完整版基于ARM的智能门禁系统设计毕业论文40设计41Word格式.docx
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1.2门禁系统的发展和国内外现状
门禁系统，又被称作出入口控制系统，顾名思义就是对出入口通道进行管制的系统，通过管理来决定哪些人该进，哪些人不该进，在何种情况下发出警报，记忆出入的情况，从而保障出入安全的目的。
智能门禁系统是一种综合性的多学科的高科技集合，它涉及电子、机械、光学、计算技术、通信技术、生物统计学等诸多新技术领域。
门禁系统出现的首要目的就是身份的识别，门禁系统通过识别方式可以分成三种：
密码识别
通过输入验证密码的正确性来获取进入权限，有成本低操作简单，用户只需要记住密码即可完成与门禁的互动，无需带上卡片等优点，可以说这是最简单的门禁设备，也是应用时间最久的门禁控制设备，但是这类门禁的安全性和效率也是最低的，旁人可以通过观察或者其他简单的渠道就可以获取大门的控制密码，而且由于知道密码的人众多，所以还存在着易公开但是不方便更换的特点。
卡片识别
通过读卡或读卡加密码的形式来识别进入权限，按卡片种类又可分为
磁卡：
有成本较低；
一人一卡（+密码），安全一般，可联微机，记录开门信息的优点；
缺点就是卡片设备很容易磨损，寿命较短；
卡片容易复制；
同时很难双向控制。
因外界磁场很容易造成卡片信息丢失，从而使卡片无效。
射频卡：
优点就是无需和设备接触，开门方便安全；
使用寿命长，有很高的安全性，可以与微机相连，记录开门的信息；
双向控制可以很容易实现。
卡片很难被复制。
虽然成本较高，但是这是应用范围最为广泛的了。
生物识别
通过检验人员的生物特性的方式来识别，有指纹型、虹膜型、掌形型、面部识别型，还有手指静脉识别型等。
这种方式具有很好的安全性，需进入的人不用携带卡片，但是带来了很高的成本花销的代价，识别率是基于一定软件算法的因此很有可能不高，同时对使用者的生物特性的要求较高，如果是指纹识别，就无法识别划伤的指纹，如果是虹膜识别，眼睛红肿出血也会出现无法识别的效果。
同时对环境的要求也很高，例如在黑夜的时候人的瞳孔会变大，虹膜识别很有可能失去原有的功能。
综合起来使用生物设别在一定条件并不方便。
中国门禁行业的发展历程，也与国内其它行业一样经历了探索、仿制、研发、成熟等几个阶段。
从最早的单门门禁开始，随着房地产业发展规模的疯狂扩张，高档社区及商务楼对于门禁系统安全性能要求的不断提高，门禁产品经历了由独立型门禁系统、联网型门禁系统、一卡通门禁系统、TCP/IP网络型门禁系统的演变。
在国外的门禁系统有很多品牌，主要有美国的休斯（HID）、摩托罗拉（MOTOROLA）、英国的集宝，以色列的SE、西屋（WSE）、洛泰克（NTK）等品牌，国内门禁系统的品牌主要有清华紫光和捷顺等。
在技术上面智能门禁系统相对于传统的门禁系统来说应用了更多的防范措施，这些措施涉及并综合了众多的高科技技术，其中包括光学、电子、通讯技术、计算机技术、乃至生物科学等诸多领域。
国内外目前研制和使用主要集中的门禁系统为感应门禁系统和生物识别门禁系统。
作为安防领域和楼宇设计的基础平台，随着人们生活水平的提高，工作质量的要求，门禁系统也会得到更加长足的发展，比如对门禁系统的安全性、稳定性方面的要求会更高，门禁系统也将会同安防领域一道实现“联网”机制，更有效的防治违法行为的出现。
智能小区的推广和智能小区的安全防范的增强，使智能门禁系统的网络化成为可能。
1.3论文研究的内容和工作
本课题的研究目的是设计和实现具有良好的扩展性和适应性的门禁系统。
因此该系统以射频门禁读卡器和嵌入式移植为核心，提出软件设计的详细方案，并给出射频门禁卡、门禁控制器的相关介绍和设计的总体思路和具体实现方法。
