基于CAN总线的门禁系统设计与实现

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3.0 陈辉 2024-11-19 5 4 49.26MB 75 页 15积分
侵权投诉
第一章 绪 论
第一章 绪论
§1.1 课题简介
一、系统简介
门禁系统是安全防范系统中极其重要的一部分，它改变了以往如闭路监控，
防盗报警等被动的安防方式，以主动控制替代了被动监视，通过对主要通道的控
制大大地防止了罪犯从正常通道的侵入，并且可以在罪案发生时，通过对通道门
的控制，限制罪犯的活动范围制止犯罪或减少损失。在一些发达国家中，门禁系
统正以远远高于其它同类安防产品的进度迅猛发展。
为适应教学发展的新需要，近年来某高校相继投入较大的资金建立了核磁共
振实验室、离子化验室等现代化的实验设备，基于充分利用设备和安全等因素，
该校决定在高分子楼和化学西楼采用当前较先进的安防措施门禁系统，以加强对
实验室的管理，其中高分子楼安装包括大门和有关实验室门禁 17 套，化学西楼 4
套。由于设备比较贵重且上下班时候进出的人员较多，本着安全、高效和低成本的
原则，结合当前发展的技术，经课题组讨论确定采用以下的系统结构模型（如图
1-1），它是由主控部分、执行部分、读卡部分、通讯及后台控制等几部分构成的。
系统中各部分描述如下：
1、服务器：是由微机和后台程序构成的，它主要是操作员对系统的初始化和
下发命令及保存进出门的记录以便查询，整个系统共用一台服务器。
2、通讯控制器：通讯控制器主要负责把服务器和各门禁主控器连接起来，定
期上传主控器的开门信息和服务器下发的命令以及传送紧急报警信息等，要求其
通讯畅通、及时。在本系统中我们决定采用现场总线技术中发展比较成熟的 CAN
总线技术来实现整个系统的通讯，以满足实时性和安全性的要求。
3、进门身份识别：通常控制进出的方法有卡片式读入、密码输入和生物识别
1
进门身份识别
服务器
通讯部分
门禁主控器
门 锁
门磁信号读入
出门按钮
图1-1 门禁系统的组成
基于 CAN 总线的门禁系统设计与实现
三大类。其中卡片有磁卡、威根卡、磁条卡、条形码卡、红外线卡、集成电路智能 IC
卡等；密码方式有固定代码式键盘和乱序键盘等；而生物特征识别主要有指纹、
掌纹、视网膜、声音、签名、DNA 等。在本系统中采用当前比较先进的非接触智能
IC 卡作为进门身份识别的标志，这种 IC 卡正以其保密性好、操作方便、数据存储
时间长等优点备受行业的青睐。
4、门锁：它是门禁系统的主要执行部件。当读卡器送来 IC 卡的 ID 时，主控
部分判断该卡是否合法及开门权限,如果可以进入，则由主控部分给门锁发出开门
命令，门锁自动打开，并保持一段时间，一般为4～10 秒。
5、门磁信号：是由单片机从门锁中采样得到的信号，根据这个信号判断当前
的门开关与否，以及开门是否超时等。
6、门禁主控器：采用华邦 78E516 为主 CPU 自行设计开发，控制器自带时钟
控制单元、512K 的静态数据存储单元、声光提示报警以及控制开门和采样门的开
关状态，并自动把存储在EEPROM 中的数据定期上传至服务器等功能。
具体使用中，由持卡者进门(或双向读卡出门)时将卡片接近读卡机,由读卡器
读入 IC 卡的 ID，并根据这个ID 判断是否为合法卡以及是否有权限开门，如果两
个条件都满足，则电控锁自动打开,非法卡或权限不够禁止访问，并将开门者的开
门时间和卡号存入门禁主控器的静态存储器中，在适当的时候将进门资料通过通
讯部分送入服务器数据库中。出门时按出门按钮,电控锁自动打开，当非正常或暴
力开门时,系统可以报警，从而加强安全性。
二、系统的组织
门禁系统的组织就是确定系统如何运行，对哪些用户允许进出以及进出的时
间范围等信息的规定等，其中包括：
1、门禁系统管理员的指定：系统管理员要求能够增加、修改和删除授权进出
的人员和对他们进出权限的修改，同时系统管理员要对记录进出人员的数据库和
系统进行日常维护。
2、对每一个进出人员，指定唯一的一个卡号。这些卡号能区分出进出人员的
类别，以便能确定每一个进出人员的允许进出时间、地点等。并将这些数据存入系
