袁夢(mèng)覺(jué)，王 斌

（長(zhǎng)安大學(xué) 信息工程學(xué)院，陜西 西安 710064）

門(mén)禁系統(tǒng)是一種涉及到電子、機(jī)械、計(jì)算機(jī)、通信等相關(guān)技術(shù)的新型現(xiàn)代化的出入口安全管理系統(tǒng)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，它的應(yīng)用更加廣泛，并逐漸朝著識(shí)別更準(zhǔn)確、更智能的方向發(fā)展。單片機(jī)發(fā)展到現(xiàn)在，其性能不斷提高，功能不斷完善，而且具有價(jià)格低、功耗低、集成度高、速度快、體積小等特點(diǎn)，因而被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、智能儀器儀表、數(shù)據(jù)采集處理等領(lǐng)域[1]。校園一卡通作為在校師生必備的且具有唯一標(biāo)識(shí)的識(shí)別卡，具有多種綜合功能，可用于校園消費(fèi)、身份認(rèn)證等方面。因此，將校園一卡通和單片機(jī)結(jié)合在一起應(yīng)用于門(mén)禁系統(tǒng)中，使室外人員只需通過(guò)刷卡進(jìn)行身份識(shí)別和驗(yàn)證即可實(shí)現(xiàn)控制電子鎖開(kāi)門(mén)與否。該系統(tǒng)利用校園一卡通作為有效的身份識(shí)別媒介和載體，在避免重復(fù)制作識(shí)別卡的同時(shí)，也進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了校園一卡通的多功能性，更好地發(fā)揮其身份認(rèn)證的功能。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)需求和思路

門(mén)禁系統(tǒng)以安全為第一位原則，這就要求門(mén)禁系統(tǒng)不僅能夠穩(wěn)定運(yùn)行，完成實(shí)驗(yàn)室人員正常開(kāi)門(mén)的功能，而且還能夠防護(hù)非實(shí)驗(yàn)室人員的各種惡意操作，這些惡意操作主要包括胡亂按鍵、試探密碼和拆卸主控板等。針對(duì)上述情況，首先將門(mén)禁系統(tǒng)的主控板安裝在室內(nèi)，室外人員無(wú)法知道主控板的位置，再由單片機(jī)軟件程序來(lái)實(shí)現(xiàn)其他防護(hù)功能。

門(mén)禁控制系統(tǒng)以校園一卡通為身份識(shí)別媒介，其硬件系統(tǒng)以STC89C52RC單片機(jī)為核心，通過(guò)Wiegand 26數(shù)據(jù)接收電路配合單片機(jī)的外部中斷，接收讀卡器發(fā)送的校園一卡通卡號(hào)信息數(shù)據(jù)，進(jìn)行判別用戶(hù)身份，控制是否開(kāi)門(mén)。此外，為了實(shí)現(xiàn)開(kāi)門(mén)方式的多樣性，應(yīng)加入密碼開(kāi)門(mén)方式，以備應(yīng)急需要。系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)除了能實(shí)現(xiàn)正常開(kāi)門(mén)的功能外，還應(yīng)增加一些對(duì)不正常操作的處理。因此，整個(gè)系統(tǒng)應(yīng)具有以下功能：

1）用戶(hù)通過(guò)刷卡或輸入密碼開(kāi)門(mén)；

2）防止非真實(shí)用戶(hù)胡亂按鍵；

3）防止非真實(shí)用戶(hù)試探密碼；

4）使用看門(mén)狗定時(shí)器防止程序異常。

1.2 STC89C52RC單片機(jī)簡(jiǎn)介

STC89C52RC單片機(jī)是宏晶科技有限公司推出的一款可靠性高、安全性高、價(jià)格低、功耗低的單片機(jī)。該單片機(jī)內(nèi)部有8 k的Flash，512 B的RAM，3個(gè)定時(shí)計(jì)數(shù)器，以及看門(mén)狗定時(shí)器。外部除了并行I/O口外，還有一個(gè)UART串口，2個(gè)外部中斷引腳。STC89C52RC單片機(jī)支持ISP在線(xiàn)下載程序，其內(nèi)部的Flash可反復(fù)擦寫(xiě)10萬(wàn)次以上。

