EFM32智能門鎖應(yīng)用案例 - 全文

??????? 概述

　　智能門鎖是指區(qū)別于傳統(tǒng)機械鎖具，在用戶識別、安全性、管理性方面更加智能化的鎖具。它是智能門禁系統(tǒng)中鎖門的執(zhí)行部件。目前應(yīng)用中常見的智能鎖具可以按照其用戶識別技術(shù)進行分類：

　　· 生物識別類，包括指紋鎖、虹膜識別門禁。該類型鎖具利用生物特征的唯一性，采用生物識別技術(shù)進行用戶ID識別。它具有安全性高，不存在丟失損壞的優(yōu)勢，但是它不方便配置，相對設(shè)備成本較高。

　　· 非接觸類，包括磁卡、射頻卡。它具有安全性較高，塑料材質(zhì)，配置便攜較方便，價格低廉的優(yōu)點。

　　· 接觸類，包括TM卡，接觸式IC卡\CPU卡。安全性很高，不銹鋼材質(zhì)，配置攜帶極為方便，價格較低。

　　智能門鎖區(qū)別于傳統(tǒng)機械門鎖，它主要包括鎖心、主控電路板、交互操作面板、把手、供電電池盒5個部分組成。它通常是有源設(shè)備，需要使用電源驅(qū)動電機控制鎖具中的執(zhí)行部件。同時，在門鎖安裝過程中限于電源走線不便，電池供電拆裝麻煩等原因，智能門鎖在電池供電的條件下，對于整個設(shè)備的功耗有苛刻要求。整機的功耗直接影響到智能鎖具的電池工作壽命，因此它也是智能門鎖廠商產(chǎn)品差異化的明顯標志，而主控MCU的低功耗特性在系統(tǒng)中尤為關(guān)鍵。

　　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　EFM32是由挪威Energymicro公司采用ARM Cortex-M3內(nèi)核設(shè)計而來的高性能低功耗32位微控制器。它具有突出的低功耗特性，適用于“三表”(電表、水/熱表、氣表)、工業(yè)控制、警報安全系統(tǒng)、健康與運動應(yīng)用系統(tǒng)、手持式醫(yī)療設(shè)備以及智能家居控制等領(lǐng)域。

　　EFM32可應(yīng)用于指紋鎖、非接觸卡式門鎖、接觸式卡式門鎖三類智能門鎖系統(tǒng)中。系統(tǒng)主要包括供電電池、識別模塊(包括指紋識別、非接觸式卡讀卡、接觸式卡讀卡)、控制執(zhí)行機構(gòu)、交互界面和通信模塊。

　　· 主控MCU EFM32TG/G

　　根據(jù)智能門鎖應(yīng)用的功能需求可配置不同型號的EFM32芯片作為主控MCU。EFM32的芯片具有良好的兼容性，同系列芯片的引腳為pin-pin兼容。在低端的智能門鎖應(yīng)用中，系統(tǒng)對于MCU的Flash和RAM資源要求相對降低，可選用EFM32TG222作為主控，它的封裝為QFP48，F(xiàn)lash和RAM資源從2~4KB和8~32KB;在高端的智能門鎖應(yīng)用中，系統(tǒng)功能復(fù)雜，對于MCU的Flash和RAM資源要求有所提升，可選用EFM32G222作為主控，它的Flash和RAM資源從8~16KB和32~128KB。

　　· 識別模塊

　　指紋鎖中的識別模塊包括指紋采集模塊和DSP組成。指紋采集部分主要將指紋細節(jié)以單色圖像形式傳輸?shù)紻SP，由DSP執(zhí)行提取特征值的算法并將特征值與數(shù)據(jù)庫中的信息進行比對，然后將配對結(jié)果通過UART傳輸給主控MCU。

　　非接觸式卡門鎖的識別模塊主要由讀卡模塊和天線構(gòu)成。當用戶開門卡片靠近門鎖時，卡片通過門鎖振蕩產(chǎn)生的電磁波中獲得能量，并反饋識別請求，然后通過非接觸式協(xié)議進行信息交換，從而判斷Flash中的數(shù)據(jù)庫是否與當前請求信息匹配。該部分功能主要在MCU中實現(xiàn)，讀卡模塊與MCU的信息通信主要通過SPI接口實現(xiàn)。

　　接觸式卡門鎖中主要是接觸式卡槽部分，EFM32片內(nèi)的USART帶有標準的智能卡接口(SmartCard，ISO7816)。因此系統(tǒng)連接接觸式卡通信的底層設(shè)計相對簡單，用戶只需專注實現(xiàn)上層的軟件通信協(xié)議即可。

　　· 供電電源

　　EFM32的工作電壓為1.8~3.8V，工作電壓范圍比較寬，有利于電壓模塊的簡單設(shè)計。因此智能門鎖可以選用3.3V的鋰電池系統(tǒng)供電，無需前端添加LDO芯片。又或者選用3節(jié)1.5V的干電池供電加LDO芯片降壓到3.3V。由于芯片的工作電壓比較寬，相對于傳統(tǒng)的2.8~3.6V的MCU，它省略了升壓芯片、電荷泵等前端芯片。

