Система управления турникетами на предприятиях

4.1. Выбор и обоснование  элементной базы построения системы  управления  турникетами

Исходя из функциональной схемы необходимо  чтобы у микроконтроллера были реализованы следующие функциональные узлы:

1. Один интерфейсUART- для  подключения считывателя  карточки. Для этого нам  нужны два  вывода параллельного порта. Последовательный порт  UART используется  для  организации обмена  данными  между несколькими устройствами в последовательном коде. Для  этого  используются отдельные линии связи .
2. Для  графического дисплея LCD используется интерфейс IIC. Интерфейс предназначен для  организации двунаправленной  передачи данных по принципу ведущий/ведомый.
3. Для  управления турникетами используется два  вывода параллельных порта .
4. Интерфейс IIC для  управления часами. Для  этого  мы  используем  два вывода параллельных порта.
5. Три интерфейса USB- для  считывателя   отпечатка  пальцев, для  вывода сигнала на информационное табло.

 

Микроконтроллер

Микроконтроллер— микросхема, предназначенная для управления электронными устройствами. Типичный микроконтроллер сочетает в себе функции процессора и периферийных устройств, может содержать ОЗУ и ПЗУ. По сути, это однокристальный компьютер, способный выполнять простые задачи.

В качестве ядра системы используем МК ATMega8 

Микроконтроллер ATMega8 (мега8, mega8) от компании AVR выбирают тысячи радиолюбителей и профессионалов по всему миру благодаря идеальному сочетанию цены, функциональности и простоте применения в проектируемых электронных устройствах. Для прошивки микроконтроллера ATMega8 не требуется сложного специализированного оборудования - программаторы для ATMega8 просты в устройстве и могут быть изготовлены и самостоятельно

Отличительные особенности:

• 8-разрядный высокопроизводительный AVR микроконтроллер с малым потреблением

• Прогрессивная RISC архитектура  , 130 высокопроизводительных команд, большинство команд выполняется за один тактовый цикл  
      32  8-разрядных рабочих регистра общего назначения Полностью статическая работа  
      Приближающаяся к 16 MIPS (при тактовой частоте 16 МГц) производительность  
      Встроенный 2-цикловый перемножитель

• Энергонезависимая память программ и данных  
      8 Кбайт внутрисистемно программируемой Flash памяти (In-SystemSelf-ProgrammableFlash) . Обеспечивает 1000 циклов стирания/записи .Дополнительный сектор загрузочных кодов с независимыми битами блокировки . Обеспечен режим одновременного чтения/записи (Read-While-Write) .  512 байт EEPROM - обеспечивает 100000 циклов стирания/записи  
      1 Кбайт встроенной SRAM . Программируемая блокировка, обеспечивающая защиту программных средств пользователя

• Встроенная периферия  
      Два 8-разрядных таймера/счетчика с отдельным предварительным делителем, один с режимом сравнения.  Один 16-разрядный таймер/счетчик с отдельным предварительным делителем и режимами захвата и сравнения . Счетчик реального времени с отдельным генератором . 
      Три канала PWM . 8-канальный аналого-цифровой преобразователь (в корпусах TQFP и MLF). 6 каналов с 10-разрядной точностью . 2 канала с 8-разрядной точностью.  6-канальный аналого-цифровой преобразователь (в корпусе PDIP) . 4 канала с 10-разрядной точностью . 2 канала с 8-разрядной точностью . Байт-ориентированный 2-проводный последовательный интерфейс . Программируемый последовательный USART . Последовательный интерфейс SPI (ведущий/ведомый) . Программируемый сторожевой таймер с отдельным встроенным генератором  
     Встроенный аналоговый компаратор

• Специальные микроконтроллерные функции  
      Сброс по подаче питания и программируемый детекторкратковременного снижения напряжения питания .  Встроенный калиброванный RC-генератор .Внутренние и внешние источники прерываний. Пять режимов пониженного потребления: Idle, Power-save, Power-down, Standby и снижения шумов ADC

• Выводы I/O и корпуса  
      23 программируемые линии ввода/вывода  
      28-выводной корпус PDIP, 32-выводной корпус TQFP и 32-выводной корпус MLF

• Рабочие напряжения  
      2,7 - 5,5 В (ATmega8L)  
      4,5 - 5,5 В (ATmega8)

• Рабочая частота  
      0 - 8 МГц (ATmega8L)  
      0 - 16 МГц (ATmega8)

Блок-схема 1.