该系统中门禁读卡器的主要任务是控制射频模块来接受读取门禁识别卡上面的信息，并且对该卡进行识别和解码，将获取的信息再显示出来。
同时在门禁主控制端要进行Linux的移植工作，其中包括U-boot、内核的制定和裁剪、文件系统的制作。
并且研究嵌入式系统开发的方法和Linux驱动程序的设计方法。
第二章门禁系统技术的介绍
2.1RFID射频识别技术的介绍
自动识别技术是一种自动收集数据的技术，用收集相关的人或者物的信息或数据，射频识别技术是众多自动识别技术中的一种。
RFID技术最常见的应用就是通过一个识别号码（类似姓名）来惟一地识别一个物体、地点、动物或者人。
这个号码存储在附属天线集成电路中，IC和天线一起被称为电子标签，电子标签附属于要识别的物体、地点或者人。
射频识别（英文：
RadioFrequencyIDentification，缩写：
RFID）是一种无线通信技术，可以通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，而无需识别系统与特定目标之间建立机械或者光学接触。
无线电的信号是通过调成无线电频率的电磁场，把数据从附着在物品上的标签上传出去，以自动辨识与追踪该物品。
某些标签在识别时从识别器发出的电磁场就可以得到能量，并不需要电池；
也有标签本身拥有电源，并可以主动发出无线电波（调成无线电频率的电磁场）。
标签包含了电子存储的信息，数米之内都可以识别。
与条形码不同的是射频标签不需要处在识别器视线之内，也可以嵌入被追踪物体之内。
RFID系统一般是由电子标签和读写器组成，同时结合许多其他组件在现实生活中也出现过，例如计算机、软件系统、无线设备和网络。
所有这些组件和电子标签以及读写器共同工作，组成了完整解决方案。
典型的RFID系统由以下两部分组成:
1）电子标签，即携带数据的发射器（如标签）。
位于要设别的目标表面或者内部，一般由两个部件（如线圈或者微波天线）和一个电子芯片组成。
根据使用的电源可以把标签分为主动标签、半被动标签和被动标签，还可以个根据其编码的数据进行进一步分为只读、读/写以及读/写/重写。
大多数标签比一粒沙子还小（即宽度小于3mm），一般内部封有一个玻璃或塑料的模块。
2）读写器，即读取电子标签的数据和写入数据到电子标签的收发器（或阅读器）。
许多读写都额外的接口，可以把收到的数据传送给另一个系统，如个人计算机或者自动控制系统。
RFID技术的最大优点就是减少了人工干预，可以在商业活动进行的过程中自动收集数据，且收集数据不需要贴别的动作。
这种自动操作提高了数据质量，减少了数据采集的时间，具有实时地获取数据以及降低在低质量数据上的花销的特点。
因为无需打开物品包装盒就可以扫描货品来收集数据，RFID还节约时间和降低成本的好处。
此外，它还可以实时获取详细的目录信息和实时监测货物清单。
RFID技术广泛应用于供应物流链管理、公共管理、人员管理、门禁控制、交通领域、生产领域中。
2.2基于ARM平台的嵌入式系统的介绍
2.2.1ARM技术的介绍
ARM公司是微处理器行业的一家知名企业，专门从事的是基于RISC技术芯片设计开发。
作为知识产权供应商，ARM公司不直接从事芯片生产，而是转让设计许可，由合作公司生产各具特色的芯片。
世界各大半导体生产商从ARM公司购买其设计的ARM微处理器内核，根据各自不同的应用领域，加入适当的外围电路，从而形成自己的ARM微处理器芯片进入市场。
目前，采用ARM技术知识产权（IP）核的处理器已遍布及工业控制、消费类电子产品、通信系统、网络系统和无线电系统等各类产品市场，基于ARM技术的微处理器应用约占据了32位RISC微处理器的大部分市场份额，ARM技术正逐步渗入到我们生活的各个方面。
ARM微处理器采用RISC构架，一般具有如下特点：