统的存储器中，从而实现预定的进出控制。
3、规定进出规则：为了管理的方便，被控门可能有着不同的进出方式，这
些方式有：双向进出，即无论用户出门或进门都必须要经过身份识别，并把这些
信息记录下来；多重控制，即用户进入特定的区域，可能要经过上两种方式的身
份识别，比如除了要刷卡外还需要用户输入密码；临时进出管理，即规定在将来
的特定时间和地点可以进出的用户，这些用户只是暂时性的。
§1.2 IC 卡技术简介
一、IC 卡的发展[6,22]
如上节所述，在门禁系统中，必须为每一个能够进入者有一个特定的标识，
让系统能够确认能否进入，因此就必须有这样的设备，它能记录下一个特定的编
码，并且其它人还不容易仿制，现在科技的发展，可以把信息以光、电、磁等多种
方式记录下来，加上特定的技术，可以实现保密、安全的目的。IC 卡技术就这样的
一种技术，它是利用电磁技术将信息记录在磁或硅介质上，它一般是一张给定大
小的卡片上封装集成电路芯片，用于存储和处理数据，可以广泛用于金融、电信、
2
第一章 绪 论
交通、医疗等部门。IC 卡是从较为原始的磁卡的基础上发展起来的，经过了从接触
式IC 卡到非接触式射频卡的发展过程。
接触式IC 卡使用是要将其插入读卡机中，通过电极触点的物理接触实现命令、
数据和卡片状态的传递，接触式IC 卡已经走过了十几年的历程并得到了广泛的应
用，目前我国使用的多为接触式IC 卡；非接触IC 卡使用时，只要靠近读卡机即
可，卡片和读卡机之间通过电磁场感应进行信息传递。在我国非接触IC 卡的制卡
技术及其相应的读写设备技术正处于发展阶段，目前的应用主要集中在以下几个
领域内：
1. 地铁自动收费系统（AFC）
2. 公路自动收费系统
3. 公共电汽车自动售票系统
4. 企事业机关一卡通系统
5. 门禁考勤及巡更系统
6. 停车场咪表系统
7. 智能楼宇管理系统
二、 IC 卡的特点[6]
非接触IC 卡又称为射频卡，它成功地将射频识别技术和 IC 卡结合起来，解
决了无源和免接触的难题，是电子器件领域中的一大突破，它具有以下特点：
1、可靠性高
非接触IC 卡和读卡器之间无机械接触，避免了由于接触读写而产生的各种故
障，如粗暴插卡、非卡外物插入、灰尘或油污导致不良接触等，而且由于非接触IC
卡的芯片是嵌在IC 卡片中间，避免了芯片脱落和静电击穿等问题，既便于卡片的
印刷，又提高了卡片的使用可靠性从而延长了设备和卡的使用寿命。
2、操作方便
由于非接触通讯，读写器在一定的距离内就可以对卡操作，所以省去了插拔
卡，而且非接触卡使用时没有方向性，只要卡片以任意角度在距读写器一定的范
围内晃过，就可以读入数据，从而大大缩短了使用时间。
3、防冲突
非接触式IC 卡中有防碰撞的功能，能防止各卡片之间出现的数据干扰，提高
了应用系统的并行性。
4、适用范围广
非接触IC 卡，共有 16 个扇区，每个扇区有四个块，每个块可以单独操作，
从而可以实现一卡多用，根据不同的应用设定不同的密码和访问条件，便于用户
使用和保管，目前所说的“一卡通”系统正是利用非接触IC 卡的这个特点。
5、保密性好
非接触IC 卡的序列号是全球唯一的，制造厂家在出厂前已将此序列号固化在
卡片中，不可更改。非接触IC 卡和读写器之间采用双向验证机制，对非接触IC 卡
进行处理前，IC 卡要与读写之间进行三次相互认证而且通讯过程中的所有数据都
是加密的，每个扇区都可以设定自己的操作密码和访问条件。
6、存储容量大
每个非接触IC 卡有 64 块，每块的数据量为16 个字节，故每张卡片上可以保
存64*16*8Bit 内容。
7、数据存储时间长
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基于 CAN 总线的门禁系统设计与实现
每张卡片的数据可以反复读写1000000 次以上，数据可以保存 100 年，从而
保证了数据的可靠性和安全性。
三、 IC 卡的种类[6]
从提供电源的角度，非接触IC 卡可分为有源系统和无源系统两种，前者电
源基于耦合变压器的原理，由读写器发出强大的高频磁场以便传送能量，如果一
