基于ARM與RFID的門禁系統(tǒng)電源穩(wěn)定性研究

狄巨星，李 琦，范晶晶

(1.河北建筑工程學院計算機系，河北 張家口 075024；2.河北北方學院，河北 張家口 075000)

任何閉環(huán)系統(tǒng)在增益為單位增益1，且內(nèi)部隨頻率變化的相移為360°時，該閉環(huán)控制系統(tǒng)都會存在不穩(wěn)定的可能性。因此幾乎所有的開關(guān)電源都有一個閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，從而能獲得較好的性能。在負反饋系統(tǒng)中，控制放大器的連接方式有意地引入了180°相移，如果反饋的相位保持在180°以內(nèi)，那么控制環(huán)路將總是穩(wěn)定的。當然，在現(xiàn)實中這種情況是不會存在的，由于各種各樣的開關(guān)延時和電抗引入了額外的相移，如果不采用適合的環(huán)路補償，這類相移同樣會導(dǎo)致開關(guān)電源的穩(wěn)定性。以下針對門禁系統(tǒng)電源的特點，對該系統(tǒng)開關(guān)電源的穩(wěn)定性進行了研究[1]。

1 RFID門禁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能分析

門禁系統(tǒng)是指通過電子化的身份識別裝置(如磁卡、射頻卡)或生物特征識別方式(如語音、虹膜、指紋)識別欲開門的身份，并根據(jù)預(yù)先設(shè)定的權(quán)限決定是開門還是發(fā)出報警信號，本系統(tǒng)采用非接觸式卡。常見的門禁系統(tǒng)多采用RS-485總線實現(xiàn)身份識別裝置與控制主機之間的通信。

1.1 門禁系統(tǒng)構(gòu)成

門禁系統(tǒng)需要配備的硬件包括：RFID門禁卡、嵌入式門禁控制器、系統(tǒng)電源、發(fā)卡器、閱讀器、電控鎖和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等[2]。每個終端存儲有此終端準入授權(quán)的密鑰識別碼(“通用密鑰”、“加密后樓棟單元編碼”、“加密后房間編碼”)。終端將數(shù)據(jù)載體中存儲的所有密鑰識別碼與所存儲的所有密鑰識別碼進行比較，一旦找到一個相符的識別碼，即給予準入授權(quán)。由中央程序站對標簽進行編程，本系統(tǒng)采用DES、RSA加密算法進行加密處理，除了授權(quán)準許進入之外，標簽內(nèi)頁可以編入有效期限，以備臨時用戶使用[3]。

1.2 門禁系統(tǒng)的功能

門禁系統(tǒng)具備以下功能：

(1)基本資料：可錄入門禁使用單位類型、員工婚姻狀況、職務(wù)、學歷、職稱等一些重復(fù)錄入的數(shù)據(jù)。

(2)機構(gòu)設(shè)置：錄入機構(gòu)的名稱、類型、電話、傳真、通信地址等資料，并建立其相互關(guān)系。

(3)員工管理：包括員工發(fā)行卡片和注銷卡片。

(4)設(shè)備安裝區(qū)域：建立設(shè)備的安裝區(qū)域資料和聯(lián)系。

(5)設(shè)備資料：輸入設(shè)備的基本資料、控制參數(shù)、時間參數(shù)等。

(6)設(shè)備授權(quán)：輸入設(shè)備的準許打卡人員以及人員的有效期和有效的時間段資料。

(7)發(fā)送/接收：包括讀取設(shè)備時間、設(shè)置設(shè)備時間、清除設(shè)備歷史記錄、恢復(fù)設(shè)備歷史記錄、設(shè)定門禁控制參數(shù)、設(shè)定門禁的節(jié)假日、設(shè)定門禁的準許時段、高級定考勤機參數(shù)、設(shè)定考勤機報時時間表、設(shè)定設(shè)備的準許人員[4]。

(8)數(shù)據(jù)采集：將設(shè)備的歷史記錄保存到數(shù)據(jù)庫中，以便進行處理。

(9)門禁控制：監(jiān)視門禁控制器的開關(guān)狀態(tài)、報警狀態(tài)等，并能進行遠程門禁控制。

(10)默認門禁節(jié)假日：建立默認的門禁控制器節(jié)假日和每周休息日的資料，規(guī)定在法定或者規(guī)定的節(jié)假日期間門禁的進入許可。

(11)默認門禁準進時段：建立默認的門禁控制器工作日時段、非工作日時段、門常開時段和星期時段資料。

(12)查詢報表：包括機構(gòu)報表、員工報表、員工持卡報表情況、設(shè)備資料報表、設(shè)備準許人員報表、打卡記錄報表、設(shè)備事件記錄報表。

