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오늘날 전자 부품 시장은 다양한 목적을 위한 시스템을 구축할 수 있는 충분한 기회를 제공합니다. 그러나 질문이 생깁니다. 특정 시스템에 대한 최적의 구성 요소를 선택하는 방법은 무엇입니까? 게시된 기사에서는 널리 사용 가능한 저렴한 구성 요소를 사용하는 자동화된 액세스 제어 시스템의 설계에 대해 설명합니다.

그럼 어디서부터 시작해야 할까요? 모든 시스템의 개발은 충족해야 하는 요구 사항 목록을 작성하는 것부터 시작됩니다. 기사에 설명된 시스템의 경우 목록은 다음과 같습니다. 시스템은 다음을 수행해야 합니다.

하나의 문을 통해 방에 대한 액세스를 제어합니다.
각 사용자에 대해 고유한 ID를 제공합니다.
통과 시간과 사용자 ID를 기록하여 통과 로그를 유지합니다.
세 가지 범주의 사용자에게 작업을 제공합니다.

시스템에 어떤 구성 요소가 포함되어야 하는지 결정해 보겠습니다. 이렇게 하려면 위에 나열된 요구 사항을 고려하십시오. 포인트 1부터 도어 개폐 메커니즘을 제어하는 데 하나의 입력/출력 라인이 필요하고 식별자를 입력하는 데 하나의 장치가 필요합니다.

사용자 식별 기술(2항)의 선택은 보안(전자 키/코드를 선택하여 제1,2자가 객체에 접근하는 것을 방지), 사용 편의성(사용자가 식별에 소비하는 시간)과 같은 시스템 특성에 큰 영향을 미칩니다. 프로세스), 시스템 자체와 추가 작업 비용이 발생합니다. 여기서 가능한 솔루션의 예로는 키보드를 통한 비밀번호 입력, 자기 띠가 있는 카드 및 Dallas Semiconductor의 iButton 전자 키 사용 등이 있습니다[XNUMX].

키보드를 통해 비밀번호를 입력하는 것은 구현하기가 가장 간단하고 저렴하지만 사용자가 비밀번호를 잊어버리거나 다른 사람이 비밀번호를 염탐할 수 있기 때문에 매우 편리하거나 안전하지는 않습니다. 게다가 건물에 자주 출입하다 보니 코드 조합을 입력하는 데 시간도 꽤 많이 걸린다.

플라스틱 카드는 사용하기 더 편리하고 이러한 시스템은 "해킹"하기가 더 어렵습니다. 그러나 이를 구현하려면 카드에서 정보를 읽기 위한 추가 장치와 정보를 기록하기 위한 특수 장비가 필요합니다. 새로운 사용자를 추가합니다. 이는 최종 시스템의 비용을 크게 증가시킵니다.

마지막 옵션을 고려해 봅시다. iButton 키는 직경 18mm, 높이 6mm의 금속 MicroCan 태블릿 하우징에 내장된 집적 회로입니다. 이 디자인으로 생산되는 제품의 범위는 실시간 시계, 온도 센서, 비휘발성 메모리 등 매우 광범위합니다. iButton은 저렴하며(약 2달러) 리더 구현도 매우 간단합니다. 기본적으로 데이터 버스는 마이크로컨트롤러 포트의 단일 I/O 라인에 직접 연결됩니다. 이 경우 소프트웨어에서 1-Wire 프로토콜을 구현하기만 하면 됩니다. 이러한 시스템의 사용 편의성도 분명합니다. 코드를 읽으려면 사용자가 "태블릿"으로 접촉 패드를 터치하기만 하면 됩니다. 설명된 시스템의 경우 식별 이외의 다른 기능을 수행하지 않는 DS1990 수정이 선택되었습니다. 즉, 칩에는 장치에 특수 명령을 보내 읽을 수 있는 고유 코드만 포함되어 있습니다.

기능 요구 사항으로 돌아가 보겠습니다. 3절부터 보안 개체에 대한 사용자 액세스에 대한 시간 및 기록 정보를 추적해야 합니다. 당연히 정전 가능성에 대비해야 하므로 시간 및 로깅 메커니즘은 이러한 종류의 문제에 저항할 수 있어야 합니다. DS1990이 사용자 식별자로 선택되었고 어떤 경우에도 1-Wire 프로토콜을 프로그래밍 방식으로 구현해야 하므로 또 다른 iButton 수정인 DS1994를 실시간 클록으로 사용하는 것이 합리적입니다. 이 칩에는 10년 동안 시계가 작동하도록 보장하는 내장 리튬 배터리가 포함되어 있습니다.

