射頻感應鎖控制器設計實例

　射頻感應電鎖通常由載有密碼的射頻IC卡（射頻鑰匙）來代替傳統的金屬制作的鑰匙。在讀出密 碼后,通過一個電子控制器產生開門電信號,繼而接通電源,驅動電控鎖具開關門。這樣做的好處首 先是杜絕了非法復制鑰匙,其次是為人員進出實現信息化管理創立了條件。但是,鎖的結構變得復雜 起來,不可靠的因素隨之增加,成本也大幅度上升;又由于增加了某些操作,與機械鎖相比使用難 度也提高了。可見,射頻感應電鎖在安全性能改善的同時,也帶來了可靠性、成本、可操作性等一系 列新問題。如果在設計上不給以注意和采取措施的話,它反倒成了一種麻煩。

　　可以認為,過于復雜的控制器往往是“麻煩”的根源。基于上述考慮,對射頻感應電鎖控制器, 不論采用何種技術設計,都應該遵從一個原則,即在保證基本功能的前提下,控制器要做得盡可能簡 單。這里,基本功能一條很重要。也就是說, 在設計的開始,一定要仔細界定功能, 堅決剔除那些可有可無的東西。有的電控鎖,除了開關門功能以 外,增加了許多不常用或難使用的功能,其結果,不但徒然增加了許多成本,還大大降低了可靠性。 這是導致產品不成功的重要因素。

　　本文介紹的感應鎖控制器,力求符合實用、簡單的設計原則,務求電控鎖能夠充分地揚長避短, 即在更安全的同時,保持較低成本（不降低性能為前提）、提高可靠性。

1? 設計規范

1.1 功能要求

　　一個感應鎖控制器的基本功能應包括：

　　◇ 感應鑰匙開/關門;
　　◇ 感應鑰匙（射頻IC卡）的添加與清除;
　　◇ 鎖體電磁離合器的驅動;
　　◇ 控制器工作狀態聲、光提示;
　　◇ 為節省電力進行限時操作,超時后即轉入睡眠狀態;
　　◇ 低電壓報警;
　　◇ 按鍵喚醒功能。

　　為實現上述功能所需的人機界面：啟動鍵（喚醒鍵）、清除母鑰鍵、添加子鑰鍵、清除子鑰鍵、 狀態指示燈、低壓指示燈、蜂鳴器。

1.2? 操作要求

　　管理射頻鑰匙一般采用授權發卡體系或卡片分級體系。為了 兼顧安全性和易使用要求,采用母鑰-子鑰二級模式管理鑰匙。母鑰的作用相當于一個系 統操作密碼,由它對開門鑰匙（集子鑰）的添加和刪除進行限制。

　　如何簡單而有效地添加鑰匙,是決定感應鎖性能的重要課題。以往見到的二進制撥碼開關增、刪 子鑰模式的主要問題是操作繁瑣、效率低。采用添加、刪除鍵,利用相鄰子鑰進行單一刪除,是一種 自然、簡便的方法。以下是本設計提供的鑰匙增刪操作要求。

　　①? 清除母鑰。先按住母鑰刪除鍵,后按下啟動鍵,再放開啟動鍵。母鑰刪除鍵保持按住5 s,聽到一長聲后即表示刪除母鑰完成。此后雙燈閃爍,同時鳴叫五短聲,表示母鑰未設定。

　　② 設定母鑰。在雙燈閃爍的同時鳴叫五短聲后,感應鎖控制器將預設為母鑰的感應鑰匙感應。 聽到一短聲后,按添加鍵,蜂鳴器會發出兩長聲,此時即表示母鑰已設定完成。每鎖只能有一個母 鑰,母鑰只能用于增刪子鑰,不能開門。

　　③ 增加子鑰。按啟動鍵后,將母鑰感應,聽到一短聲后,再將欲加入的子鑰感應。聽到一短聲后 按添加鍵,聽到三短聲即完成一個子鑰之設定。若按增加鍵后聽到一短聲,則表示欲加入的子鑰早已 設定于內,是重復錯誤。用母卡做此增加時,也視為重復錯誤。連續增加時,只需重復感應欲增加的 新子鑰,然后按添加鍵即可,最多增加29個子鑰。

　　④? 開/關門。先按啟動鍵,電路由睡眠狀態轉入讀鑰態。此時,可用鑰匙感應,正確時聽到一短 聲,狀態燈閃爍,門鎖離合器通電動作,門開啟。開啟態持續5 s后,狀態燈熄滅,離合器分斷,門恢復關閉態。