个非接触卡被放到读卡器附近，那么就会有一部分磁场穿过卡的线圈，从而产生
感生电压，然后由卡片上的电压调节模块对电压进行处理，实现对芯片的供电。
其中最常用的频率为125KHz 和13.56KHz。后者是通过在卡片中封装了一种非常
薄的电池实现对芯片的供电，从成本和制造工艺上考滤，无源为主流。
从工作距离来上，非接触卡可分为：紧耦合卡（ISO/IEC 10536），它是针对
“插槽或表面操作”，其可识别距离<2cm；近耦合卡（ISO/IEC 14443），这一
类型的卡是设计在10cm 以内使用的，所使用的频率为13.56KHz；远耦合卡
（ISO/IEC 15693）其数据传送的距离可达 1m。
从读写方式上，非接触IC 卡还有主动交易和被动交易式之分。主动交易是指
卡片需要主动靠近读卡器，用户需要持卡在读卡器上晃过才能完成交易，被动式
交易可以不用出示，当走过读卡器的识别距离就可以完成交易。
§1.3 现场总线技术
现场总线（FiledBus）是应用于生产现场、在微机化测量控制设备之间实现双
向串行多节点数字通讯的系统。根据国际电工委员会的IEC1158 定义，它是“安
装在生产过程区域的现场设备/仪表与控制室内自动控制装置/系统之间的一种串
行、数字式、多点通信的数据总线”。因此，现场总线是一项集智能传感器、控制、
计算机、数字通信、网络为主要内容的综合技术，基于这种技术的自动控制系统称
为现场总线控制系统 FCS（Fieldbus Control System）。现场总线控制系统既是一
种开放的通信网络，又是一种全分布控制系统，它作为智能设备联系纽带，把挂
接在总线上、作为网络节点的智能设备连接为网络系统，并进一步构成自动化系
统，实现基本控制、报警、参数设置、显示、监控一体化的综合控制系统，从而适应
工业控制系统向分散化、网络化、智能化发展的方向。在本系统中，主要利用现场
总线技术进行数据的传送和接收，作为联接服务器和各门禁主控器的纽带，以便
管理员对每个门的管理和控制。
一、现场总线技术的特点[1,2]
自动控制系统的发展经历了基地式控制系统、电动单元组合式模拟控制系统、
集中式数字控制系统、集散控制系统 DCS 等阶段，而基于现场总线的控制系统
FCS 是集散控制系统 DCS 的继承和发展，与DCS 相比 FCS 在结构和技术上都有
自己的特点。
现场总线系统改变了集散控制系统的三层结构方式。集散控制系统通常采用
“操作站－控制站－现场仪表”的结构模式，传感器、执行机器和仪表之间的信
息传送采用标准模拟信号、点对点的传输方式，在仪表和控制站之间以及控制站
和操作站之间传送的信号，各个公司都是采用自己的通信标准，使各个厂家的产
品自成体系难以实现互换和互操作，很难形成更大范围信息共享的网络，而且由
于现场和控制站之间传送的往往是模拟信号，因而系统的抗干扰的能力也较差。
4
第一章 绪 论
而现场总线系统采用的是“工作站－现场仪表”的结构模式，工作站和现场
仪表之间通过现场总线的网络互连，改变点对点的传递方式，网络中的任意两个
节点都可以互相通信，现场设备之间以及现场设备和工作站之间传送的都是数据
信号，从而可以实现更精确更复杂的数字信号处理，普通的噪音也难以影响现场
总线控制系统中的数字信号，即使出现错误也可以用查错、纠错技术进行纠正，
提高了系统的抗干扰能力，而且协议公开，各不同厂家的设备可以实现信息交换
具有很好的可操作性和互用性，从而实现自动化领域中的开放互连系统。它能将
传感器、工程量处理和控制等功能分散到现场设备中完成。由于现场的测量仪表和
执行机构可以直接通信，控制功能可以在现场完成，并可随时诊断设备的运行状
态，实现了全分散控制体系，简化了系统结构，从面提高了系统的可靠性。由于
采用数字通信，可实现在一对电缆上传输多个信号，又可为多个设备提供电源。
所以，同 DCS 相比，现场总线控制系统具有实时性好，可靠性高的特点。在数字
化、可互操作性、分散性等方面都有显著的提高，代表了当有工业控制及自到化仪
表发展方向。
二、几种现场总线的简介[2]
自80 年代以来，有几种现场总线技术已逐渐形成并在一定的应用领域显示了
自己的优势，它们各具特点，对现场总线技术的发展发挥了较大的作用。