Микросхема поставляется в различных корпусах на Рис 11

 

 

 

 

 

Рис.11 Корпуса МК

 

 

 

 

 

 

Микросхема для считывания отпечатков пальцев FDC4A14 фирмы Atmel

 

Рис 12 Внешний вид микросхем FDC4A14

 

FDC4A14 имеет малый размер  считывающей поверхности - 0,4x14 мм, что  объясняет достаточно низкую  цену микросхемы. Стоимость его  составляет от 10√30$, в зависимости  от количества поставляемых изделий. Считывание рисунка происходит  во время движения пальца по  поверхности сенсора. Максимальная  скорость движения пальца не  должна превышать 53,4 см/с (~2 км/ч). Разрешающая способность схемы - 500 dpi. Для уменьшения потребляемой энергии в схеме предусмотрен так называемый "nap" режим - режим "засыпания". Для его активации необходимо выполнить следующие установки:

• установить RST в "1", при этом все внутренние аналоговые части схемы отключаются от цепей питания;

• установить PCLK в "1" или "0" - отключаются цифровые схемы;

• установить TPE в "0" или отключить TPP;

• установить OE в "1", так как ток может также протекать через выходные элементы.

Рис.13

LCD Дисплея является  универсальным:

EDM1070AR-01 Displaymodule – встраиваемый дисплейный модуль на базе 7” сенсорного дисплея и процессорного модуля Mini4357 ProcessorCard. Процессорный модуль выполнен на базе микроконтроллера LPC4357FET256, 128 МБ NAND Flash, 32 МБ

SD RAM. Модуль имеет богатый  набор периферии и найдет свое  применение в таких областях, как промышленная автоматизация, HMI панели, системы умный дом, станки  с ЧПУ, лифтовое оборудование, вендинговые аппараты и др.

Рис.14 Внешний вид  ЖКИ

Для подключения внешних устройств, дисплейный модуль имеет следующие интерфейсы: последовательный интерфейс, RS-485, 2 интерфейса CAN2.0, USB, 10/100 Мбит/с Ethernet, слот для TF карты, стандартный ARM-JTAG интерфейс, 4 входа/выхода GPIO, 8-канальный АЦП интерфейс, ЦАП интерфейс, IIC интерфейс, I2S интерфейс, высокоточные часы реального времени.

Для отладки и программирования рекомендуется использовать аппаратные программаторы-отладчики J-LINK, J-LinkPlus, J-LINK ULTRA, J-LINK ULTRA+, J-LINK PRO, ULINK2.

Отличительные особенности:

• микроконтроллер LPC4357FET256, 32-bitARMCortex-M4/M0 DualCore, 204 МГц;

• 128 MB Nand Flash;

• 32 MB SDRAM;

• 4 MB SPI Flash (reserved);

• 2 Kb EEPROM;

• 7” сенсорный TFT дисплей, разрешение 800x480;

• три последовательных интерфейса, вынесенных на phoenix разъем;

• трехпроводный UART0, уровни RS-232;

• трехпроводный UART2, уровни RS-232;

• трехпроводный UART3, уровни RS-232;

• интерфейс RS-485 на phoenix разъеме;

• два CAN 2.0B интерфейса на phoenix разъеме;

• USB 2.0 Device, high-speed, 480 Мбит/с;

• USB 2.0 Host, Full-speed, 12 Мбит/с;

• 10/100 Мбит/с Ethernet;

• слот для TF карты;

• ARM JTAG разъем;

• 4 входа/ выхода GPIO;

• интерфейс 8-канального АЦП;

• IIC интерфейс;

• высокоточные часы реального времени;

• диапазон рабочих температур 0…+70°C.

Комплектация:

1. дисплейныймодульEDM1070AR-01 Displaymodule;

2. компакт-диск.

Область применения:

• промышленная автоматизация,

• HMI панели,

• системы "умный дом",

• станки с ЧПУ,

• лифтовое оборудование

 

Считыватель Matrix-II-K

Рис.15

Описание Считыватель Matrix-II-K:

Варианты создания автономной системы на одну дверь: 
A. Организация входа и выхода из помещения по карточкам/брелкам стандарта EM-Marine 
на входе в помещение устанавливаются -считыватель MATRIX-II (или считыватель CP-Z при скрытой установке) 
на выходе - считыватель/контроллер MATRIX-II-K + блок питания + электромагнитный/электромеханический замок 
Б. Вход по карточкам/брелкам стандарта EM-Marine, выход с помощью кнопки открытия двери. 
на входе в помещение устанавливается - считыватель/контроллер MATRIX-II-К 
на выходе - кнопка открытия двери+блок питания + электромагнитный/электромеханический замок

В рабочем состоянии горит красный светодиод, сигнализируя о наличии питания. 
Режимы работы: 
1. Карточка есть в базе считывателя. 
Мигает зелёный светодиод, звучат сигналы зуммера, замок открыт - на установленное время открытия (или по срабатыванию дверного датчика). 
2. Карточки нет в базе считывателя. 
Три-четыре раза мигает светодиод (1 раз - зелёным, далее красным), звучат сигналы зуммера.