　　⑤? 清除單一子鑰。按啟動鍵后將母鑰感應,聽到一短聲后按清除鍵,將欲清除的子鑰的前一個子 鑰感應,聽到一短聲后再按清除鍵,聽到二短聲后即清除完成。如果欲清除的子鑰為第一個,則它的 前一個子鑰就是母鑰。如欲清除的子鑰的前一個子鑰已被清除但尚未補入新子鑰,請用再前一個子鑰 清除,依次類推。如打算清除其他子鑰,請重復以上操作。

　　⑥? 清除全部子鑰。按啟動鍵后將母鑰感應,聽到一短聲后,再次用母鑰感應,又聽到一短聲后, 按住清除鍵5 s,聽到兩短聲加一長聲,即將所有子鑰清除完畢。

　　控制器的幾個基本工作狀態：

　　①? 啟動態。接通電源后,如果母鑰已設定好,電池不欠壓,則雙燈均為熄滅狀態;如果電池欠 壓,則僅欠壓指示燈穩定燃亮。如果母鑰未設定好,則雙燈閃爍,同時鳴叫五短聲。

　　②? 睡眠態。如果10 s內沒有任何讀鑰操作發生,則電路自動轉入睡眠態,以節省電力。

　　③? 電池低壓報警態。電池電壓≤5 V時低壓燈燃亮。此時應盡快更換電池。

　　④? 故障狀態。在做增加、清除操作時,如果發現狀態燈持續亮,則表示電路故障,應停止使用。

　　以上操作及相關的聲光提示,請參見表1　。

表1? 功能與聲、光提示對照表

1.3? 技術參數

　　感應鎖控制器的技術參數如表2所列。

表2? 感應鎖控制器技術參數

2? 控制器的硬件設計

　　控制電路由單片機(U1)、鑰匙存儲器(U2)、射頻模塊(U3)、 人機界面部件、電磁離合器驅動電路和射頻天線組成, 采用直流6 V（4節5號電池）供電。 圖 1 是電路原理圖。

圖1? 感應鎖控制器電路原理圖

　　射頻模塊選用基于美國德州儀器公司（TI）的射頻模塊RFM01。它功耗低,讀卡速度高,接線簡 潔。它需要配接1個電感值為 430～460μH、Q值大于15的天線線圈。也可以選用基于美國ATMEL 公司U2270B的射頻模塊,但性能稍差。

　　單片機選用ATMEL公司的89C2051。它的端口數和ROM可滿足本電路的功能要求。單片機的工 作頻率為11.059 2 MHz（不可以高于或低于這個數值,因為軟件用這個頻率和射頻模塊匹配）。如果 還要擴展其他功能,例如改用12或16鍵鍵盤,增加日歷時鐘或外擴存儲器,可以選用端口數和 ROM更大的單片機。為獲得更高的可靠性應采用OTP型兼容單片機。

　　鑰匙存儲器選用ATMEL公司的24C02 ,可存儲30個鑰匙。如果打算存儲更多的鑰匙,應選用該系 列更大容量的型號。為獲得更高的可靠性可采用美國XCOR公司的兼容型號。

　　本電路采用了中功率PNP三極管擔當電磁離合器驅動電路,可以驅動負荷電流在0.8 A以內的各種電鎖專用電磁離合器或電機。如果打算驅動更大 負荷,可以改為繼電器驅動方式,三極管輸出接到繼電器線圈即可,但這樣會增大功耗。

　　由4個按鍵、2只發光二極管、1個蜂鳴器組成人機界面,以便完成 添加、刪除、啟動等必要的操作。

　　射頻模塊所匹配的天線線圈的參數必須準確,否則讀卡 性能達不到設計要求。制作天線時,必須用儀器測量其參數。這里提供一套與 RFM01匹配的天線參數,如 表 3 所列。該線圈對鑰匙型感應體的識別距離為80 mm,對卡片型感應體的識別距離為120 mm。

表3? 天線參數表

　　本電路利用89C2051片上集成的比較器構成電池欠壓檢測電路。當發生 欠壓時,點亮發光二極管。

　　為了最大限度地延長電池的使用壽命,當幾秒鐘沒有操 作發生時,電路自動進入低功耗狀態,即所謂“睡眠態”。這 是通過軟件控制89C2051和射頻模塊的工作狀態實現的。

3 控制器的軟件設計

　　硬件需要與高效率的軟件相配合,才能實現感應電子鎖的各種功能。軟件源代碼使用C語言編 寫,最終代碼固化于89C2051的Flash ROM內。圖 2 為流程圖。

圖2? 軟件設計流程圖

　　源代碼見本刊網站。