闸机控制器硬件设计.docx
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闸机控制器硬件设计
闸机控制器硬件设计
1绪论
1.1课题研究的背景和意义
1.2国内外研究现状
1.3本论文的主要内容
2闸机的工作原理
2.1闸机的简单介绍
2.2闸机的通行控制
2.3闸机组成
3闸机扇门控制系统总体方案设计
3.1系统功能描述
3.2系统目标描述
3.3系统方案分析与总体框架
4闸机扇门控制系统硬件设计
4.1闸机中的人体识别概述
4.2检测模块设计
4.2.1通道检测传感器
4.2.2通道检测的设计思想
4.2.3闸机传感器设计区域分类
4.2.4闸机传感器各区域设计方案
4.3扇门控制子模块
4.3.1具体方案的描述
4.3.2硬件具体结构
4.3.3ARM控制单元
4.3.4电源管理单元
4.3.5电机控制与驱动单元
4.3.6扇门极限位置检测单元
4.3.6.1限位开关电路
4.3.6.2传感器的布局
4.3.6.3传感器的接口电路
4.4报警电路的设计
4.5电源模块
4.6存储器扩展模块
4.7显示模块
5闸机扇门控制系统软件设计
5.1主控模块
5.2采集模块
5.3显示模块
5.4识别模块
6总结
闸机控制器硬件设计
1绪论
1.1课题研究的背景和意义
随着轨道交通的快速发展，自动售检票系统也变得越来越重要，它不仅为乘客提供便捷的自动检票与自动售票服务，而且也给轨道交通部门提供了可靠的数据，以便进行更加科学有效的管理。
我国城市轨道交通自动售检票系统和设备，最初是从美国引进的，近年来我国已进行了大量的开发和研制工作，提供了多种形式的产品，技术水平也在不断提高。
（轨道交通AFC系统发展介绍）随着近几年轨道交通建设的快速发展，自动售检票机的需求量也是与日俱增，但是国内生产的自动售检票设备不管是从功能上还是质量上都远远不能满足类似我国这种人口大国的需求，如果采用进口的方式解决问题，投资成本势必会增大很多，此外研究出更加功能强大的自动售检票设备还有以下的意义：
有利于提升轨道交通行业的社会形象和服务区域形象
有利于提高运营管理水平，保障票务收益
有利于管理责任的落实，保证交易数据和票务信息的安全
有利于简化操作，方便出行，提高乘客的出行效率
有利于提供准确的客流与票务统计分析数据
有利于减少现金交易，人共记账与统计工作，提高准确率和效率（城市轨道交通自动售检票系统概述）
因此，我国必须加大对自动售检票设备的研发力度，争取早日使我国的轨道交通系统更加智能化和高效化，以适应轨道交通快速发展的要求。
1.2国内外研究现状
地铁自动售检票系统是伴随着轨道交通事业的发展应运而生的，时至今日已有二三十年的历史，其各项性能和指标日臻完善，是一个完整的自动化运营体系。
在国际市场上具有自主研发和生产能力的AFC公司不乏其多:
如法国泰雷兹、澳大利亚亿雅捷、美国摩托罗拉·日本信号、日本东芝、日本欧姆龙、瑞典固力保、瑞士亚斯康集团、韩国三星[徐岩宇，地铁自动售票系统国产化讨论，城市轨道交通研究，2001，3]等。
我国自动检票系统经历了一个从无到有的过程，现在己经处于高速发展时期，地铁、
公交、铁路客运系统都对AFC有迫切的要求。
国内一些研究单位和厂家都在积极进行这方面的研发。
一些公司己经可以自主研发和生产自动售检票设备。
例如，中软AFC事业部己完成了北京地铁13号线AFC系统升级改造工程和首都机场线AFC系统的建设，为其提供了拍打门式自动检票机（己做过实际测试），和剪式门自动检票机;上海华铭智能终端设备有限公司为天津地铁1号线自动售检票系统项目和广州地铁3号线自动售检票系统项目提供两种型号的剪式门自动检票机[博科资讯ERP成功进驻智能终端设备行业，][]。