1、CANBUS
CANBUS 是控制局域网络（Controller Area Network）的简称，最早是由德
国BOSCH 公司为汽车内部控制而制定的，是一种有效支持分布式控制或实时控
制的串行通信网络，由于高性能、高可靠性的设计，被公认为几种最有前途的现
场总线技术之一。
1、FF
FF（Foundation Fieldbus 即基金会现场总线）是在过程控制自动化领域得到
了广泛的支持和具有良好的发展前景的技术，它以 ISO/OSI 开放互连模型为基础，
取其物理层、数据链路层、应用层为FF 通信模型的相应层，并在应用层中增加了
用户层，用户层主要采用设备描述语言规定了通用功能块集，FF 总线最大的特点
就是它是一个完整的系统。
3、LonWorks
LonWorks（Local Operating Networks）总线是美国Echelon 公司在1991 年推
出的局部操作网络，为集散式监控系统提供了很强的实现手段，它采用了 ISO/
OSI 模型的全部七层通讯协议，面向对象的设计方法，通过网络变量把网络通信
设计简化为参数设置，LonWorks 技术所采用的 LonTalk 协议被封装在称之为
Neuron 的神经芯片中而得以实现。它被广泛用于楼宇自动化、保安系统、办公设备
交通运输、工业过程控制等行业。在开发智能通信接口，智能传感器方面Lonworks
神经元芯片也具有独特的优势。
4、PROFIBUS
PROFIBUS（Process Field）是德国国家标准DIN19245 和欧州标准EN50170
的现场总线标准。由 PROFIBUS_DP，PROFIBUS-FMS，PROFIBUS-PA 组成了
PROFIBUS 系列。它采用了 OSI 的物理层、数据链路层，FMS 还采用了应用层，适
用于加工自动化、纺织、楼宇自动化、可编程控制器、过程自动化等领域。
5、HART
HART（Highway Addressable Remote Transducer）最早由Resemount 公司开发
5
基于 CAN 总线的门禁系统设计与实现
的，被称为可寻址远程传感器高速通道的开放通信协议，其特点是在现有模拟信
号传输线上实现数字信号通信，它是在 4-20mA 的直流模拟信号上叠加FSK（频
率调制键控）数字信号，既可以用于模拟仪表，也可以用于数字仪表，属于模拟
系统向数字转变过程中的过渡性产品。
§1.4 本章小结
本章介绍了构成某高校化学楼、高分子楼的门禁控制系统模型及各组成部分
基本功能。同时对系统中两个关键技术（通讯和身份识别）的解决作了一般性的
介绍，其中通讯部分采用了当今比较先进的现场总线技术，而身份的标识采用了
非接触IC 卡，从而为系统的安全和可扩充性提供了保障。
6
基于 CAN 总线的门禁系统设计与实现
第二章 CAN 总线原理
在构成整个门禁系统中，正确而及时的通讯是保障系统安全运行的关键，本
系统中我们以 CAN 总线网络形式构成系统，从而实现了服务器和单个门控器间
的联接，而CAN 总线的基本原理正是构成单个CAN 智能节点和组成 CAN 网络
的理论基础，本章将从原理方面介绍CAN 总线。
§2.1 CAN 总线特点
CAN[1,2]（英文全称是Controller Area Network 控制局域网）总线是有效支持
分布式控制或实时控制的串行通信网络，最初是由德国BOSCH 公司为汽车监测、
控制而设计的，由于高性能、高可靠性的设计，使CAN 的应用范围遍及高速网络
到低成本的多线路网络，CAN 已形成国际标准（ISO11898），被公认为几种最有
前途的现场总线技术之一。它具有以下的一些技术性能：
1、为多主方式工作，采用非破坏性的基于优先级的总线仲裁技术,数据以短帧
结构传输,网络上任意节点都可以在任何时候主动地向网络上其它节点发送信息，
没有主机、从机之分，而且不需要站地址等节点信息。
2、实时性好，CAN 网络上的节点可以被分为不同的优先级，可以满足不同的
实时性要求，最高优先级的数据可以在 135us 内得以传输。
3、无破坏性的基于优先级的总线仲裁技术。CAN 中的总线数据值为两种互补