1）体积小、低功耗、低成本、高性能；
2）支持Thumb（16位）/ARM（32位）双指令集，能很好地兼容8位/16位器件；
3）大量使用寄存器。
指令执行速度更快；
4）大多数数据操作都在寄存器中完成；
5）寻址方式灵活简单，执行效率高；
6）指令长度固定；
除了上述特点之外，ARM体系结构还采用了下面一些特别的技术，在保证高性能的前提下尽量缩小芯片的面积，并降低功耗：
1）所有的指令都可根据前面的执行结果决定是否被执行，从而提高指令的执行效率；
2）可用加载/存储指令批量传输数据，以提高数据的传输效率；
3）可在一条数据处理指令中间同时完成逻辑处理和移位处理；
4）在循环处理中使用地址的自动增减来提高运行效率；
到目前为止ARM微处理器及技术的应用几乎已经深入到以下的许多领域:
1）工业控制领域:
作为32的RISC架构基于ARM核的微控制器芯片不但占据了高端微控制器市场的大部分市场份额同时也逐渐向低端微控制器应用领域扩展,ARM微控制器的低功耗、高性价比，向传统的8位/16位微控制器提出了挑战。
2）无线通讯领域目前已有超过85%的无线通讯设备采用了ARM技术，ARM以其高性能和低成本，在该领域的地位日益巩固。
3）网络应用：
随着宽带技术的推广，采用ARM技术的ADSL芯片正逐步获得竞争优势。
此外，在语音及视频处理上行了优化并获得广泛支持，也对DSP的应用领域提出了挑战。
4）消费类电子产品：
技术在目前流行的数字音频播放器数字机顶盒和游戏机中得到广泛采用。
5）成像和安全产品：
现在流行的数码相机和打印机中绝大部分采用ARM技术。
手机中的32位SIM智能卡也采用了ARM技术。
除此以外，ARM微处理器及技术还应用到许多不同的领域并会在将来取得更加广泛的应用。
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2.2.2嵌入式系统概述
嵌入式系统是基于计算机、电子和信息技术，以产品和设备为目标，集硬件和软件于一体的专用系统。
具有集成度高，实时响应速度快、维护和扩展方便以及升级换代快等特点，广泛应用于实时性强以及系统对功能、可靠性、功耗等技术指标严格要求的多任务体系。
它一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统及用户的应用程序几个部分组成，用于实现对其他设别的控制、监控和或者管理等功能。
随着嵌入式系统的发展，对于功能不断增强、应用范围日益广阔的嵌入式硬件，植入与之匹配的嵌入式操作系统，并根据实际需要合理剪裁系统软、硬组件，既能充分发挥系统功能，有效提高系统利用率，又能节省存储空间，有利于操作系统的移植和效率的提高。
由于嵌入式系统是一种专用的计算机系统，所以嵌入式系统的体系结构也和PC的体系结构类似，主要包括硬件、操作系统和应用程序三部分。
如下图
图2.1嵌入式体系结构图
1）硬件
嵌入式硬件系统的核心是嵌入式处理器。
在PC中，CPU的体系结构几乎是x86系列的天下。
但是在嵌入式处理器领域，目前市面市面上流行的有上百种体系结构和品牌的CPU。
其中ARM、PowerPC、MIPS等应用最为广泛。
在处理器方面，嵌入式系统一般使用SDRAM作为内存，Flash作为外村。
显然，嵌入式存储器的性能和容量是远远比不上PC中的DDR内存和硬盘的。
下面给出嵌入式系统的硬件组成图
图2.2嵌入式系统硬件组成图
2）操作系统
和嵌入式处理器类似，嵌入式操作系统的类型也比PC要丰富很多。
嵌入式操作系统用来管理中断处理、任务间通信、存储器分配和定时器的相应的软件模块集合，对其要求通常有实时的作用，因此，嵌入式操作系统往往又是实时操作系统。
嵌入式操作系统中的美国河风公司的Vxworks、微软的WindowsCE都有功能强大，优越的性能，但是都是商业软件。