STC89C52RC單片機(jī)的豐富資源完全滿(mǎn)足門(mén)禁系統(tǒng)的需求，其ISP在線(xiàn)下載程序的方法也極大的方便了開(kāi)發(fā)人員，同時(shí)，它的高可靠性也為門(mén)禁系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供了強(qiáng)有力的保障。

1.3 Wiegand 26協(xié)議

讀卡器與單片機(jī)之間通信采用Wiegand 26協(xié)議[2]，Wiegand協(xié)議是由摩托羅拉公司制定的一種國(guó)際上統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議，其中26-Bit是一個(gè)廣泛使用的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，幾乎所有的門(mén)禁控制系統(tǒng)都接受Wiegand 26協(xié)議。

Wiegand數(shù)據(jù)輸出由兩根線(xiàn)組成，分別是DATA0和DATA1，兩根線(xiàn)分別輸出數(shù)據(jù)0和數(shù)據(jù)1，輸出數(shù)據(jù)0時(shí)，DATA0線(xiàn)上出現(xiàn)低電平，輸出數(shù)據(jù)1時(shí)，DATA1線(xiàn)上出現(xiàn)低電平。

Wiegand信號(hào)波形圖如圖1所示。

圖1 Wiegand信號(hào)波形圖Fig.1 Wiegand signal waveform figure

圖1中，當(dāng)DATA1數(shù)據(jù)位變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，代表一位數(shù)據(jù)1，當(dāng)DATA0數(shù)據(jù)位變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，代表一位數(shù)據(jù)0，低電平維持時(shí)間為 20～200 μs，兩個(gè)脈沖的時(shí)間間隔在 200 μs～200 ms之間。

Wiegand 26協(xié)議輸出格式為：

E XXXX XXXX XXXX XXXX XXXX XXXX O 二進(jìn)制

第1位為2～13位的偶校驗(yàn)位；

第2～9位對(duì)應(yīng)電子卡HID的低8位；

第10～25位對(duì)應(yīng)電子卡的PID號(hào)碼；

第26位為14～25位的奇校驗(yàn)位；

以上數(shù)據(jù)從左到右順序發(fā)送，高位在前，低位在后。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

門(mén)禁系統(tǒng)的硬件組成框圖如圖2所示，主要包括STC89C52RC單片機(jī)模塊、Wiegand 26數(shù)據(jù)接收模塊和電子鎖驅(qū)動(dòng)模塊3部分。

圖2 門(mén)禁系統(tǒng)的硬件組成框圖Fig.2 Hardware diagram of entrance guard system

2.1 STC89C52RC單片機(jī)模塊

STC89C52RC單片機(jī)[3]是整個(gè)門(mén)禁系統(tǒng)的核心，其最小系統(tǒng)[4]原理如圖3所示，包括復(fù)位電路、振蕩電路，以及門(mén)禁系統(tǒng)與讀卡器及電子鎖的接口。

其中P0.0和P0.1作為Wiegand數(shù)據(jù)輸入接口，P0.2作為控制讀卡器LED的接口，P0.3作為控制讀卡器蜂鳴器的接口，P0.4作為使能讀卡器接口，P0.5作為電子鎖控制接口，P3.2作為外部中斷使用，用于檢測(cè)Wiegand 26數(shù)據(jù)的到來(lái)與否。

圖3 單片機(jī)最小系統(tǒng)原理圖Fig.3 Schematic diagram of MCU small system

2.2 Wiegand 26數(shù)據(jù)接收模塊

Wiegand 26數(shù)據(jù)接收電路是為了使單片機(jī)更準(zhǔn)確地接收Wiegand 26數(shù)據(jù)而設(shè)計(jì)的，因?yàn)槿绻捎貌樵?xún)方式接收Wiegand 26數(shù)據(jù)，當(dāng)數(shù)據(jù)到來(lái)時(shí)若MCU正在處理其他任務(wù)，將可能會(huì)造成Wiegand 26數(shù)據(jù)丟失。因此，設(shè)計(jì)接收數(shù)據(jù)在單片機(jī)中斷程序中執(zhí)行，大大增加了數(shù)據(jù)接收的可靠性。其數(shù)據(jù)接收電路原理如圖4所示，Wiegand數(shù)據(jù)先經(jīng)過(guò)74LS375鎖存器，鎖存器的輸出端分別接單片機(jī)的P0.0和P0.1端口，同時(shí)鎖存器的輸出經(jīng)過(guò)74LS04與門(mén)連接到單片機(jī)的一個(gè)外部中斷引腳上。這樣，當(dāng)有一位數(shù)據(jù)進(jìn)入時(shí)，就會(huì)觸發(fā)單片機(jī)的外部中斷，在單片機(jī)的外部中斷服務(wù)程序中判斷到來(lái)的數(shù)據(jù)是1還是0，并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到相應(yīng)的位數(shù)上，直至26位數(shù)據(jù)存儲(chǔ)完畢。

