软硬件设计文件.docx

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1.系统硬件设计

门禁系统由主机和从机两部分组成。

主机是每次通信的发起者，负责通信链路的建立与终止，在通信过程中占据主导地位。

从机被动等待连接，配合主机完成通信过程。

主机和从机在通信过程中处于不同地位，实现不同的功能，但具有相似的硬件结构。

从硬件设计的角度分析主、从机有以下几个功能模块：

（1）电源模块

（2）门禁主控设备（主机、从机）

（3）无线射频模块

（4）语音模块

（5）刷卡模块（主机）

（6）电控锁（主机）

（7）TFT触摸屏（主机）

以下将对以上各个模块依次进行说明。

1.1电源模块

电源的供电方式有很多种，常用的有开关电源、电池（或者充电电池）等。

开关电源纹波效应比较严重，无法提供高精度直流电压，而充电电池供电恰好克服了以上缺点，且在断电的情况下仍然能够对设备持续供电。

且无线设备对电源稳定性的要求相对严格，因此本方案采用充电电池为系统电源。

本设计中的电源模块主要有四部分：

一块是开发板Devkit8500、射频模块和语音模块的5VDC供电；一块是TMS320F28027处理器的3.3V供电；一块是刷卡模块的9V供电；一块是对电控锁的12VDC供电。

配电情况如图1所示。

图1电源模块的配电情况

1.2门禁主控设备

门禁系统主机的主控设备采用基于AM3715CUS单片机的Devkit8500开发板，此开发板搭载了包括AM3715CUS单片机、TFT触摸屏、以太网接口、UART接口、USB接口、等在内的众多硬件外设资源。

门禁系统从机的主控设备采用TI公司推出的32位数字信号处理器TMS320F28027，主频达到60MHz。

片内集成32Kx16BitFlash、6Kx16BitSRAM以及1Kx16BitOTPROM，其中Flash、OTPROM和4Kx16BitSRAM受密码保护，保护用户程序。

片上外设包括：

EPWM，ADC，IIC，SCI，SPI等。

内部集成系统上电复位和电源监测功能，看门狗复位功能，无须外置电源监测和复位模块。

内部集成将3.3V电源转变为1.8V电源的模块，只需单一3.3V供电即可。

此芯片具有低成本、低功耗、高性能的特点。

开发板及处理器丰富的硬件资源以及卓越的制造工艺，为产品的开发研究奠定了坚实的基础。

1.3无线射频模块

本次设计采用的射频通信模块为EWRF3022-UT4A模块，EWRF3022UT系列模块为深圳市易达讯科技有限公司推出的一款微功率（<10mW）、短距离无线数据传输产品。

此模块是基于CC1101射频芯片设计而成的，CC1101是TI公司旗下的ChipconAS.公司推出的一款低成本、低功耗、无需申请频点、传输可靠、支持无线传感网络技术的单片可编程UHF收发芯片，专为低功耗无线应用而设计。

EWRF3022-UT4A模块支持二次开发，提供对数据包处理、数据缓冲的硬件支持。

通过对该无线模块编程能使系统最大通信容量达到8192，即主机能和8192台从机通信而不会干扰，也就是这个系统能用在最大房间数为8192间的楼栋上，远远满足实际要求。

本系统射频模块工作在433MHz频段，通信波特率为115200pbs。

EWRF3022-UT4A模块与主机系统单片机的连接图如图2所示。

EWRF3022-UT4A模块与从机系统单片机的连接图如图3所示。

图2EWRF3022-UT4A模块与主机系统单片机的连接图

图3EWRF3022-UT4A模块与从机系统单片机的连接图

1.4语音模块

在门禁系统中，语音模块是很重要的一环，其要完成语音信号的采集与播放、压缩与解压缩的工作，而语音的实时传输与播放关系着双方的通话质量与效率。

本设计采用基于SPCE061A单片机的精简开发板开发板作为系统的语音采集、压缩系统。

SPCE061A是台湾凌阳科技研发生产的性价比很高的一款十六位单片机，是数字声音和语音识别产品的一种十分经济的应用，使用它可以非常方便灵活的实现语音的录放。

开发板资源丰富，包含一个专门针对语音信号处理的DSP处理器以及多种开发成熟的语音压缩算法，还包括电源电路、音频电路（含MIC输入部分和DAC音频输出部分）、复位电路等，能够轻松实现语音信号的采集/播放以及编码/解码功能。

此外，SPCE061A单片机具有易学易用的效率较高的一套指令系统和集成开发环境u'nSPIDE。

使用时只需调用API函数便可实现语音信号的压缩与解压缩。

同时能够实时在线仿真、调试和在线下载程序，是一套十分便捷有效的语音处理系统。

此语音模块在本设计中可以非常方便灵活的实现语音的录音盒播放，实现来访者与住户之间的通话。

图4为SPCE061A开发板与主机单片机开发板的连接图，

图5为SPCE061A开发板与从机单片机处理器的连接图。

图4为SPCE061A开发板与主机单片机开发板的连接图

图5SPCE061A开发板与从机单片机处理器的连接图

1.5刷卡模块

本次设计采用了明华智能技术有限公司型号为RF35-LT的IC读写器，该RF系列非接触式IC卡读写器是由主机、天线、串行接口等组成，通过RS232串行接口实现同PC机的连接。