패스 로그를 저장하기 위해 Atmel AT45의 일련의 플래시 메모리가 선택되었습니다[3]. 이 유형의 메모리에 데이터 읽기/쓰기는 직렬 SPI 프로토콜을 사용하여 수행되며 관련된 총 입출력 라인 수는 7입니다. 이 시리즈의 사용 가능한 마이크로 회로 중에서 메모리 용량이 45Mbit인 AT041D4이 선택되었습니다.

시스템 설정을 관리하려면 키보드가 필요합니다. 이 경우 숫자 3~4와 "*" 및 "#" 기호가 포함된 버튼의 0x9 매트릭스이면 충분합니다. 이러한 키보드에는 또 다른 3+4=7 마이크로컨트롤러 I/O 라인이 필요합니다.

시스템에 있어야 할 마지막 것은 통과 로그를 보고 시스템을 구성하기 위한 작은 디스플레이입니다. 현재 생산되는 저렴한 디스플레이의 범위는 매우 광범위하지만 우리의 경우 그래픽 출력이 필요하지 않으므로 영숫자 정보를 표시하는 데는 LCD만으로 충분합니다. 오늘날 가장 인기 있는 것은 HITACHI HD44780 컨트롤러[4]를 기반으로 하는 LCD입니다. 연결이 쉽고 비용이 저렴하다는 특징이 있습니다. 데이터는 7비트 또는 XNUMX비트 인터페이스(사용된 모드에 따라 다름)를 통해 전송되며, 제어 신호를 전송하려면 XNUMX개의 I/O 라인이 더 필요합니다. I/O 라인을 절약하기 위해 XNUMX비트 인터페이스를 선택했기 때문에 LCD 제어를 위한 총 I/O 라인 수도 XNUMX개입니다.

이것으로 주변 장치 선택이 완료됩니다. 이제 위의 모든 장치를 효과적으로 제어할 수 있는 마이크로컨트롤러를 선택해야 합니다. 먼저 시스템에서 사용될 필수 입출력 라인 수를 계산해 보자(표 1). 얻은 결과는 최종적이지 않습니다. 향후(작동 중에) LED, 동적 스피커 헤드 등을 연결하기 위해 추가 입력/출력 라인이 필요할 수 있기 때문입니다. 따라서 입력이 더 많은 마이크로컨트롤러를 선택하는 것이 좋습니다. /표에 지정된 것보다 출력 라인 1.

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프로그래밍 관점에서 볼 때 소위 ISP 기술(IP 시스템 프로그래밍 - 회로 내 프로그래밍)을 구현하는 마이크로컨트롤러는 매우 매력적입니다. 새로운 프로그램 코드를 마이크로컨트롤러에 로드하기 위해 보드에서 제거할 필요가 없습니다. 프로그래밍은 특수 핀을 통해 회로 내에서 수행됩니다. 또한 일부 수정의 경우 프로그래머가 필요하지 않습니다. "펌웨어"는 컴퓨터의 병렬 포트를 통해 수행됩니다. 당연히 가장 수용 가능한 솔루션은 펌웨어에 대한 추가 자금이 필요하지 않은 시스템에서 이러한 마이크로 컨트롤러를 사용하는 것입니다.

이 작업을 구현하기 위해 89 제품군의 마이크로컨트롤러와 코드 및 핀 레이아웃이 완벽하게 호환되는 AT8252S8051 마이크로컨트롤러가 선택되었습니다. 이 마이크로컨트롤러는 8KB의 회로 내 프로그래밍 가능 플래시 프로그램 메모리와 1000회의 다시 쓰기 주기 리소스, 2KB의 내장 EEPROM(전기적으로 지울 수 있는 프로그래밍 가능한 읽기 전용 메모리), 256바이트 RAM, 32개의 I/O 라인, 24개의 타이머, 감시 타이머, 하드웨어는 SPI 인터페이스를 지원합니다. 클록 주파수 - 약...12MHz(XNUMX개의 머신 사이클은 XNUMX개의 클록 사이클에서 수행되므로 최대 성능은 초당 XNUMX만 작업입니다.)

이 특정 마이크로 컨트롤러의 선택은 다음과 같이 정당화됩니다. 8051 시리즈 마이크로컨트롤러에는 광범위한 명령어 세트가 있어 낮은 수준에서 쉽게 프로그래밍할 수 있습니다(예: 개별 비트에 대한 작업이 지원됩니다[5]). ISP 기술은 디버깅 속도를 높이고 개발을 용이하게 하며, SPI 인터페이스에 대한 하드웨어 지원을 통해 이 프로토콜을 추가로 프로그래밍하지 않고도 선택한 AT45 시리즈 플래시 메모리를 연결할 수 있습니다. 2KB의 내장 EEPROM을 사용하여 정보를 저장할 수 있으며, 외부 전원의 존재 여부에 관계없이 안전성이 보장되어야 합니다. 32개의 I/O 라인은 설명된 시스템을 구현하기에 충분합니다. 타이머가 있으면 정확한 타이밍 지연이 필요하므로 1-Wire 프로토콜을 유연하게 구현할 수 있습니다.

