基于ARM與RFID的門禁系統電源穩定性研究

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)

任何閉環系統在增益為單位增益1，且內部隨頻率變化的相移為360°時，該閉環控制系統都會存在不穩定的可能性。因此幾乎所有的開關電源都有一個閉環反饋控制系統，從而能獲得較好的性能。在負反饋系統中，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，那么控制環路將總是穩定的。當然，在現實中這種情況是不會存在的，由于各種各樣的開關延時和電抗引入了額外的相移，如果不采用適合的環路補償，這類相移同樣會導致開關電源的穩定性。以下針對門禁系統電源的特點，對該系統開關電源的穩定性進行了研究[1]。

1 RFID門禁系統結構和功能分析

門禁系統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，并根據預先設定的權限決定是開門還是發出報警信號，本系統采用非接觸式卡。常見的門禁系統多采用RS-485總線實現身份識別裝置與控制主機之間的通信。

1.1 門禁系統構成

門禁系統需要配備的硬件包括：RFID門禁卡、嵌入式門禁控制器、系統電源、發卡器、閱讀器、電控鎖和網絡設備等[2]。每個終端存儲有此終端準入授權的密鑰識別碼(“通用密鑰”、“加密后樓棟單元編碼”、“加密后房間編碼”)。終端將數據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。由中央程序站對標簽進行編程，本系統采用DES、RSA加密算法進行加密處理，除了授權準許進入之外，標簽內頁可以編入有效期限，以備臨時用戶使用[3]。

1.2 門禁系統的功能

門禁系統具備以下功能：

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

(2)機構設置：錄入機構的名稱、類型、電話、傳真、通信地址等資料，并建立其相互關系。

(3)員工管理：包括員工發行卡片和注銷卡片。

(4)設備安裝區域：建立設備的安裝區域資料和聯系。

(5)設備資料：輸入設備的基本資料、控制參數、時間參數等。

(6)設備授權：輸入設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)發送/接收：包括讀取設備時間、設置設備時間、清除設備歷史記錄、恢復設備歷史記錄、設定門禁控制參數、設定門禁的節假日、設定門禁的準許時段、高級定考勤機參數、設定考勤機報時時間表、設定設備的準許人員[4]。

(8)數據采集：將設備的歷史記錄保存到數據庫中，以便進行處理。

(9)門禁控制：監視門禁控制器的開關狀態、報警狀態等，并能進行遠程門禁控制。

(10)默認門禁節假日：建立默認的門禁控制器節假日和每周休息日的資料，規定在法定或者規定的節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：包括機構報表、員工報表、員工持卡報表情況、設備資料報表、設備準許人員報表、打卡記錄報表、設備事件記錄報表。

(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完成的，傳輸內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容是否是對方發來的，即使惡意用戶通過偽造IP地址等方式也無法欺騙。

2 門禁系統電源穩定性研究

2.1 門禁系統電源穩定性指標

衡量開關電源穩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時所對應的相位。增益裕度是指：相位為零時所對應的增益大小(實際是衰減)。在實際設計開關電源時，只在設計反激變換器時才考慮增益裕度，設計其它變換器時，一般不使用增益裕度。

在開關電源設計中，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的動態過程；另一個作用是當元器件參數發生變化時，仍然可以保證系統穩定。相位裕度只能用來保證“小信號穩定”。在負載階躍變化時，電源不可避免要進入“大信號穩定”范圍。工程中我們認為在室溫和標準輸入、正常負載條件下，環路的相位裕度要求大于45°。在各種參數變化和誤差情況下，這個相位裕度足以確保系統穩定。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路和相位裕度應大于30°。

圖1所示為門禁系統電源控制環路示意圖，開關電源控制環路由以下3部分構成：

(1)功率變換器部分，主要包含方波驅動功率開關、主功率變壓器和輸出濾波器；

(2)脈沖寬度調節部分，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集成電路內部集成的電壓比較器(這些放大器的補償設計最大程度的決定著開關電源系統穩定性，是設計的重點和難點)。