Подключаемые устройства:

• электромагнитный/электромеханический замок ;

• кнопка открывания замка (нормально разомкнутая);

• внешний зуммер, внешний светодиод ;

• датчик открытой двери.

• дополнительный считыватель, имеющий выход DS1990A, для организации прохода в двух направлениях (считыватели Matrix-II, CP-Z).

Технические характеристики: Считыватель Matrix-II-K

Входной протокол	EM-Marine, 125 кГц
Выходной протокол	DallasTouchMemory
Дальность считывания карты, мм	не менее 80
Подтверждение считывания карты	сигнал зуммера, трхцветный светодиод
Тип подключаемого замка	электромагнитный/электромеханический
Максимальное количество карточек в базе, шт.	680 ( мастер, простые, блокирующие)
Дополнительные режимы	Блокировка, Accept, Триггер
индикация режимов работы	световая и звуковая индикация
Установка длительности открывания замка, сек	0-220 (заводское - 3)
Напряжение питания, В	8 - 18 постоянного тока
Потребление тока в режиме ожидания карты, мА	не более 45
Рабочая температура (в помещении), С	от -40 до + 50
Относительная влажность, %	не более 95
Размеры, мм	85х44х18

 

 

 

 

4.2.Описание электрической  принципиальной схемы системы управления турникетами

Все периферийные устройства,  подключенные к  микроконтроллеру управляются  им.

Рис 15.  Общий вид электрически принципиальной схемы

Подключение сканера  отпечатка  пальцев

 Сканер  отпечатка  пальцев  соединяется  с  МК  по интерфейсу USB. Под управлением встроенных программ посылает данные  в USB-кабель, а со стороны PC посредством драйвера осуществляется прием данных. Обмен данными должен происходить с постоянным и достаточным трафиком для обеспечения равномерности считывания и отсутствия пропуска кадров.

Интерфейс   USB  подключен к выводам  параллельных портов МК(  PB2 и PB3) и  реализован  программно).

 

 

Рис 16. Схема  подключения сканера  отпечатка пальцев

После включения питания схемы подается сигнал Reset. Для более устойчивой работы его можно подавать перед каждым считыванием кадра, однако это не является необходимым условием.

Начальная последовательность операций может быть следующей:

• установка на выводе RST состояния высокого уровня;

• установка RST в состояние низкого уровня;

• посылка 4-тактовых импульсов (связано с конвейеризацией);

• посылка импульсов для пропуска первого кадра, так как он никогда не бывает корректным.

Рис.17

Кадр состоит из 280 действительных + 1 фиктивной точек. Так как две точки выводятся одновременно, система должна посылать 281x4 = 1124 импульса для чтения одного кадра. Reset в это время должен быть установлен в состояние логического нуля.

 

Подключение  считывателя карточек

 

 

Схема подключения  дисплея к МК

Физически, шина I2C представляет собой два провода, притянутые к плюсу резисторами R11,R12,которые являются опорными резисторами. 
Один провод — шина данных(SDA — Serial DATA), второй — тактирование(SCS — Serial CLock).I2C интерфейс реализован программно с использованием выводов параллельных портов.Для того чтобы настроить порт на вывод устанавливаем ‘0’ на портах.  
 
Рис.18  Интерфейс I2C 

На линии обычно есть один Мастер (Master) — МК и некоторое количество периферийных устройств. Так как линии у нас подтянуты к питанию, то устройствам остаётся только заземлять их, когда хочется передать ноль  и просто отпустить — чтоб единицу. Отсюда важный вывод о совместной работе устройств с таким включением (называется — монтажное “И”) — если кто-то выставил ноль — остальным придётся подождать. 
Итак, тактирование  всегда осуществляет ведущий, передачу начинает тоже всегда он, предварительно уточнив, что линия свободна (единицы на SDA и SCL), формирует СТАРТ-условие (S) — прижимает линию SDA (1->0). 
Потом, надо передать адрес того устройства к которому мы хотим обратиться.  
При передаче по I2C есть два правила: 
Во-первых, данные считываются только при единичном состоянии SCL, а меняться могут, только при нулевом состоянии SCL . Во-вторых,  данные идутначиная со старшего бита. 7 битов адреса, восьмой — признак R/W — если хотим читать 1, записать 0.