而免费开源的Linux嵌入式操作系统，在功能上和性能上并不逊色于以上的商业软件，因此在嵌入式领域有着强大的生命力和发展前景。
3）应用程序
应用程序是执行系统功能主要的软件，是针对特定的实际专业领域的，基于相应的嵌入式硬件平台，同时需要完成用户指定的预期任务的计算机软件。
它可以由一个任务来完成也可以由多个任务共同完成。
嵌入式软件的特点如下
1）系统软件的高实时性是其基本的要求
2）多任务的实时操作系统成为嵌入式应用软件的必须条件
3）要求对软件实现固态化存储，因为一般完成设计的软件程序都需要打包然后放在操作系统中，需要时就运行应用程序，一般不允许对其软件程序进行修改。
对代码的要求高质量、高可靠性。
第三章总体设计和软硬件平台的选择
3.1系统总体设计
该设计是一个单一的门禁控制系统，主要实现的是软件控制部分的功能其系统组成的结构如下图。
图3.1系统设计框图
其中门禁控制器和门禁读卡器将会是该门禁系统的核心部分，读卡器读取射频门禁卡上面的数据，并且对这些数据进行解码分析，然后将卡的信息通过USB发送给门禁控制器，门禁控制器再做相应的动作，实现门禁控制的功能。
本设计采用的是上、下位机分离的双CPU结构，下位机MCU通过USBSlave端口与上位机ARMUSBHost端口通信，上位机运行的是ARM-Linux操作系统。
本文的主要任务是USB转串口驱动的移植和射频读卡器应用程序的编写。
3.2硬件平台的选择
本课题设计中的硬件部分主要是由三部分组成：
门禁控制器、读卡器、射频门禁卡。
其中门禁控制器采用了S3C6410处理器芯片，门禁控制器外接基于STC12C5A60S2单片机的射频读卡器，通过USB接口连接。
3.2.1S3c6410芯片介绍
S3c6410是一个16/32位RISC微处理器，该处理器旨在为移动行业及一般领域的应用提供一种具有成本效益、功耗低、性能高的解决方案。
它为2.5G和3G通信服务提供优化的硬件性能。
S3c6410才用64/32位内部总线架构，由AXI、AHB和APB总线组成。
它还包括许多强大的硬件加速器，并轻松支持像视频处理，音频处理，二维图形，显示操作和缩放的任务。
内部集成的一个多格式编码器支持MPEG4/H.263/H.264编解码以及VCI格式的解码，同时这个硬件解码器支持实时视频会议和NTSC、PAL模式的TV输出。
具有一个三维图形硬件加速器（简称3D引擎），可以加速OpenGLES1.1&
2.0.S。
3c6410结构框图如下图：
图3.2S3c6410结构框图
S3c6410处理器特性主要如下：
●基于CPU子系统的ARM1176JZF-S具有Java加速引擎，16KB/16KBI/D缓存和16KB/16KBI/DTCM；
●在1.1V时达533MHz，1.2V时达677MHz；
●一个8位ITU601/656相机接口，支持4M像素（缩放）或者16M像素（未缩放）；
●多标准解码器提供30帧每秒MPEG-4/H.263/H.264编解码及30帧每秒的VC1视频解码；
●具有BITBLIT和旋转的2D图形加速；
●3D图形加速在133MHz时可达4M的三角形运算能力；
●AC97音频编解码接口和PCM串行音频接口；
●支持1,2,4或8像素/位调色彩色显示及16像素/位无调色真彩显示；
●IIS和IIC接口支持；
●专用的IrDA接口支持MIR、FIR及SIR；
●灵活配置的GPIO端口；
●USB2.0OTG端口支持高速传输（480Mbps，片上收发器）；
●USB1.1端口主设备支持全速传输（12Mbps，片上收发器）；
●SD/MMC/SDIO/CE-ATA兼容卡主控制器；
●实时时钟，锁相环，具有PWM的定时器和看门狗定时器；
●32通道DMA控制器；
●支持8X8键盘矩阵；