감시 타이머는 컨트롤러가 정지될 수 있는 강한 전자기 간섭에 노출되었을 때 시스템 기능을 보장합니다. 감시 타이머는 N 클록 주기마다 마이크로프로세서 상태 레지스터의 한 비트 상태를 확인하는 마이크로 컨트롤러의 독립적인 하위 시스템입니다. 이 비트가 세트되면 마이크로 컨트롤러는 초기 상태로 리셋되고, 리셋되면 1로 세트되어 테스트가 중지된다. 따라서 실행된 프로그램은 N 클럭 사이클 이하의 간격으로 이 비트를 재설정해야 합니다. 이것이 발생하지 않으면 외부 간섭으로 인해 마이크로 컨트롤러의 작동이 중단되었으며 다음에 감시 타이머가 트리거될 때 마이크로 컨트롤러가 초기 상태로 재설정된다는 의미입니다.

소프트웨어 구현으로 넘어가기 전에 시스템의 즉각적인 기능을 수행하는 효율성의 관점에서 아키텍처를 다시 한 번 살펴보겠습니다. 설계된 시스템은 정보를 입력하는 두 가지 방법, 즉 키보드(시스템 설정 명령, 패스 로그 보기) 사용 및 1-Wire 인터페이스의 접촉 패드를 통한 방법을 지원합니다. 시스템의 주요 목적은 액세스 제어이므로 1-Wire 패드 폴링 시간은 키보드 폴링에 할당된 시간을 초과해야 합니다.

1-Wire 프로토콜의 사양을 고려하면 근본적으로 두 가지 상황이 가능하다는 것을 알 수 있습니다. 첫 번째는 라인에 장치가 하나만 있는 경우이고 두 번째는 장치가 더 많은 경우입니다. 라인에 있는 장치 수와 해당 식별자를 확인하기 위해 1-Wire 프로토콜 사양에 지정된 특수 검색 메커니즘이 있습니다. 이는 라인에 있는 장치의 순차적 스크리닝과 주소 공간("버튼" 식별자 공간)의 비트별 스캐닝으로 구성됩니다. 또한 이 절차는 연결된 장치와의 통신 주기마다 다시 수행되어야 합니다. 변경될 수 있습니다).

이미 언급했듯이 우리 시스템은 실시간 클록과 식별 키를 모두 연결하는 데 사용되는 하나의 1-Wire 라인을 가질 계획이며, 시스템의 일부인 실시간 클록은 다음 위치에 연결됩니다. 항상. 이는 회선에 둘 이상의 장치가 있을 수 있는 상황이 있음을 의미합니다. 위 사항과 입력/출력 포트의 여유 라인 존재를 고려하여 시스템에서 1-Wire 프로토콜용 라인을 할당하는 것이 합리적입니다. 실시간 클록은 그 중 하나에 영구적으로 연결되고 두 번째는 사용자 식별자를 표시하는 데에만 사용됩니다. 이 구성을 사용하면 언제든지 각 라인에 하나의 장치만 있도록 하여 시스템 구현을 크게 단순화하고 응답 시간을 단축하며 프로그램 메모리 공간을 절약할 수 있습니다.

DS1994 실시간 클록에는 초당 256회 증가하는 5바이트 카운터가 있습니다. 오버플로되면 카운트다운이 136부터 계속됩니다. 카운터가 오버플로되기 전까지 01.01.2000년 동안 작동하려면 00바이트면 충분합니다. 사용자가 자신에게 편리한 형식으로 시간을 표시해야 하고 시계를 설정하는 기능도 제공해야 하기 때문에 임베디드 시스템은 날짜와 시간을 내부 형식에서 내부 형식으로 변환하는 기능을 지원해야 합니다. 텍스트 형식과 그 반대의 경우도 마찬가지입니다. 기준점으로 선택된 날짜는 00/00/2136 XNUMX:XNUMX:XNUMX이며 이는 대략 XNUMX년까지 시계 및 로깅 작업을 보장합니다.

