RFM001射频模块电锁控制器的设计

　摘 要：为得到较低的成本、提高可靠性和便于操作，电锁控制器的设计应遵循简明原则。本文介 绍采用RFM001射频模块的感应锁控制器的设计思路，并提供软硬件设计实例。母钥/子钥 模式是一种兼顾安全和简化操作的钥匙管理模式。

　　近年来随着射频IC卡技术在各领域的应用日趋成熟和广泛， 采用射频卡为钥匙的射频感应电锁，因独具操作方便、安全性能高等特点，已在新 型电控锁具中占有了举足轻重的地位。

　　射频感应电锁通常由载有密码的射频IC卡（射频钥匙）来代替传统的金属制作的钥匙。在读出密 码后，通过一个电子控制器产生开门电信号，继而接通电源，驱动电控锁具开关门。这样做的好处首 先是杜绝了非法复制钥匙，其次是为人员进出实现信息化管理创立了条件。但是，锁的结构变得复杂 起来，不可靠的因素随之增加，成本也大幅度上升；又由于增加了某些操作，与机械锁相比使用难 度也提高了。可见，射频感应电锁在安全性能改善的同时，也带来了可靠性、成本、可操作性等一系 列新问题。如果在设计上不给以注意和采取措施的话，它反倒成了一种麻烦。

　　可以认为，过于复杂的控制器往往是“麻烦”的根源。基于上述考虑，对射频感应电锁控制器， 不论采用何种技术设计，都应该遵从一个原则，即在保证基本功能的前提下，控制器要做得尽可能简 单。这里，基本功能一条很重要。也就是说， 在设计的开始，一定要仔细界定功能， 坚决剔除那些可有可无的东西。有的电控锁，除了开关门功能以 外，增加了许多不常用或难使用的功能，其结果，不但徒然增加了许多成本，还大大降低了可靠性。 这是导致产品不成功的重要因素。

　　本文介绍的感应锁控制器，力求符合实用、简单的设计原则，务求电控锁能够充分地扬长避短， 即在更安全的同时，保持较低成本（不降低性能为前提）、提高可靠性。

1 设计规范

1.1 功能要求

一个感应锁控制器的基本功能应包括：

◇ 感应钥匙开/关门；
◇ 感应钥匙（射频IC卡）的添加与清除；
◇ 锁体电磁离合器的驱动；
◇ 控制器工作状态声、光提示；
◇ 为节省电力进行限时操作，超时后即转入睡眠状态；
◇ 低电压报警；
◇ 按键唤醒功能。

　　为实现上述功能所需的人机界面：启动键（唤醒键）、清除母钥键、添加子钥键、清除子钥键、 状态指示灯、低压指示灯、蜂鸣器。

1.2 操作要求

　　管理射频钥匙一般采用授权发卡体系或卡片分级体系。为了 兼顾安全性和易使用要求，采用母钥-子钥二级模式管理钥匙。母钥的作用相当于一个系 统操作密码，由它对开门钥匙（集子钥）的添加和删除进行限制。

　　如何简单而有效地添加钥匙，是决定感应锁性能的重要课题。以往见到的二进制拨码开关增、删 子钥模式的主要问题是操作繁琐、效率低。采用添加、删除键，利用相邻子钥进行单一删除，是一种 自然、简便的方法。以下是本设计提供的钥匙增删操作要求。

　　① 清除母钥。先按住母钥删除键，后按下启动键，再放开启动键。母钥删除键保持按住5 s，听到一长声后即表示删除母钥完成。此后双灯闪烁，同时鸣叫五短声，表示母钥未设定。

　　② 设定母钥。在双灯闪烁的同时鸣叫五短声后，感应锁控制器将预设为母钥的感应钥匙感应。 听到一短声后，按添加键，蜂鸣器会发出两长声，此时即表示母钥已设定完成。每锁只能有一个母 钥，母钥只能用于增删子钥，不能开门。

　　③ 增加子钥。按启动键后，将母钥感应，听到一短声后，再将欲加入的子钥感应。听到一短声后 按添加键，听到三短声即完成一个子钥之设定。若按增加键后听到一短声，则表示欲加入的子钥早已 设定于内，是重复错误。用母卡做此增加时，也视为重复错误。连续增加时，只需重复感应欲增加的 新子钥，然后按添加键即可，最多增加29个子钥。

