 编译器来说，它看起来像这样：'const char code sz[6] = "Hello"'，其中“code”修饰符告诉编译器该字符串应该放置在程序内存中。 对于时间关键的操作，最好使用定时器，因为在这种情况下，通过引入一个常数来引用时钟频率，如果频率发生变化，可以轻松校正该常数。 您不应该创建具有大量传递参数的函数，因为调用它们时，它们是通过寄存器传递的（当参数太多时，则通过内存中的固定区域传递）。 每个此类调用都需要额外的代码来在调用函数之前存储寄存器值，并在函数内检索这些参数。 解决方案可能是使用全局变量，但如果被调用函数又调用使用相同参数的函数，则必须非常小心。 如果使用高级语言进行编程，则根据最优性评估生成的汇编代码非常有用（如果遇到内存短缺问题）。 现代编译器在用高级语言编写程序时会生成相当紧凑且快速的汇编代码，因此不必用汇编语言编写所有代码。 然而，在时间关键的程序中使用汇编程序是合理的（就速度和准确性而言）。 当然，本文中描述的系统可以在几个方向上进行改进。 例如，按一天中的时间添加访问限制，记录未经授权的访问尝试（呈现没有访问权限的标识符），添加对第二个对象的访问控制支持（这将需要三个额外的 I/O 线），但是，如您所知，完美没有限制，但微控制器中的程序内存量是有限的。 本文的主要目的是使用具体示例展示创建嵌入式系统的完整周期，并就解决开发过程中可能遇到的问题提供一些实用建议。 文学
作者：A.Rantsevich，明斯克
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