为了加速自动检票系统性能的提高，有一大部分企业采取了将系统组件拼装的方式，通过简单的组合和替换完成产品的更新，而忽视了其中核心部件核心技术的研发，例如工控机管理调度系统、闸门系统、乘客检测系统，这样以来虽然表面上有所改进，但实质上对运营能力并未有大的改善，这些核心模块的劣势导致了自动检票机在推广过程中遇到了重重困难，很多场合使用人工检票反而效果更佳。
目前我国高速铁路技术和城市轨道交通技术并驾齐驱，正在或已经达到世界先进水平，那么如何构建与之匹配的同样高科技的自动售检票系统便是当务之急。
以深圳地铁为例，自动售检票系统设计之初的承载量在几年内便成倍的增长，如若不予升级和改造将无法继续胜任。
实际运行中发现在多线路换乘站，列车到达和离开时_均会形成乘客拥堵现象，由于闸机阻挡机构的存在使得其放行速度无法与乘客出站的通行速度相匹配，一部分乘客不愿排队等待，于是采取各种非法通行的手段越过闸机，不少乘客携带储值票离开，致使地铁票务管理部门损失大量的储值票，票务紊乱，同时大规模人群会对闸机造成一定的破坏性（如扇门等机构失效）;此外付费区空间有限，如果乘客长时间堆积，密度大很容易造成踩踏事件，一旦发生火灾或其他异常状况很难与时的疏散，其后果不堪设想【方锦煌.提高地铁自动售检票系统设备的技术性能[[J].城市轨道交通研究，2007:
58】。
由此可见我们需要从我国人口密度大的国情出发，开发出一套既满足各项性能参数又安全可靠的闸机系统，才能够适应现代人的出行要求。
1.3本论文的主要内容
第一章，绪论。
主要对课题的背景和意义进行了叙述，指出了闸机研究的必要性，然后还谈到国内外自动售检票系统的发展现状。
第二章，闸机的工作原理。
主要对闸机、闸机的通行控制以与闸机的组成进行了介绍。
第三章，闸机扇门控制系统总体构架。
首先提出了本系统的具体功能和需要达到的
目标，之后根据这些要求分析了几种方案并相互比较，从而确定系统组成框架。
第四章，闸机扇门控制系统硬件设计。
2闸机的工作原理
2.1闸机的简单介绍
闸机，是一种通道阻挡装置（通道管理设备），用于管理人流并规范行人出入，主要应用于地铁闸机系统、收费检票闸机系统。
其最基本最核心的功能是实现一次只通过一人，可用于各种收费、门禁场合的入口通道处。
中国最早应用闸机是80年代期间，用于地铁项目中。
闸机作为“自动售检票系统AFC”中的“自动检票机”的主要设备，也是目前国人对闸机最早和最广泛的理解。
90年代后期，闸机才渐渐出现在普通民用和商用场合，包括写字楼、商场超市、景区乃至高端小区等。
需要指出的是，闸机和检票机不是完全相同的概念。
检票机包括自动检票机和便携式检票机，自动检票机是闸机结合票务系统的一种具体应用。
闸机的范围更广，只要是用于管理人流出入且能满足一次只通行一人的设备都可以视为广义的闸机。
根据对机芯的控制方式的不同，分为机械式、半自动式、全自动式，。
有些厂商会把半自动式称为电动式，把全自动式称为自动式。
机械式：
是通过人力控制拦阻体（与机芯相连）的运转，机械限位控制机芯的停止；
半自动式：
是通过电磁铁来控制机芯的运转和停止；
全自动式：
是通过电机来控制机芯的运转和停止。
通过控制机芯的运转和停止，从而进一步控制拦阻体的开启和关闭。
根据同一台闸机所含机芯和拦阻体数量的不同，闸机可分为单机芯（包含1个机芯和1个拦阻体）和双机芯（包含2个机芯和2个拦阻体，呈左右对称形态）。
根据拦阻体和拦阻方式的不同，可以分为三辊闸、摆闸、翼闸、平移闸、转闸、一字闸等。
2.2闸机的通行控制
站台被闸机分成付费区和非付费区两部分，当乘客进站时也就是从非付费区前往付费区时，此时需要进行刷卡，扇门打开，顺利进入；当乘客出站时也就是从付费区前往非付费区时，则需要把票卡送到回收装置内，扇门打开，顺利出站。
如图2.1，闸机组由三部分构成：
分别是主闸机，从闸机和中间闸机。
其中中间闸机可分为左右两个独立的部分，它们之间没有任何联系但是却集中在一个闸机壳内。