圖4 Wiegand 26數(shù)據(jù)接收電路原理圖Fig.4 Schematic diagram of wiegand 26 data receiving circuit

2.3 電子鎖驅(qū)動(dòng)模塊

電子鎖驅(qū)動(dòng)電路原理圖如圖5所示，繼電器采用一個(gè)NPN型三極管來(lái)驅(qū)動(dòng)，當(dāng)三極管的基極處于高電平時(shí)，三極管工作在放大狀態(tài)，驅(qū)動(dòng)繼電器吸合，繼電器吸合導(dǎo)致電子鎖的一端接到了12 V的電壓上，而另一端接地，實(shí)現(xiàn)了控制電子鎖開(kāi)門(mén)。

圖5 電子鎖驅(qū)動(dòng)電路原理圖Fig.5 Schematic diagrame of lectronic lock driving

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

門(mén)禁系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括主程序設(shè)計(jì)、子程序設(shè)計(jì)和中斷服務(wù)程序設(shè)計(jì)。

1）主程序設(shè)計(jì)

主程序[5]是整個(gè)門(mén)禁系統(tǒng)的總控制程序，主程序流程圖如圖6所示，其中包括外部中斷、定時(shí)器以及其他外設(shè)的初始化，初始化后等待讀卡器數(shù)據(jù)輸入，由于刷卡數(shù)據(jù)位為26位，密碼數(shù)據(jù)位為24位，因此，在主程序中要區(qū)分刷卡和輸入密碼兩種開(kāi)門(mén)方式。如果判斷為刷卡，則刷卡成功后判別卡號(hào)是否為室內(nèi)人員的卡，控制是否開(kāi)門(mén)。如果判斷為輸入密碼，則等待用戶(hù)輸入密碼，用戶(hù)輸入密碼后判別密碼是否正確，控制是否開(kāi)門(mén)。用戶(hù)刷卡失敗、卡號(hào)錯(cuò)誤、密碼錯(cuò)誤或者開(kāi)門(mén)之后均會(huì)引起系統(tǒng)復(fù)位，重新等待數(shù)據(jù)輸入。

圖6 主程序流程框圖Fig.6 Flow diagram of main program

2）子程序設(shè)計(jì)

子程序包括初始化子程序，校驗(yàn)用戶(hù)卡號(hào)或密碼子程序，電子鎖控制子程序，復(fù)位子程序等。

初始化子程序負(fù)責(zé)初始化定時(shí)器、外部中斷及電子鎖控制端，是保證系統(tǒng)正常運(yùn)行的基礎(chǔ)。

校驗(yàn)用戶(hù)卡號(hào)或密碼子程序是通過(guò)對(duì)讀卡器發(fā)送到單片機(jī)上的Wiegand 26數(shù)據(jù)進(jìn)行解析得到相應(yīng)的卡號(hào)或密碼，并與單片機(jī)中存儲(chǔ)的室內(nèi)人員卡號(hào)或密碼比對(duì)，若有相同的卡號(hào)或密碼則返回TRUE，否則返回FLASE。

電子鎖控制子程序負(fù)責(zé)電子鎖的開(kāi)啟，通過(guò)控制電子鎖驅(qū)動(dòng)電路中三極管的基極控制端，給出相應(yīng)的電平來(lái)開(kāi)啟電子鎖。

復(fù)位子程序就是當(dāng)用戶(hù)刷卡失敗、胡亂按鍵、卡號(hào)錯(cuò)誤或密碼錯(cuò)誤之后，復(fù)位相應(yīng)的數(shù)組、標(biāo)志位等。

3）中斷程序設(shè)計(jì)

