基于校園卡認證的實驗柜設計及應用

裘利堅， 阮 俊

(浙江大學 a. 生物醫學工程與儀器科學學院; b. 實驗室與設備管理處，浙江 杭州 310027)

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基于校園卡認證的實驗柜設計及應用

裘利堅a， 阮 俊b

(浙江大學 a. 生物醫學工程與儀器科學學院; b. 實驗室與設備管理處，浙江 杭州 310027)

在實驗教學過程中，不僅需要為學生提供配套的軟件環境和硬件設備，還必須配合包括實驗設備的領用、保管、歸還等環節的管理。在管理實踐過程中，需要依據實驗室管理制度及流程設計一種實驗設備管理裝置。本文通過對普通存包柜的改造，設計并實現了一種基于校園卡認證的實驗柜系統。該系統包括認證控制和驅動兩個部分，認證控制部分采用ATMEL高性能低功耗微處理器配合射頻卡讀寫芯片實現，驅動部分采用多個子驅動模塊設計，子驅動模塊與控制板經485總線實現通訊，很好地解決了多柜管理及施工布線的問題。該實驗柜管理系統具有性能可靠、認證簡便等特點，在實驗教學實際應用中，特別是開放性實驗室的管理中發揮了重要作用。

實驗教學； 設備管理； 校園卡； 開放性實驗室

0 引 言

隨著計算機技術的不斷發展，越來越多的實驗教學采用上位機軟件與硬件開發或實驗仿真系統結合的方式，如EDA技術、嵌入式系統、虛擬儀器等電子設計類實驗[1-6]。現代電子技術的發展日新月異，對該類實驗教學更多地是鼓勵學生自主創新性實驗，強調動手能力、創新能力的培養[7-9]。相應地，在實驗教學的時間、設備等方面的管理也提出了更高的要求。對于創新性實驗，學生對實驗時間的要求往往是隨機、長時間的。對于這種情況，我們通過對實驗室的全天預約開放及網絡化遠程管理來解決[10-12]。而對實驗設備的管理，不僅需要制定相應的管理制度及流程，更需要為學生配套提供的實驗設備的存儲柜。

1 總體設計

實驗柜的柜體與普通的超市存包柜一樣，柜體的大小則可以根據實驗裝置的大小及學生的數量選擇。柜門的鎖止機構是一個電磁閥，加上12 V電壓后電磁閥吸合從而帶動掛鉤脫開使柜門彈開。因此完全可以通過對普通存包柜控制系統的重新設計，使其符合實驗教學管理的需要，成為我們整個開放性實驗管理流程中的重要工具。整個實驗柜系統的設計主要包括控制及驅動兩部分。

1.1 控制系統

控制系統主要實現身份認證、信息存儲查詢、時鐘管理等功能。在我校，校園卡已經廣泛應用，因此，基于校園卡的身份認證是實驗柜系統的唯一選擇，也是最具可行性的方案。校園卡是MIFARE非接觸式IC卡，通過專用的IC芯片讀取校園卡的UID即可以完成身份識別功能。讀取的UID值按設定的順序格式被保存至外擴的大容量E2PROM中，E2PROM的大小選擇取決于系統支持的實驗柜的最大數量。本文的設計選用大小為2 048 bits的AT15160A，由于其采用SPI通訊接口，完全可以選用封裝尺寸相同的更大容量的芯片以滿足系統設計需要。

控制系統中需要解決的另一個問題是時鐘管理。按照實驗教學管理流程的要求，對于實驗柜的授權是需要時間窗口的管理。也就是說，將實驗柜授權給學生使用時必須指定一個時間范圍，只有到達開始時間才能使用實驗柜，而對超過使用截止時間的柜子系統將自動收回使用權，這樣可以大大提高實驗柜的使用效率并滿足管理要求。這就要求控制系統有一個標準時鐘系統用于時間上的比對，且在系統掉電時，時鐘系統需利用電池供電持續工作從而保證時鐘的精準。為此本文選擇了ATMEL公司的高性能低功耗的8 位AVR微處理器ATmega168，其掉電模式的工作電流僅為0.1 μA，再加上低功耗模式的硬件電路設計，使系統通過軟件即可獲得精準時鐘而無需外接輔助電路。

1.2 驅動電路

由于實驗柜的安裝結構為分組拼裝，當一個系統中有較多的實驗柜時就需要考慮安裝的便捷性及連接導線長度的經濟性等問題。為此，將控制系統與驅動電路分開設計。一個系統的實驗柜分成若干組，每組實驗柜連接一塊驅動板，控制系統通過485總線連接各個驅動板，驅動板根據連接的實驗柜序號設定自己的序號。連接示意圖見圖1。

圖1 控制系統與驅動電路連接示意圖

2 硬件設計

2.1 微處理器

ATmega168是基于AVR增強型RISC結構的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先進的指令集以及單時鐘周期指令執行時間， ATmega168 的數據吞吐率高達1 MIPS/MHz，從而可以緩減系統在功耗和處理速度之間的矛盾。ATmega168具有16K bits的系統內可編程Flash， 512 bits E2PROM，1K bits SRAM，23 個通用I/O 口線， 32 個通用工作寄存器，三個具有比較模式的靈活的定時器/ 計數器(T/C), 片內/ 外中斷，可編程串行USART，面向字節的兩線串行接口，一個SPI 串行端口，一個 8 路10 位ADC， 具有片內振蕩器的可編程看門狗定時器，以及五種可以通過軟件選擇的省電模式。在Standby 模式時振蕩器工作而其他部分睡眠，使得器件只消耗極少的電流，同時具有快速啟動能力。在本文的設計中使用了該處理器的幾乎所有資源，充分發揮了其功能取得了良好的效果。微處理器部分的設計原理圖見圖2。