(13)安全方案[5]：門禁控制器與控制主機之間的信息交換是通過以太網(wǎng)完成的，傳輸內(nèi)容非常容易被截獲和分析，為此需要保證兩者之間信息傳遞的安全性，包括以下幾方面：

用戶身份認證的保密性。在門禁控制器向控制主機發(fā)送用戶身份認證時，需要對用戶身份認證進行加密，這樣即使相關(guān)報文被截獲也無法非常方便地分析出用戶身份認證，以防用戶身份被仿造。

控制主機開門命令不可偽造。惡意用戶無法通過截獲和分析原有開門報文的格式，偽造出新控制主機的開門命令。

控制主機和門禁控制器之間的相互鑒別。兩者可以準確的鑒別報文內(nèi)容是否是對方發(fā)來的，即使惡意用戶通過偽造IP地址等方式也無法欺騙。

2 門禁系統(tǒng)電源穩(wěn)定性研究

2.1 門禁系統(tǒng)電源穩(wěn)定性指標

衡量開關(guān)電源穩(wěn)定性的指標是相位裕度和增益裕度。相位裕度是指：增益降到0 dB時所對應(yīng)的相位。增益裕度是指：相位為零時所對應(yīng)的增益大小(實際是衰減)。在實際設(shè)計開關(guān)電源時，只在設(shè)計反激變換器時才考慮增益裕度，設(shè)計其它變換器時，一般不使用增益裕度。

在開關(guān)電源設(shè)計中，相位裕度有兩個相互獨立作用：一是可以阻尼變換器在負載階躍變化時出現(xiàn)的動態(tài)過程；另一個作用是當元器件參數(shù)發(fā)生變化時，仍然可以保證系統(tǒng)穩(wěn)定。相位裕度只能用來保證“小信號穩(wěn)定”。在負載階躍變化時，電源不可避免要進入“大信號穩(wěn)定”范圍。工程中我們認為在室溫和標準輸入、正常負載條件下，環(huán)路的相位裕度要求大于45°。在各種參數(shù)變化和誤差情況下，這個相位裕度足以確保系統(tǒng)穩(wěn)定。如果負載變化或者輸入電壓范圍變化非常大，考慮在所有負載和輸入電壓下環(huán)路和相位裕度應(yīng)大于30°。

圖1所示為門禁系統(tǒng)電源控制環(huán)路示意圖，開關(guān)電源控制環(huán)路由以下3部分構(gòu)成：

(1)功率變換器部分，主要包含方波驅(qū)動功率開關(guān)、主功率變壓器和輸出濾波器；

(2)脈沖寬度調(diào)節(jié)部分，主要包含PWM脈寬比較器、圖騰柱功率放大；

(3)采樣、控制比較放大部分，主要包含輸出電壓采樣、比較、放大(如TL431)、誤差放大傳輸(如光電耦合器)和PWM集成電路內(nèi)部集成的電壓比較器(這些放大器的補償設(shè)計最大程度的決定著開關(guān)電源系統(tǒng)穩(wěn)定性，是設(shè)計的重點和難點)。

2.2 門禁系統(tǒng)電源穩(wěn)定性分析

如圖1所示，假如在節(jié)點A處引入干擾波，此方波所包含的能量分配成無限列奇次諧波分量。如果檢測到真實系統(tǒng)對不斷增大的諧波有響應(yīng)，則可以看出增益和相移也隨著頻率的增加而改變。如果在某一頻率下增益等于1且總的額外相移為180°(此相移加上原先設(shè)定的180°相移，總相移量為360°)，那么將會有足夠的能量返回到系統(tǒng)的輸入端，且相位與原相位相同，那么干擾將維持下去，系統(tǒng)在此頻率下振蕩。如圖2所示，通常情況下，控制放大器都會采用反饋補償元器件Z2減少更高頻率下的增益，使得開關(guān)電源在所有頻率下都保持穩(wěn)定。

波特圖對應(yīng)于小信號(理論上的小信號是無限小的)擾動時系統(tǒng)的響應(yīng)；但是如果擾動很大，系統(tǒng)的響應(yīng)可能不是由反饋的線性部分決定的，而可能是由非線性部分決定的，如運放的壓擺率、增益帶寬或者電路中可能達到的最小、最大占空比等。當這些因素影響系統(tǒng)響應(yīng)時，原來的系統(tǒng)就會表現(xiàn)為非線性，而且傳遞函數(shù)的方法就不能繼續(xù)使用了。因此，雖然小信號穩(wěn)定是必須滿足的，但還不足以保證電源的穩(wěn)定工作。因此，在設(shè)計電源環(huán)路補償時，不但要考慮信號電源系統(tǒng)的響應(yīng)特性，還要處理好電源系統(tǒng)的大信號響應(yīng)特性。電源系統(tǒng)對大信號響應(yīng)特性的優(yōu)劣可以通過負載躍變響應(yīng)特性和輸入電壓躍變響應(yīng)特性來判斷，負載躍變響應(yīng)特性和輸入電壓躍變響應(yīng)特性存在很強的連帶關(guān)系，負載躍變響應(yīng)特性好，則輸入電壓躍變響應(yīng)特性一定好。