逻辑数据之一：“显性”或“隐性”，“显性”（Dominant）数值表示为逻辑
“0”，而“隐性”（Recessive）表示为逻辑“1”。“显性”和“隐性”位同时
发送时，最后总线数据值将为：“显性”，在“隐性”状态下， VCAN-H 和
VCAN-L 被固定于平均电压电平，Vdiff 近似为0，在总线空闲或“隐性”位期间，
发送“隐性”状态，“显性”状态以大于最小阀值的差分电压表示（如图 2-1 所
示，在“显性”位期间，“显性”状态改写为“隐性”状态并发送）。任何一个
节点向总线发送数据时，都先发送代表自己优先级的标识符，优先级越高的节点
其标识符中含显性电平越多。当多个节点同时向总线发送数据时，每个节点都将
8
Vdiff
Vdiff
VCAN-H
VCAN-L
时
间
显性
位
隐性位隐性位
图2-1 总线位的数值表示
平
均
电
压
电
平
第二章 CAN 总线原理
发送位电平同总线上监测到电平比较，相等则发送，不等则退出，这样优先级较
低的节点会主动退出发送，而最高优先级的节点可以不受影响地继续传输数据，
极大的节约了总线冲突仲裁的时间，尤其在网络负载很重的情况下也不会出现网
络的瘫痪。而在发送期间丢失的仲裁或由于出错而受到破坏的帧可以自动重新发
送。
4、报文滤波技术，CAN 通过报文滤波可实现点对点、一对多、多对多及全局
广播技术等多种方式传送和接收数据。
5、通信距离长、通信速率快，CAN 系统内任意两个节点间的最大传输距离与
其位速率有关，当其速率在5kbps 以下时，其最大距离可达 10km，而当距离小于
40m 时，其最大的通讯速率可以达到1Mbps，它们的值可以通过总线初始化时编
程实现。
6、系统容量大，CAN2.0A 总线上节点数最大可达到110 个，而在CAN2.0B
协议中，理论上总线上的结点数可以无限个，其最大节点数是受总线驱动电路等
电气特性限制。
7、CAN 网络上的数据传输采用的是短帧结构，每帧数据最大为 8位，既可满
足一般现场参数的要求，也可以使传输的时间短，受干扰的机率小，响应时间快
增强实时性。
8、数据可靠性高，每帧信息都有循环冗余校验(CRC)及其它检错措施。从而极
大的降低了出错率。
9、系统稳定，CAN 总线可以自动判别暂时错误和永久性故障，节点在错误严
重的情况下可以自动关闭输出功能，切断与总线的联系，使网络的可靠性大大的
提高。
10、通信介质可为双绞线、同轴电缆或光纤,选择灵活。
11、组网方便，可以在线增加和减少结点。
这些特点使ＣＡＮ总线技术特别适合在各种低成本、高抗干扰的多机控制系
统中的应用。
§2.2 CAN 总线的分层结构
CAN 遵从OSI 模型，CAN 结构可分为两层：数据链路层和物理层，其具体
结构可以参见图2-2：
9
CAN
结
构
数据链路层
物 理 层
逻辑链路控制
（LLC ）子层
媒体访问
（MAC ）子层
物 理 信 令
（PLS ）
物理媒体附属装
置（PMA ）
媒体相关链接
（MDI ）
图2-2 CAN 的分层结构 [1]
摘要：

第一章绪论第一章绪论§1.1课题简介一、系统简介门禁系统是安全防范系统中极其重要的一部分，它改变了以往如闭路监控，防盗报警等被动的安防方式，以主动控制替代了被动监视，通过对主要通道的控制大大地防止了罪犯从正常通道的侵入，并且可以在罪案发生时，通过对通道门的控制，限制罪犯的活动范围制止犯罪或减少损失。在一些发达国家中，门禁系统正以远远高于其它同类安防产品的进度迅猛发展。为适应教学发展的新需要，近年来某高校相继投入较大的资金建立了核磁共振实验室、离子化验室等现代化的实验设备，基于充分利用设备和安全等因素，该校决定在高分子楼和化学西楼采用当前较先进的安防措施门禁系统，以加强对实验室的管理，其中高分子...

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作者：陈辉 分类：高等教育资料 价格：15积分 属性：75 页 大小：49.26MB 格式：DOC 时间：2024-11-19

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