當(dāng)中央處理器正在處理內(nèi)部數(shù)據(jù)時(shí)，外界發(fā)生了緊急情況，要求CPU暫停當(dāng)前的工作轉(zhuǎn)去處理這個(gè)緊急事件，處理完畢后，再回到原來(lái)被中斷的地址，繼續(xù)原來(lái)的工作，這樣的過(guò)程稱(chēng)為中斷[6]。

采用中斷方式接收Wiegand數(shù)據(jù)，是為了保證接收到的Wiegand數(shù)據(jù)的完整性，使其不會(huì)因CPU正在處理其他任務(wù)而導(dǎo)致Wiegand數(shù)據(jù)的某一位或幾位丟失，其中DATA0或DATA1每來(lái)一次低電平引發(fā)一次單片機(jī)中斷，在中斷程序中查詢(xún)到來(lái)的數(shù)據(jù)是0還是1，然后存儲(chǔ)到相應(yīng)的位數(shù)上，每26次中斷代表一次數(shù)據(jù)讀取完成。

以下是中斷程序的核心代碼，因代碼較長(zhǎng)，略去中間部分，中斷程序內(nèi)設(shè)置標(biāo)志位變量flag，初始值為1，每執(zhí)行一次中斷flag遞增1。例如，第一次執(zhí)行中斷時(shí)程序跳轉(zhuǎn)到case 1處，識(shí)別偶校驗(yàn)位，并在存入偶校驗(yàn)位后，flag遞增1，當(dāng)?shù)诙螆?zhí)行中斷時(shí)，程序跳轉(zhuǎn)到case 2處，判斷Wiegand 26數(shù)據(jù)當(dāng)前位是0還是1，如果為0則將Wiegand數(shù)組的最高位和0做與操作，如果為1則將Wiegand數(shù)組的最高位和1做或操作，flag繼續(xù)遞增1，以此類(lèi)推，直至flag遞增到26，完成一次Wiegand 26數(shù)據(jù)的讀取，其中中間24位為相應(yīng)用戶(hù)的識(shí)別信息。

4 結(jié)束語(yǔ)

文中提出了一種基于校園一卡通和STC89C52RC單片機(jī)的門(mén)禁系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，該方法借助于校園一卡通作為身份認(rèn)證媒介，以STC89C52RC單片機(jī)為核心進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，最終實(shí)現(xiàn)了控制電子鎖的開(kāi)啟。另外，還詳細(xì)闡述了該系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法，包括硬件系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)以及系統(tǒng)控制思想的設(shè)計(jì)。按照本文提出的方案設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的樣品，經(jīng)安裝在實(shí)驗(yàn)室大門(mén)上進(jìn)行實(shí)際測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，未出現(xiàn)門(mén)禁系統(tǒng)運(yùn)行但無(wú)法開(kāi)門(mén)的現(xiàn)象，在方便實(shí)驗(yàn)室人員進(jìn)出的同時(shí)也提高了實(shí)驗(yàn)室的安全性，有較高的應(yīng)用價(jià)值。

[1]馬家辰.MCS-51單片機(jī)原理及接口技術(shù)[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2001.

[2]柴卉，萬(wàn)振凱.韋根協(xié)議在門(mén)禁系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].儀器儀表用戶(hù)，2007（5）：111-112.

CHAI Hui，WAN Zhen-kai.Application of wiegand protocol for entrance guard system[J].Electronic Instrumentation Customer，2007（5）：111-112.

[3]宏晶科技.STC89C52RC Datasheet[EB/OL].http：//www.stcmcu.com/datasheet/stc/STC -AD -PDF/STC89C51RC -RD +_GUIDE-CHINESE.pdf.

[4]張毅剛.單片機(jī)原理與應(yīng)用設(shè)計(jì)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.

[5]孫振偉，劉云潔.基于AVR單片機(jī)的電冰箱控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2011（10）：157-159.

SUN Zhen-wei，LIU Yun-jie.Design of refrigerator control system based on AVR microcomputer[J].Electronic Design Engineering，2011（10）：157-159.

[6]林益平，陳統(tǒng)堅(jiān).80C196MC/MD單片機(jī)多個(gè)中斷程序的同步問(wèn)題[J].微處理機(jī)，2000（3）：37-39.

LIN Yi-ping，CHEN Tong-jian.The synchro-control between multiple interrupt programs of 80C196MC/MD [J].Microprocessors，2000（3）：37-39.