左部分受闸机左通道控制，右部分受闸机右通道控制，每个通道都有功能相互联系的两个部分构成，安装通道控制模块的一边被称为主闸机，负责控制并保证闸机功能的实现，剩下的部分被称为从闸机，用来接收命令，配合主闸机完成所要求的功能。
图2.1闸机组示意图
2.3闸机组成
从外向内闸机可以分两大部分闸机外壳和闸机内部各模块组成，闸机外壳一般由一个不锈钢机箱组成，闸机内部一般包含电源模块、单程票回收模块、乘客信息显示模块、非接触式票卡读写模块、闸机状态显示模块、扇门控制系统模块、主电路模块、维护模块和加热模块等。
从而组成闸机的组成结构框图2.2【宁斐，滑蓉，周子杜铁路客运专线自动检票机关键技术研究，铁路计算机应用，2009，18（8）；18-2】
图2.2闸机组成结构框图
3闸机扇门控制系统总体方案设计
3.1系统功能描述
闸机扇门控制系统需要完成两大功能的设计；
乘客在搭乘地铁时，在闸机入口处，闸机能够对乘客进出口方向和乘客通过次序以与乘客通过人数等方面问题能够进行有效的控制，能够与时的检测乘客在通道中的通行情况，并对乘客的通行行为进行有效的监控。
当乘客刷卡成功后，阻挡装置系统管理通道，扇门打开，将乘客放行到付费区。
3.2系统目标描述
（1）闸机一次只允许一位持有效车票的乘客通过。
（2）闸机应该能够区分乘客和与其一起的身高不满1.2米的儿童以与手拉箱、背包、挎包、宠物等物品。
（3）闸机应该能够监测、辨别并且能够阻止非正常通过的情况。
（4）闸机扇门的动作方式和开关速度应保证持有效车票的乘客可以无停滞的通过，并能够快速地、无伤害地阻挡试图非法通过闸机的乘客。
（5）当扇门关闭时，如果安全区检测到有物体时，能够立即反转打开。
（6）扇门的开关应该保证完全到位。
当扇门完全开启时，扇门不能影响乘客的正常通过。
（7）闸机扇门应该可以通过调整参数使得扇门处于常开或常闭状态。
当闸机处于常开状态时，如果有乘客试图非法通过时，闸机扇门能够与时关闭。
此外在暂停或者处于关闭模式状态时，闸机扇门能够自动关闭。
当闸机处于常闭状态时，如果闸机接收到一张有效车票后，扇门打开。
乘客通过后，扇门在参数设置的时间段内若没有接收到下一个乘客的有效车票或检测到有乘客试图无票通过时，将关闭扇门。
在断电情况下，扇门应能自动打开。
（8）由于闸机扇门使用频率高，因此要保证其可靠性和一定的使用时限，且如果遇见故障需要维护时，控制板可以很容易的拆卸与更换。
3.3系统方案分析与总体框架
4闸机扇门控制系统硬件设计
4.1闸机中的人体识别技术研究
4.2检测模块设计
4.2.1通道检测传感器
通道检测传感器的作用是对闸机系统中通过的行人进行计数，具体做法是将传感器安装在闸机的外壳上，通过传感器的状态检测乘客的位置和方向，这里选用的传感器是红外对射式传感器，它是由一对红外线发射接收管经过电路变换成开关信号后的成品，其内部集成了放大电路。
通常为集电极开路输出（PNP）。
传感器的受光器和投光器分别被安装在通道内左右两侧的闸机上，当乘客通过时，根据受光器是否接收到红外光束来判断乘客的通行状态，通过逻辑电平“1”和“0”来表示状态，“1”表示无人通过，“0”表示有人通过。
如图
图通道检测传感器
4.2.2通道检测的设计思想
要检测一个人就是要对这些区别于其他物体的人所特有的属性点进行检测，我们把这些属性点也成为关键点，人的关键点有肘关节、腕关节、膝关节和踝关节等，我们这里使用关键点进行检测，考虑到乘客识别的最终目的是检测出一个正常通行的人体，防止两人或多人通过的逃票行为，因此最明显、最简单的一人与多人的区别就是人体厚度。
我们知道人体的厚度是随着不同人的身材例、运动姿态、穿着情况变化的，是随机的，因而关键点应当选择人体厚度中的稳定部分，称之为稳定特征点。
4.2.3闸机传感器设计区域分类
1.闸机传感器设计区域分为下列4类（如图4.10）:
（1）检测边界区域，包含进入边界区域和出去边界区域;
（2）进出检测区域，包含进入检测区域和出去检测区域;
（3）安全进出检测区域，包含安全进入检测区域和安全出去检测区域;
（4）附属检测区域，包含可选免授权检测区域、授权启动权利和释放权利区域等附属设备区域。
图4.10区域分类图
2.区域分类图说明
闸机传感器设计采用对称检测系统，即进闸检测子系统与出闸检测子系统是对称的，包括安全检测区域内部也同样采用进出两部分是对称的，以与边界区域是对称的，还有进与出检测区域是对称的，如图4.10所示。
（1）检测边界区域
边界区域是指检测系统的边界，一旦被服务对象（乘客）进入边界区域即意味着触发检测系统，它包含两种情形:
正常态触发（即进边界触发）和非常态触发（即出边界触发）。
它具有下面的功能:
a）被服务对象被授权并启动权利（即乘客刷卡并进入闸机通道）时，检测系统打开闸门。
正常态触发边界使系统启动进出检测程序，非常态触发边界进入异常处理程序。
b）被服务对象被授权但没启动权利，或被服务对象没有被授权，无论是正常态触发边界或非常态触发边界都进入异常处理程序。
（2）进出检测区域
本进出检测区域基于下列假定:
a）每次进入闸机的被检测对象为1个成年人（除着装外无其它附属物品）正常进出，包含一名孕妇的情形。
这里所说单个人正常进出是指正身行进，.而非侧身行进。
b）单个人带正常附属物正常行驶进出。
这里所说正常附属物正常行驶是指手提包裹与行李、夹行李与包裹、拖包裹与行李（包含以车方式）、肩扛行李与包裹、1个抱有1个幼儿（幼儿所在高度位置要求在臀部与其以上）的成年人等方式，行李与包裹是正常大小。
c）不包含检测不需要授权即可在成人陪同下进出闸机的小孩（即1.4m或1.2m高度以下的小孩）。
d）被检测对象正常衣着、正常行走进入闸机，包含小跑、适当慢行等正常进入闸机的情形，不包含空中飞过或在爬行通过等异常情形。
e）不符合a）一d）中假定的情形都属于异常情形。
（3）安全进出检测区域
安全进出检测区域中对称的安全进入点和安全出去点设计采用下面要求:
a）加强进出检测功能，例如可以配合进出检测区域的传感器做进一步检测。
b）安全检测功能，即判断在这一区域时，无论何种通行情况，道闸必须处于打开
状态。
（4）附属检测区域
附属检测区域主要为增加附带功能而设计的区域。
如免授权检测区域指的是不足1.4m（或1.2m）的小孩在成人监护下免检功能，授权启动权利和释放权利区域指的是乘客刷卡时设置的区域和与之相对称的区域，此外还包括特殊物品体积的限制等。
4.2.4闸机传感器各区域设计方案
1.检测边界区域
（1）设计方案
根据进出检测区域与安全检测区域设计方案和设计图，采用实用与补缺相结合的原则，使得可能影响其它三个功能区域的检测系统检测结果或检测准确度的边界设计条件（即该区域是根据进出检测区域与安全检测区的大小来决定的，且根据实际情况进行缺和修正）。
（2）设计图
边界检测设计图见图4.11:
图4.11边界检测设计图
以进检测图为例，上检测点是基于成年人弓着身子的高度而设置的，下检测点是针对行人爬行通过而设置。
当被服务对象（乘客）没有被授权（未刷卡）进入边界进检测区，若上下检测点中的任意一个检测到信号时，都会报警指示;此时有乘客逆向进入闸机通道，被边界出检测区检测到，同样会报警。
当乘客被授权进入时，边界进检测区不工作，但边界出检测区正常工作，防止乘客反向进入。
2.进出检测区域
（1）设计方案
a）高度设计
以GB10000-1988的会阴高与肘高区间为检测区间，因为该区间人体厚度较稳定，具体数据取880mm。
b）间距设计
进出边界区域分别采用三个点检测。
正常人步行速度3-4km/h，慢跑速度为4-6km/h,急行军约为1Okm/h，即正常人行进速度约为0.83-2.7m/s，一级与以上短跑运动员短跑速度为9.1-9.7m/s。