그리고 주목해야 할 점 하나 더. 우리는 패스 로그가 외부 플래시 메모리에 저장된다는 데 동의했지만 여전히 액세스 권한 목록을 저장할 장소를 결정해야 합니다. 마이크로컨트롤러를 설명할 때 내장된 2KB EEPROM이 언급되었습니다. 액세스 목록이 통과 로그보다 더 중요하고 예를 들어 후자가 통과 로그에서 (물리적으로) 제거될 수 있으므로 이러한 목적에 이상적입니다. 보드에서 해당 칩을 제거하면 시스템이 작동할 수 없는 마이크로컨트롤러를 제거해야만 액세스 권한 목록을 제거할 수 있습니다. 설명된 시스템에서 지정된 메모리 양은 168개의 계정을 수용하기에 충분했습니다. 즉, 최대 사용자 수는 168명입니다.

통과 로그는 순환 목록으로 구현되며, 넘칠 경우 가장 오래된 항목부터 삭제됩니다. 하나의 로그 항목 크기는 12바이트(전송 시간 4바이트, 식별자 8바이트)입니다. 이는 첫 번째 로그 오버플로가 발생하기 전에 약 45개의 패스를 기록할 수 있는 충분한 로그 메모리가 있음을 의미합니다.

개발 과정에서 도어의 리드 스위치라는 또 다른 구성 요소가 시스템에 추가되었습니다. 이는 시스템이 현재 문이 열려 있는지 닫혀 있는지 확인하고 전자석의 전원을 일시적으로 끄는 데 필요합니다. 도어 열기를 위한 다음 알고리즘이 구현됩니다. 솔레노이드 코일에 전압이 적용되고 시스템은 도어가 열리거나 5초의 시간 지연이 만료될 때까지 기다린 후 전압 공급이 중단됩니다.

개발된 장치의 개략도가 그림에 나와 있습니다.

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보시다시피 DD1 마이크로 컨트롤러 외에도 DS1 플래시 메모리 칩, 12버튼 키보드 SB1 - SB12 및 LCD HG1이 포함되어 있습니다. 마이크로 컨트롤러의 클록 주파수는 ZQ1 석영 공진기에 의해 24MHz로 설정됩니다. 포트 P0은 iButton 시계(X1 소켓에 연결됨) 및 식별자(X2에 연결됨)의 정보를 입력하고 잠금 전자석인 HL1 LED에 전원을 공급하는 릴레이(트랜지스터 키를 통해)를 제어하는 데 사용됩니다. 문이 열리고 리드 스위치에 설정된 상태가 등록됩니다. 정보는 포트 P1을 통해 DS1 플래시 메모리 칩과 교환됩니다. 키보드는 포트 P2에서 제공되며 표시기 HG1은 포트 P5입니다. 장치는 16V의 안정화된 전압으로 전원을 공급받습니다. 전자석의 작동을 제어하는 릴레이에 전원을 공급하려면 20...XNUMXV의 전압 소스가 필요합니다.

장치는 적절한 크기의 보드에 조립됩니다. DD1 마이크로컨트롤러와 DS1 메모리 칩을 연결하려면 적절한 소켓을 사용하는 것이 좋습니다. 실장된 보드는 플라스틱이나 금속 케이스에 들어가고 전면 패널에는 키보드와 LCD 디스플레이가 배치된다. 장치는 보호 구역 내부에 설치됩니다.

마이크로컨트롤러 펌웨어 코드 및 프로그램 소스 코드

장치를 켜면 표에 표시된 메뉴 항목 목록이 LCD에 표시됩니다. 2. 표시기에는 두 줄만 있으므로 "#" 및 "*" 키를 사용하여 가로로 스크롤합니다. 위 명령을 실행하려면 관리자 권한이 필요하며 해당 키를 눌러 메뉴 항목을 선택한 후 관리자 권한이 있는 키를 제시해야 하며, 그렇지 않으면 요청한 명령이 무시됩니다.

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장치를 작업하는 동안 다양한 개발 단계에서 문제가 발생했습니다. 다음 사항에 주목하고 싶습니다.

하드웨어 부분. 모든 마이크로프로세서는 입력/출력 포트의 입력 및 출력 전류에 대해 허용되는 최대 값을 갖습니다. 예를 들어 시스템에서 LED를 사용해야 하는 경우 활성 상태가 로그이면 대부분의 마이크로 컨트롤러는 I/O 포트에 필요한 전류를 공급할 수 없습니다. 1. 이러한 경우에는 로그 상태를 활성화해야 합니다. 0 LED 양극을 전원 버스에 연결하여. 또한 부하와 직렬로 약 2kOhm의 저항을 가진 저항을 연결하여 전류를 제한하는 것을 잊어서는 안됩니다. 여전히 로그를 사용해야 하는 경우. 1이 활성 상태이고 부하가 너무 크면 부하를 켜기 위해 트랜지스터 스위치를 사용해야 합니다.