　　· 執(zhí)行部件

　　EFM32的內(nèi)部Timer可參數(shù)帶死區(qū)控制的PWM和常用的單邊沿、雙邊沿PWM，非常有利于控制開鎖電機，執(zhí)行相應(yīng)的動作控制。同時，為了便于對非法撬鎖、破壞等情況進行警報，可利用I/O擴展相應(yīng)的聲光報警設(shè)備。為了擴展門鎖系統(tǒng)的用戶信息存儲，可利用EFM32的SPI接口對外擴展NorFlash。

　　· 交互與通信

　　在高端的門鎖應(yīng)用中，友好的人機交互界面是必需的部分，可選用EFM32帶EBI或TFT驅(qū)動器的系列芯片擴展液晶屏、用UART擴展遠程警報使用的GSM模塊、使用I/O擴展用戶交互操作按鍵。

　　選用EBI接口實現(xiàn)擴展液晶屏顯示時，需要選用8080接口帶Driver芯片的液晶屏，而選用片內(nèi)帶TFT驅(qū)動器的MCU時，選用RGB565接口的標準液晶屏接口即可。在簡單的門鎖系統(tǒng)中也可以省略顯示液晶屏，又或者選用EFM32片內(nèi)帶有的LCD控制器，驅(qū)動段碼式的液晶屏進行簡單的操作指引。在門鎖被暴力破壞或非法闖入時，主控MCU可通過UART發(fā)送對應(yīng)的AT執(zhí)行，控制GSM模塊以短信形式通知用戶。

　　指紋鎖的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖所示。

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　　非接觸卡式門鎖系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如下圖所示。

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　　接觸卡式門鎖系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖框圖如下圖所示。

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　　方案優(yōu)勢

　　相對于傳統(tǒng)的8位、16位單片機實現(xiàn)的智能門鎖方案，基于EFM32實現(xiàn)的本方案具有以下優(yōu)勢：

　　· 低功耗

　　EFM32是全球最低功耗的32位微控制器，它具有5種功耗模式，在RTC在運行，LEUART、LCD控制器、DMA可運行的EM2模式下，功耗電流僅為900nA，在關(guān)斷模式Em4，功耗電流僅20nA。優(yōu)異的MCU低功耗特性將為延長門鎖的電池壽命起到極其關(guān)鍵的作用。為了滿足低功耗應(yīng)用場合的需求，EFM32具有完善的低功耗工作機制和極低功耗的外設(shè)，通過PRS與DMA的結(jié)合，LEUART可以工作在無內(nèi)核干預(yù)的睡眠模式。在內(nèi)核睡眠模式無內(nèi)核干預(yù)的情況下，LCD可以保持顯示，甚至可以實現(xiàn)簡單的動畫顯示。

　　EFM32具有低功耗性能優(yōu)異的外設(shè)：片上12bit的ADC在1Msps的速率下，功耗電流僅需350μA;模擬比較器工作僅需100nA;LCD驅(qū)動8×36段LCD顯示，僅需0.55μA;全功能的LEUART，在9600bps的速率下，功耗電流僅需150nA;AES執(zhí)行128/256bit AES加/解密僅需54/75個時鐘周期。

　　· 高集成度、高性能

　　EFM32是Cortex-M3內(nèi)核，內(nèi)核的指令效率以及代碼密度比傳統(tǒng)的8位單片機高，尤其是在算法處理方面具有比較大的優(yōu)勢。例如相同的C語言AES算法或3DES算法，在Cortex-M3內(nèi)核的MCU中運行，效率比在8位單片機上運行高約4倍，因此MCU具有更快地處理、響應(yīng)外設(shè)事件的能力。除此外，EFM32片上集成LCD驅(qū)動器、智能卡ISO7816接口、AES硬件模塊等資源，豐富的集成外設(shè)為不同的系統(tǒng)應(yīng)用提供多樣性的選擇。

　　· 可擴展性良好

　　EFM32的TG、G、GG系列之間具有良好的兼容性，同系列型號的芯片是pin-pin兼容，保證用戶在統(tǒng)一的硬件平臺上，可進行不同功能需求的裁剪。Flash資源從最低的4KB~1024KB，RAM資源從2KB~128KB。

　　總結(jié)

　　EFM32具有優(yōu)異的低功耗特性，非常適合于對于低功耗有苛刻要求的智能門鎖系統(tǒng)的應(yīng)用。EFM32內(nèi)核采用運算性能突出的Cortex-M3設(shè)計，極大地縮短了智能門鎖應(yīng)用中的算法處理時間，提高了系統(tǒng)的性能。EFM32具有豐富的外設(shè)，為系統(tǒng)擴展功能及降低成本提供了條件。因此，EFM32是低功耗智能門鎖主控MCU的不二之選。