　　④ 开/关门。先按启动键，电路由睡眠状态转入读钥态。此时，可用钥匙感应，正确时听到一短 声，状态灯闪烁，门锁离合器通电动作，门开启。开启态持续5 s后，状态灯熄灭，离合器分断，门恢复关闭态。

　　⑤ 清除单一子钥。按启动键后将母钥感应，听到一短声后按清除键，将欲清除的子钥的前一个子 钥感应，听到一短声后再按清除键，听到二短声后即清除完成。如果欲清除的子钥为第一个，则它的 前一个子钥就是母钥。如欲清除的子钥的前一个子钥已被清除但尚未补入新子钥，请用再前一个子钥 清除，依次类推。如打算清除其他子钥，请重复以上操作。

　　⑥ 清除全部子钥。按启动键后将母钥感应，听到一短声后，再次用母钥感应，又听到一短声后， 按住清除键5 s，听到两短声加一长声，即将所有子钥清除完毕。

控制器的几个基本工作状态：

　　① 启动态。接通电源后，如果母钥已设定好，电池不欠压，则双灯均为熄灭状态；如果电池欠 压，则仅欠压指示灯稳定燃亮。如果母钥未设定好，则双灯闪烁，同时鸣叫五短声。

　　② 睡眠态。如果10 s内没有任何读钥操作发生，则电路自动转入睡眠态，以节省电力。

　　③ 电池低压报警态。电池电压≤5 V时低压灯燃亮。此时应尽快更换电池。

　　④ 故障状态。在做增加、清除操作时，如果发现状态灯持续亮，则表示电路故障，应停止使用。

以上操作及相关的声光提示，请参见表1　。

1.3 技术参数

感应锁控制器的技术参数如表2所列。

2 控制器的硬件设计

　　控制电路由单片机(U1)、钥匙存储器(U2)、射频模块(U3)、 人机界面部件、电磁离合器驱动电路和射频天线组成， 采用直流6 V（4节5号电池）供电。 图1 是电路原理图。

　　射频模块选用基于美国德州仪器公司（TI）的射频模块RFM01。它功耗低，读卡速度高，接线简 洁。它需要配接1个电感值为 430～460μH、Q值大于15的天线线圈。也可以选用基于美国ATMEL 公司U2270B的射频模块，但性能稍差。

　　单片机选用ATMEL公司的89C2051。它的端口数和ROM可满足本电路的功能要求。单片机的工 作频率为11.059 2 MHz（不可以高于或低于这个数值，因为软件用这个频率和射频模块匹配）。如果 还要扩展其他功能，例如改用12或16键键盘，增加日历时钟或外扩存储器，可以选用端口数和 ROM更大的单片机。为获得更高的可靠性应采用OTP型兼容单片机。

　　钥匙存储器选用ATMEL公司的24C02 ，可存储30个钥匙。如果打算存储更多的钥匙，应选用该系 列更大容量的型号。为获得更高的可靠性可采用美国XCOR公司的兼容型号。

　　本电路采用了中功率PNP三极管担当电磁离合器驱动电路，可以驱动负荷电流在0.8 A以内的各种电锁专用电磁离合器或电机。如果打算驱动更大 负荷，可以改为继电器驱动方式，三极管输出接到继电器线圈即可，但这样会增大功耗。

　　由4个按键、2只发光二极管、1个蜂鸣器组成人机界面，以便完成 添加、删除、启动等必要的操作。

　　射频模块所匹配的天线线圈的参数必须准确，否则读卡 性能达不到设计要求。制作天线时，必须用仪器测量其参数。这里提供一套与 RFM01匹配的天线参数，如表3所列。该线圈对钥匙型感应体的识别距离为80 mm，对卡片型感应体的识别距离为120 mm。

　　本电路利用89C2051片上集成的比较器构成电池欠压检测电路。当发生 欠压时，点亮发光二极管。

　　为了最大限度地延长电池的使用寿命，当几秒钟没有操 作发生时，电路自动进入低功耗状态，即所谓“睡眠态”。这 是通过软件控制89C2051和射频模块的工作状态实现的。

3 控制器的软件设计

　　硬件需要与高效率的软件相配合，才能实现感应电子锁的各种功能。软件源代码使用C语言编 写，最终代码固化于89C2051的Flash ROM内。图2为流程图。 图2 软件设计流程图