●先进电源的管理适用于手机应用；
●存储器子系统
支持8位或16位数据总线的SRAM/ROM/NORFlash接口；
支持16位数据总线的混合式OneNAND闪存接口；
支持8位数据总线的NANDFlash接口；
支持32位数据总线的SDRAM接口；
支持32位数据总线的移动SDRAM接口；
支持32位数据总线的移动DDR接口；
3.2.2MFRC500射频读写芯片
Philips公司的MIFARE非接触式智能标签在非接触标签应用领域占有全球80%的市场份额，是目前非接触智能标签的工业标准，也成为ISO/IEC出来的3000万张智能标签及10亿多次交易覆盖全球众多领域。
随着其应用范围的不断扩大，如公共交通、路桥收费、电子机票、身份证、付费电话等，再加上应用装置的增加，与MIFARE相关的行业得到了长足的发展。
MFRC500作为Philips公司的一款高度集成的读写器芯片，工作于13.56MHz。
该读卡IC系列利用先进的调制和解调概念，完全集成在13.56MHz下所有类型的被动非接触式通信方式和协议。
工作的天线可以被直接近距离驱动（可达100mm）通过内部的发送部分，而不需要增加有源电路，一个坚固的解调和解码电路构成了接收器分，用于ISO/IEC14443兼容的应答器信号；
数字部分处理ISO/IEC列标准并且要求低成本、小尺寸、高性能以及单电源的非接触式通信的场合。
MFRC500的功能框图图下图所示。
图3.3MFRC500功能框图
由图可知，MFRC500内部包括并行微控制接口、状态和控制单元、中断、数据处理单元、双向FIFO缓冲区、安全和密码控制单元、模拟电路接口及天线接口。
MFRC500的外部接口包括数据总线、地址总线、控制总线（包含中断和读写信号等）和电源等。
MFRC500的并行微控制器接口自动检测连接的8位并行接口的类型，它包含一个可配置的中断输出和一个易用的双向FIFO缓冲区，为连接各种MCU提供了很大的灵活性，即使采用的器件的成本是非常低的也能满足高速非接触式通信的要求。
数据处理部分执行数据的串行/并行转换。
支持的校验包括CRC和奇偶所有层。
状态和控制部分允许对器件进行配置以适应环境的影响，并将把性能调节到最佳状态。
当与MIFAREStandard和MIFARE通信时，使用高速CRYPTO1流密码单元和一个可靠的非易失性密钥存储器。
模拟电路包含一个具有阻抗非常低的桥驱动器输出的发送部分，这使得最大操作距离可达100mm。
接收器可以检测到并解码非常弱的应答信号。
MFRC500引脚排列如下图：
图3.4MFRC500引脚排列图
该器件为32引脚外形封装（SmallOutlinePackage，SOP）。
为达到EMC特性和信号解耦方面实现最佳性能期间使用了3个独立的电源。
MFRC500同时具有出色的RF性能并且在模拟部分和数字部分适应不同的操作电压。
MFRC500的具有以下的优良特性：
高集成度模拟电路用于电子标签应答的解调和解码；
缓冲输出驱动电路使用最少数目的外部元件连接到天线；
近距离操作（可达100mm）；
用于连接13.56MHz石英晶体的快速内部振荡器缓冲区；
时钟频率监视；
硬件复位是低功耗的；
软件实现掉电模式；
并行微处理器接口带有地址锁存和IRQ线；
微处理器并行接口类型可以自动检测；
接受FIFO缓冲区和易用的发送；
面向位和字节的帧；
唯一的序列号；
支持防碰撞过程；
片内时钟电路；
支持Classic；
CRYPTO1以及具有可靠的内部非易失性的密钥存储器；
支持MIFARE有源天线；
在高安全性的终端上非常适用。
3.3软件平台的选择
软件是嵌入式系统的灵魂。
一般包括BootLoader、嵌入式操作系统、嵌入式文件系统和应用程序。
其中，嵌入式操作系统是整个系统的核心，它
升级会员 