随机提供的接口函数库可满足用户二次开发的需要；其完善、可靠的接口函数，支持访问射频卡的全部功能。

图6为IC读写器与主机单片机开发板的连接图。

图6RF35-LT读写器与主机单片机开发板的连接图

1.6电控锁

电控锁作为门禁系统的动作执行部件，其质量的好坏直接关系到整个系统的稳定性。

本系统采用的电控锁为中山宏大电锁H1073，该锁为通电开锁，工作时需工作电流大于1A，功率大于12W，且执行开锁动作的通电时间为1S，最大不能大于8S，否则有可能烧坏电控锁的内部线圈，导致不能动作。

如图7所示，电控锁的控制电路以S9014的基极作为门控信号的输入端与单片机控制端口相连，此电路由5V继电器、限流二极管、5.1K偏置电阻以及S9014与S8050两个三级管复合成的驱动电路组成。

图7电控锁控制电路图

工作原理如下：

当控制端口输出高电平时S9014导通，S8050截止，此时继电器的控制线圈为开路，继电器不动作。

门锁接于继电器常闭端，门锁闭合，门处于锁死状态。

当控制端口输出低电平时S9014截止，S8050导通，此时继电器的控制线圈闭合，继电器动作。

继电器常闭端断开，门锁打开，门处于打开状态。

1.7电控锁TFT触摸屏

为了准确显示提示信息，及对系统质量的更高要求，系统设计了人机界面，使TFT触摸屏具有键盘输入功能及显示输出功能。

（1）键盘输入

根据门禁系统的实际需求，对应门牌号码的0~9的10个数字，以及“*”号表示删除键，“#”号表示确认键，因此将按键设计成4×3的矩阵形式如图8所示。

图8按键设计

（2）输出显示

根据系统处于不同时刻，有着相应的输出显示，如开机时，触摸显示屏上显示“Inputyournumber”字样；按下按键时，能清晰的显示所输入的门牌号。

2系统软件设计

2.1室外机系统（主机）软件流程

图9主机的软件设计流程图

图9给出了主机的软件设计流程图。

当主机的TFT触摸屏有键按下时，主机将按下的数字按键的键值存储在tra_array中，tra_array储存的数字组合即与用户终端的门牌号码对应。

此后，主机搜索内存中的码表，找出该数字组合相对应的发射频率F0，并将自身的发送无线射频模块配置于F0，并向从机发送一个连接请求帧ASK。

由于系统采用频分复用的工作方式，所有的从机均工作于不同频率，因此只有接收频率同样是F0的从机能够接收、响应主机的连接。

若主机在30ms内未收到从机回复帧ACK，或者接收到的ACK错误，主机将重复发送ASK以最大程度确保从机能够接收到主机的连接信号。

此过程中的ASK帧的最大发送次数为16次，若超过该次数仍未接收到正确的ACK，则主机自动跳回STANDBY状态。

接收到正确的ACK回复后，主机与从机之间的通信链路成功建立，主机打开接收无线射频模块，打开语音平台，与从机进行语音通信。

考虑到无线传输比有线通信存在更多的不确定性，无线系统中需要使用一些特殊的手段以保证通信的稳定性。

因此，主机内置一个连接时间的定时器T0，若在T0时间内主机未收到从机的断开连接请求，则主机自动关闭连接，跳回待机STANDBY状态。

2.2室内机系统（从机）软件流程

图10从机的软件设计流程图

图10给出了从机的软件设计流程图。

因为从机具有被动等待的特性，所以从机的无线接收模块一直处于正常工作状态。

考虑到无线通信的不确定性，当从机向主机回复ACK后，需要继续等待30ms。

结合主机的程序流程设计可知，若主机在30ms内未接收到从机的ACK回复，则将重新发送一个ASK请求帧，因此，为了避免从机的ACK回复收到外界环境的干扰而未被主机接收到的极端情况，从机设计时在发送ACK后继续等待30ms，若30ms内未收到主机再次发送的ASK,则说明主机与从机之间的连接建立成功。

2.3射频模块软件流程

发射和接收无线模块只有在“信道与频率”、“无线速率”、“网络地址”的参数值完全一致时才能相互通信。

射频模块参数配置是本次设计的难点，根据模块的参数配置协议，编写参数配置函数，参数配置函数（以配置信道参数为例，其他参数类似）的流程图如图11所示。

图11配置参数（信道）流程图

射频模块应答信号为一串有规律的字符串，为了准确判断是否每个参数配置成功，应该准确接收模块的应答数据。

编写的接收模块应答数据函数的流程图如图12所示。

图12接收模块应答数据流程图

2.4语音模块软件流程

语音模块通过串口与单片机进行通信，并且以串口中断的方式进行数据的收发。

图13为语音播放与传输流程图。

图13语音播放与传输流程图

2.5刷卡模块软件流程

在本系统中，读写器作为通信过程的从设备，每次通信必须由主机MCU发送命令和数据给读写器RF-35，读写器执行完命令后，将命令的执行状态和响应数据返回给主机。

主机根据返回状态和数据，对程序做相应的动作。

图14为刷卡模块的整体流程图。

图14刷卡模块整体流程图