1-Wire 버스를 구현할 때 저항을 통해 데이터 버스를 공급 전압으로 "풀업"해야 합니다. 이는 낮은 상태에서 높은 상태로 전환하는 동안 라인이 로그에 대한 전환 임계값에 빠르게 도달하기 위해 필요합니다. 1. 저항기 값은 4,7~5,1kΩ 내에 있어야 합니다. 전선이 충분히 길면(수 미터) 저항기의 저항이 줄어들 수 있습니다.

마이크로 컨트롤러 포트에 연결된 모든 장치가 소비할 수 있는 최대 전류를 잊어서는 안됩니다. 모두 활성 상태인 경우를 고려하여 마이크로컨트롤러가 그러한 출력 전력을 제공할 수 있는지 계산해야 합니다. 최대 허용 값을 초과하면 장치가 적시에 켜지지 않습니다.

소프트웨어 부분. 개발 프로세스의 대부분은 사용되는 컴파일러, 코드를 얼마나 잘 최적화하고 메모리에 배치하는지, 자체 에뮬레이터에서 프로그램을 디버그할 수 있는지 여부, 프로그램 실행 시간 추적 등에 따라 달라집니다.

프로그램이 문자열 상수를 사용하는 경우 RAM의 제한된 양으로 인해 특수 지시문을 사용하여 해당 상수가 프로그램 메모리 영역에 위치해야 함을 컴파일러에 표시해야 합니다. 예를 들어, Keil uVision 컴파일러의 경우 'const char code sz[6] = "Hello"'와 같습니다. 여기서 수정자 "code"는 문자열이 프로그램 메모리에 배치되어야 함을 컴파일러에 알립니다.

시간이 중요한 작업의 경우 타이머를 사용하는 것이 더 좋습니다. 이 경우 주파수가 변경되면 쉽게 조정할 수 있는 하나의 상수를 도입하여 클럭 주파수에 대한 바인딩이 발생하기 때문입니다.

전달된 매개 변수가 너무 많은 함수를 생성하면 안 됩니다. 호출 시 레지스터를 통해 전송이 발생하기 때문입니다(매개 변수가 너무 많으면 메모리의 고정 영역을 통해). 이러한 각 호출에는 함수를 호출하기 전에 레지스터 값을 저장하고 함수 내에서 해당 매개변수를 검색하는 추가 코드가 필요합니다. 해결책은 전역 변수를 사용하는 것일 수 있지만, 호출된 함수가 동일한 매개변수를 사용하는 함수를 호출하는 경우에는 매우 주의해야 합니다.

프로그래밍에 고급 언어를 사용하는 경우 최적성 관점에서 결과 어셈블리 코드를 평가하는 것이 유용합니다(메모리 부족 문제에 직면한 경우).

최신 컴파일러는 고급 언어로 프로그램을 작성할 때 상당히 간결하고 빠른 어셈블리 코드를 생성하므로 모든 코드를 어셈블리 언어로 작성할 필요는 없습니다. 그러나 시간이 중요한 절차에서는 속도와 정확성 측면에서 어셈블러를 사용하는 것이 합리적입니다.

당연히 기사에 설명된 시스템은 여러 방향으로 개선될 수 있습니다. 예를 들어, 시간을 기준으로 액세스 제한을 추가하고, 무단 액세스 시도를 기록하고(액세스 권한이 없는 식별자 표시), 두 번째 개체에 대한 액세스 제어 지원을 추가합니다(추가로 XNUMX개의 입력/출력 라인이 필요함). 아시다시피 완벽에는 제한이 없지만 마이크로 컨트롤러의 프로그램 메모리 양은 제한되어 있습니다. 이 기사의 주요 목표는 특정 예를 사용하여 임베디드 시스템을 만드는 전체 과정을 보여주고 개발 중에 발생할 수 있는 문제 해결에 대한 실질적인 조언을 제공하는 것입니다.

문학

Dallas Semiconductor 기술 문서. - .
Sinyutkin A. 태블릿 키 iButton의 전자 잠금 장치. - 라디오, 2001, No. 2, p. 31~33; 3호, p. 30. 31.
Atmel 기술 문서 AT45D041. - .
Hitachi 기술 문서 "HD44780U(LCD-11)(도트 매트릭스 액정 디스플레이 컨트롤러/드라이버) ADE-207-272(Z) '99.9 Rev. CO".
Predko M. 마이크로컨트롤러 가이드. 볼륨 1. - M.: Postmarket, 2001.

저자: A.Rantsevich, 민스크

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