圖2 微處理器部分的設計原理圖

2.2 非接觸IC卡讀卡芯片

本文選用的FM1702是復旦微電子股份有限公司設計的基于ISO14443標準的非接觸卡讀卡機專用芯片，采用0.6微米CMOS E2PROM工藝，支持13.56 MHz頻率下的TypeA非接觸通信協議，支持多種加密算法，支持六種接口模式，含512byte的E2PROM及64 byte的FIFO，支持MIFARE標準三重認證算法，操作距離可達10 cm，實際的使用效果非常理想。其具體的電路設計原理圖見圖3。

2.3 LCD顯示

本文選用HB192X64M1A中文液晶模組用于顯示。其工作電壓為2.4～3.6V，通過標準UART接口輸入GB2312代碼或ASCII碼即可實現文本顯示，也可實現點陣圖形及文字畫面的混合顯示，并自帶多種點陣的粗體中文字庫。模組的背光的開啟或關閉可有軟件控制，并提供WATCH DOG功能，是目前市場上性價比較高的液晶顯示模組。

圖3 非接觸IC卡讀卡電路設計原理圖

2.4 按鍵輸入

為了節省I/O引腳，在本文的設計中運用微處理器的A/D模塊完成按鍵功能。其連接原理圖見圖4。標準的12鍵鍵盤的行線分別通過不同阻值的電阻接地，而列線通過10K上拉電阻置高電平后接入ADC引腳。當按鍵被按下后，通過電阻分壓得到不同的電壓值，系統軟件在去抖動后通過AD轉換識別哪一個按鍵被按下，三列按鍵則通過掃描依次識別。為了提高識別準確率，在軟件中也加入了均值濾波處理。

圖4 按鍵輸入連接原理圖

2.5 驅動電路

每個驅動電路均有獨立的CPU負責與控制系統的通訊，通訊采用485接口并自定義通訊協議。驅動板的CPU選用STC10F08XE，可用I/O引腳有40個，較高的性價比完全滿足設計需要。CPU與功率管之間采用2003隔離驅動，每塊驅動板最大支持28路驅動輸出。每路的驅動電路設計如圖5所示。當引腳P12V為低電平時，晶體管Q1、Q2、Q3組成的電路為功率管Q4的基級提供電壓。Q1的作用是將電平反相，從而避免在上電過程中I/O引腳初始化的高電平引起誤觸發。由于多路電磁閥的并聯，誤觸發將造成瞬間大電流從而損壞系統電源。

圖5 單路驅動電路原理圖

3 軟件設計

系統的軟件在ICC AVR編譯器的集成環境下設計開發。根據需求，將系統的工作狀態分成若干個狀態，在滿足一定條件下，在各個狀態間切換。其工作狀態及切換條件見圖6。各狀態下，系統執行的功能如表1所示。

圖6 系統軟件工作狀態及切換條件

4 結 語

在知識經濟時代，我國高等教育面臨著人才培養模式的挑戰。只有加強創新教育，培養具有創新意識、創新精神、創新能力的高素質人才，才能實現科教興國的戰略目標，才能適應社會經濟與科技發展的需要[13]。特別是在電子設計類課程中，不僅要求學生具有扎實的理論知識、出色的動手能力，更要求他們具有良好的創新思維。近年來許多知名高校投入百萬元建設“電子設計創新型實驗室”，有更多的高校將電子設計競賽與實驗教學相融合，近年“創客空間”的概念更是在各大高校到日趨流行，與此同時，在實驗室的建設和管理上就提出了更高的要求。通過對實驗室的全天候開放結合學生自主管理加強實驗室制度建設，而本實驗柜則是針對電子設計類等實驗設備種類多、更新快的特點結合實驗室全天候開放的要求設計，并在實踐應用中發揮了很大作用取得良好的效果，是開放性實驗室管理解決方案中必不可少的重要設備。

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Design and Application of the Experimental Cabinet Based on Campus Card Authentication

QIULi-jiana,RUANJunb

(a. College of Biomedical Engineering and Instrument Science; b. Department of Laboratory and Equipment Management, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China)

In the process of experimental teaching, laboratorians need to prepare the equipment and the application software, and should manage the routine such as dispatching, receiving and storage of experimental devices and/or toolkits. A laboratory equipment management system is designed according to the routine rule and operating flow of laboratory. In this paper, an experimental cabinet system is designed using wireless campus identification card to authenticate. This system is constructed with authentication control and device driving module. In the authentication control module, an ATMEL processor is used to access RFID card. The device driving module is designed with multi-submodule of parallel driving capacity, and the communication between controller module and device driving modules is based on RS485. This distributed driving structure is benefit to multi cabinet and wiring. The laboratory management system is simplify the authentication process, and it is reliable. It would be play an important role in the practical application of experimental teaching, especially in the management of the opening laboratory.

experiment teaching; equipment management; campus card; opening laboratory

2015-11-25

裘利堅(1975-)，男，浙江杭州人，碩士，工程師，主要研究方向：實驗室建設與管理、生物醫學工程醫學信息學。

Tel.：0571-87952114，13867469763；E-mail：qljian@zju.edu.cn

G 642.0

A

1006-7167(2016)09-0277-04