若将正常人行进的最大速度作为人体通过闸机检测系统的速度，且由S3C44B0X时间间隔，则可得到每两个点的间距范围，
再结合GB10000-1988的男女人体水平尺寸数据综合得两点之间检测间距为
120-150，确定取150mm。
（2）设计图
以图4.13（a）图为例，从左至右一共有六个传感器分别是A,A’,B,B’,C,C’,其中A’,B’,C’的高度为1200mm，A,B,C的高度为880mm，AA’,BB’,CC’通过逻辑电路与与芯片连接（目的是当带不足1.2m的小孩或行李时也能保证正常工作），为了更好的描述系统功能我们把AA’称为S1、BB’称为S2、CC’称为S3。
当单个人正常进入时，只要S1或S2中任意一个有信号输出，则认为有一正常行人通过，设置两个传感器的目的是充分考虑行人高速通过闸机通道的情况，因为可能出现S1还未将数据采集到并处理时乘客已经通过S1，这必然会造成漏检的状况。
S3的设置是基于两点考虑的:
针对胖人，其在该位置有一厚度范围，取其最大值;当两人紧贴通过时两个人体的厚度也可根据GB10000-1988中的数据计算得到，这个厚度值应小于SlS3，若S1和S3同时检测到，则断定为异常状况。
此外在这三个点高度设计时并未将其放置在人体腹部位置，这是考虑孕妇等腹部较厚的行人不属于正常的腹部厚度。
（a）图中SlS2是正常人体的最小厚度;SIS2,S2S3两个值不相等（即非等距），增大S3到S1的距离可提高胖人和两人的检测精度。
图4.13三点非等距法进出检测设计图
3.安全检测区域
（1）设计方案
根据安全进出检测a）、b）的要求，采用上下对齐标准检测方案，即上检测点2，2’的高度为880m，且检测点与进出检测系统对应为水平间隔相同150mm，除此之外当乘客从左至右安全通过后，1点和2点如果同时或其中一个点检测到东西时还应保持打开，因为可能检测到的可能是身高不足1.2m的小孩或手拉箱的物品。
3点也是安全检测点出于对手拉箱的考虑。
（2）设计图
图4.14进出检测设计图
4.附属检测区域设计
设计方案
附属检测区域的重要功能就是为不足1.2m的小孩在成人监护下提供免检功能。
此设计已经融入到进出检测方案中，在此不做解释。
5.总体设计图
图4.14闸机传感器总体设计图
4.3扇门控制子模块
4.3.1具体方案的描述
扇门控制模块主要的动力来源是无刷直流电机，通过无刷直流电机的正反转来实现闸机扇门的打开或者闭合的，当然扇门上少不了一些限位开关，比如左扇门闭合到位开关，左扇门打开到位开关，右扇门闭合到位开关和右扇门打开到位开关，这些限位开关选用的是对射型光电传感器，最后关于控制器的选择，若使用单片机，它的开发成本和开发难度会比较低，并且它的运算速度和运算精度虽然还可以但是随着轨道交通也的发展，人们频繁的乘坐轨道交通，在上下班人流量比较大的时间段，还是会出现进出站拥堵的情况，所以单片机并不适合用在闸机系统，若使用ARM，它的运算精度和运算速度都可以满足闸机系统的要求，并且还能实现复杂的控制算法，所以这里采用S3C44B0X微处理器。
4.3.2硬件总体结构
根据扇门控制子模块的功能要求，设计硬件电路，如图1
图1硬件总体结构框图
主要由四部分组成：
ARM控制单元，电源管理单元，电机控制与驱动单元，扇门极限位置检测单元。
4.3.3ARM控制单元
本系统中央处理器采用的是嵌入式微处理器S3C44B0X，嵌入式微处理器S3C44B0X中集成了ARM公司的ARM7TDMI核，这个核也被称为CPU单元，此外还集成了边界扫描控制器等多个功能模块（也被称为模块或单元）。
S3C44B0X中有两条总线，即系统总线和外设总线。
通过系统总线，将CPU单元、电源管理模块（含时钟发生器）、存储控制器、LCD控制器、中断控制器和2通道ZDMA连接在一起。