對開關(guān)電源環(huán)路穩(wěn)定性判據(jù)的理論分析是很復(fù)雜的，這是因為傳遞函數(shù)隨著負載條件的改變而改變。各種不同線繞功率元器件的有效電感值通常會隨著負載電流而改變。此外，在考慮大信號瞬態(tài)的情況下，控制電路工作方式轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷€性工作方式，此時僅用線性分析將無法得到完整的狀態(tài)描述。下面詳細介紹通過對負載躍變瞬態(tài)響應(yīng)波形分析來判斷開關(guān)電源環(huán)路穩(wěn)定性。

2.3 門禁系統(tǒng)電源穩(wěn)定性測試

測試條件：(1)無感電阻；(2)負載變化幅度為10%～100%；(3)負載開關(guān)頻率可調(diào)(在獲得同樣理想響應(yīng)波形的條件下，開關(guān)頻率越高越好)；(4)限定負載開關(guān)電流變化率為5 A/μs或者2 A/μs，沒有聲明負載電流大小和變化率的瞬態(tài)響應(yīng)曲線圖形無任何意義。

圖3為瞬變負載波形。圖4為理想響應(yīng)波形，接近最優(yōu)情況，在絕大多數(shù)應(yīng)用中，瞬態(tài)響應(yīng)穩(wěn)定且性能優(yōu)良，增益裕度和相位裕度充足。對于正向和負向尖峰，對稱的波形是同樣需要的，因此從它可以看出控制部分和電源部分在控制內(nèi)有中心線，且在負載的增大和減少的情況下它們的擺動速率是相同的。上面介紹了開關(guān)電源控制環(huán)路的兩個穩(wěn)定性判據(jù)，就是通過波特圖判定小信號下開關(guān)電源控制環(huán)路的相位裕度和通過負載躍變瞬態(tài)響應(yīng)波形判定大信號下開關(guān)電源控制環(huán)路的穩(wěn)定性。

2.4 本系統(tǒng)電源穩(wěn)定性設(shè)計方法

首先測量好脈寬調(diào)整器和功率變換器部分的傳遞特性，然后用“差分技術(shù)”來確定補償控制放大器所必須具有的特性。要想使實際的放大器完全滿足最優(yōu)特性是不大可能的，主要的目標是實現(xiàn)盡可能地接近。具體步驟如下：

(1)找到開環(huán)曲線中極點過零處所對應(yīng)的頻率，在補償網(wǎng)絡(luò)中相應(yīng)的頻率周圍處引入零點，那么在直到等于穿越頻率的范圍內(nèi)相移小于315°(相位裕度至少為45°)；

(2)找到開環(huán)曲線中ESR零點對應(yīng)的頻率，在補償網(wǎng)絡(luò)中相應(yīng)的頻率周圍處引入極點 (否則這些零點將使增益特性變平，且不能按照期望下降)；

(3)如果低頻增益太低，無法得到期望的直流校正，那么可以引入一對零極點以提高低頻下的增益。大多數(shù)情況下，需要進行“微調(diào)”，最好的辦法是采用瞬態(tài)負載測量法。

3 結(jié)束語

作者根據(jù)門禁系統(tǒng)開關(guān)電源穩(wěn)定性特點，提出設(shè)計同類系統(tǒng)電源重點有兩點：一是磁路設(shè)計，重點解決的是從輸入到輸出的電壓及功率變換問題。二是穩(wěn)定性設(shè)計，重點解決的是輸出電壓的品質(zhì)問題。開關(guān)電源穩(wěn)定性設(shè)計的好壞直接決定著開關(guān)電源啟動特性、輸入電壓躍變響應(yīng)特性、負載躍變響應(yīng)特性、高低溫穩(wěn)定性、生產(chǎn)和調(diào)試難易度。作者將上述開關(guān)電源穩(wěn)定性設(shè)計方法和結(jié)論應(yīng)用到了門禁系統(tǒng)開關(guān)電源的研發(fā)工作中，經(jīng)過多次測試，系統(tǒng)電源穩(wěn)定得到很大程度提高。

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