2.2 門禁系統電源穩定性分析

如圖1所示，假如在節點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對不斷增大的諧波有響應，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的輸入端，且相位與原相位相同，那么干擾將維持下去，系統在此頻率下振蕩。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，使得開關電源在所有頻率下都保持穩定。

波特圖對應于小信號(理論上的小信號是無限小的)擾動時系統的響應；但是如果擾動很大，系統的響應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響應時，原來的系統就會表現為非線性，而且傳遞函數的方法就不能繼續使用了。因此，雖然小信號穩定是必須滿足的，但還不足以保證電源的穩定工作。因此，在設計電源環路補償時，不但要考慮信號電源系統的響應特性，還要處理好電源系統的大信號響應特性。電源系統對大信號響應特性的優劣可以通過負載躍變響應特性和輸入電壓躍變響應特性來判斷，負載躍變響應特性和輸入電壓躍變響應特性存在很強的連帶關系，負載躍變響應特性好，則輸入電壓躍變響應特性一定好。

對開關電源環路穩定性判據的理論分析是很復雜的，這是因為傳遞函數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，在考慮大信號瞬態的情況下，控制電路工作方式轉變為非線性工作方式，此時僅用線性分析將無法得到完整的狀態描述。下面詳細介紹通過對負載躍變瞬態響應波形分析來判斷開關電源環路穩定性。

2.3 門禁系統電源穩定性測試

測試條件：(1)無感電阻；(2)負載變化幅度為10%～100%；(3)負載開關頻率可調(在獲得同樣理想響應波形的條件下，開關頻率越高越好)；(4)限定負載開關電流變化率為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響應曲線圖形無任何意義。

圖3為瞬變負載波形。圖4為理想響應波形，接近最優情況，在絕大多數應用中，瞬態響應穩定且性能優良，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。上面介紹了開關電源控制環路的兩個穩定性判據，就是通過波特圖判定小信號下開關電源控制環路的相位裕度和通過負載躍變瞬態響應波形判定大信號下開關電源控制環路的穩定性。

2.4 本系統電源穩定性設計方法

首先測量好脈寬調整器和功率變換器部分的傳遞特性，然后用“差分技術”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特性是不大可能的，主要的目標是實現盡可能地接近。具體步驟如下：

(1)找到開環曲線中極點過零處所對應的頻率，在補償網絡中相應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相移小于315°(相位裕度至少為45°)；

(2)找到開環曲線中ESR零點對應的頻率，在補償網絡中相應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。大多數情況下，需要進行“微調”，最好的辦法是采用瞬態負載測量法。

3 結束語

作者根據門禁系統開關電源穩定性特點，提出設計同類系統電源重點有兩點：一是磁路設計，重點解決的是從輸入到輸出的電壓及功率變換問題。二是穩定性設計，重點解決的是輸出電壓的品質問題。開關電源穩定性設計的好壞直接決定著開關電源啟動特性、輸入電壓躍變響應特性、負載躍變響應特性、高低溫穩定性、生產和調試難易度。作者將上述開關電源穩定性設計方法和結論應用到了門禁系統開關電源的研發工作中，經過多次測試，系統電源穩定得到很大程度提高。

[1]王其崗，榮焱.開關電源穩定性設計[J].電源技術應用，2008(6):1-5.

[2]陳虎，吳濤，張安定，等.嵌入式系統課程設計[M].北京:電子工業出版社，2008.

[3]雷永梅，趙霖.計算機網絡信息安全保密技術[M].北京:清華大學出版社，2003.

[4]游戰清,李蘇劍.無線射頻識別技術理論與應用[M].北京:電子工業出版社，2004.

[5]WONG J K W,LI H,WANG S W,et al.Intelligent building research：A review[J].Automation in Construction,2005，14(1)：