总线仲裁器对系统总线上的总线请求进行仲裁。
通过外设总线，将A/D转换器、看门狗定时器、RTC、通用I/O控制器（GPIO）、ⅡC总线控制器、ⅡS总线控制器、UART、SIO、PWM等连接在一起。
系统总线与外设总线通过系统总线桥与仲裁/2通道BDMA连接在一起引脚图2【来自基于ARM7TDMI的S3C44B0X嵌入式位处理器技术清华大学出版社P17第一段】
图2S3C44B0X引脚分布图
4.3.4电源管理单元
4.3.4.1电源接口电路
概述：
嵌入式控制系统的ARM一般都需要一个稳定的工作电压才能可靠工作。
而设计者多习惯采用线性稳压器件（如78xx系列三端稳压器件）作为电压调节和稳压器件来将较高的直流电压转变ARM所需的工作电压。
这种线性稳压电源的线性调整工作方式在工作中会大的“热损失”（其值为V压降×I负荷），其工作效率仅为30%～50%。
加之工作在高粉尘等恶劣环境下往往将嵌入式工业控制系统置于密闭容器内的聚集也加剧了ARM的恶劣工况，从而使嵌入式控制系统的稳定性能变得更差。
而开关电源调节器件则以完全导通或关断的方式工作。
因此，工作时要么是大电流流过低导通电压的开关管、要么是完全截止无电流流过。
因此，开关稳压电源的功耗极低，其平均工作效率可达70%～90%。
在相同电压降的条件下，开关电源调节器件与线性稳压器件相比具有少得多的“热损失”。
因此，开关稳压电源可大大减少散热片体积和PCB板的面积，甚至在大多数情况下不需要加装散热片，从而减少了对ARM工作环境的有害影响。
采用开关稳压电源来替代线性稳压电源作为ARM电源的另一个优势是：
开关管的高频通断特性以与串联滤波电感的使用对来自于电源的高频干扰具有较强的抑制作用。
此外，由于开关稳压电源“热损失”的减少，设计时还可提高稳压电源的输入电压，这有助于提高交流电压抗跌落干扰的能力。
LM2576系列开关稳压集成电路是线性三端稳压器件（如78xx系列端稳压集成电路）的替代品，它具有可靠的工作性能、较高的工作效率和较强的输出电流驱动能力，从而为ARM的稳定、可靠工作提供了强有力的保证。
LM2576系列包括LM2576（最高输入电压40V）与LM2576HV（最高输入电压60V）二个系列。
各系列产品均提供有3.3V（-3.3）、5V（-5.0）、12V（-12）、15V（-15）与可调（-ADJ）等多个电压档次产品。
此外，该芯片还提供了工作状态的外部控制引脚。
图3就是使用LM2576得到的电路中所使用的+5V电压。
（电子发烧友电子技术论坛）（）
图3电源转换电路
电感L1的选择要根据LM2576的输出电压、最大输入电压、最大负载电流等参数选择，首先，依据如下公式计算出电压·微秒常数（E·T）：
E·T=（Vin-Vout）×Vout/Vin×1000/f
上式中，Vin是LM2576的最大输入电压、Vout是LM2576的输出电压、f是LM2576的工作振荡频率值（52kHz）。
E·T确定之后，就可参照电压·微秒常数和负载电流曲线来查找所需的电感值了。
LM2576输入端电压可以是7-40V,芯片的输入端通过100uf的电容滤波，输出端接LC滤波电路滤出输出电压的纹波。
同时在输出端反接一稳压二极管增强输出的稳定性。
4.3.5电机控制与驱动单元
无刷直流电机和有刷直流电机不同，BLDC电机的换向是以电子方式控制的。
要使BLDC电机转动，必须按一定的顺序给定子绕组通电。
为了确定按照通电顺序哪一个绕组将得电，知道转子的位置很重要。
转子的位置由定子中嵌入的霍尔效应传感器检测。
多数BLDC电机在其非驱动端上的定子中嵌入了三个霍尔传感器。
每当转子磁极经过霍尔传感器附近时，它们便会发出一个高电平或低电平信号，表示北磁极或南磁极正经
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