EFM32智能门锁应用案例 - 全文

        概述

　　智能门锁是指区别于传统机械锁具，在用户识别、安全性、管理性方面更加智能化的锁具。它是智能门禁系统中锁门的执行部件。目前应用中常见的智能锁具可以按照其用户识别技术进行分类：

　　· 生物识别类，包括指纹锁、虹膜识别门禁。该类型锁具利用生物特征的唯一性，采用生物识别技术进行用户ID识别。它具有安全性高，不存在丢失损坏的优势，但是它不方便配置，相对设备成本较高。

　　· 非接触类，包括磁卡、射频卡。它具有安全性较高，塑料材质，配置便携较方便，价格低廉的优点。

　　· 接触类，包括TM卡，接触式IC卡\CPU卡。安全性很高，不锈钢材质，配置携带极为方便，价格较低。

　　智能门锁区别于传统机械门锁，它主要包括锁心、主控电路板、交互操作面板、把手、供电电池盒5个部分组成。它通常是有源设备，需要使用电源驱动电机控制锁具中的执行部件。同时，在门锁安装过程中限于电源走线不便，电池供电拆装麻烦等原因，智能门锁在电池供电的条件下，对于整个设备的功耗有苛刻要求。整机的功耗直接影响到智能锁具的电池工作寿命，因此它也是智能门锁厂商产品差异化的明显标志，而主控MCU的低功耗特性在系统中尤为关键。

　　系统结构

　　EFM32是由挪威Energymicro公司采用ARM Cortex-M3内核设计而来的高性能低功耗32位微控制器。它具有突出的低功耗特性，适用于“三表”(电表、水/热表、气表)、工业控制、警报安全系统、健康与运动应用系统、手持式医疗设备以及智能家居控制等领域。

　　EFM32可应用于指纹锁、非接触卡式门锁、接触式卡式门锁三类智能门锁系统中。系统主要包括供电电池、识别模块(包括指纹识别、非接触式卡读卡、接触式卡读卡)、控制执行机构、交互界面和通信模块。

　　· 主控MCU EFM32TG/G

　　根据智能门锁应用的功能需求可配置不同型号的EFM32芯片作为主控MCU。EFM32的芯片具有良好的兼容性，同系列芯片的引脚为pin-pin兼容。在低端的智能门锁应用中，系统对于MCU的Flash和RAM资源要求相对降低，可选用EFM32TG222作为主控，它的封装为QFP48，Flash和RAM资源从2~4KB和8~32KB;在高端的智能门锁应用中，系统功能复杂，对于MCU的Flash和RAM资源要求有所提升，可选用EFM32G222作为主控，它的Flash和RAM资源从8~16KB和32~128KB。

　　· 识别模块

　　指纹锁中的识别模块包括指纹采集模块和DSP组成。指纹采集部分主要将指纹细节以单色图像形式传输到DSP，由DSP执行提取特征值的算法并将特征值与数据库中的信息进行比对，然后将配对结果通过UART传输给主控MCU。

　　非接触式卡门锁的识别模块主要由读卡模块和天线构成。当用户开门卡片靠近门锁时，卡片通过门锁振荡产生的电磁波中获得能量，并反馈识别请求，然后通过非接触式协议进行信息交换，从而判断Flash中的数据库是否与当前请求信息匹配。该部分功能主要在MCU中实现，读卡模块与MCU的信息通信主要通过SPI接口实现。

　　接触式卡门锁中主要是接触式卡槽部分，EFM32片内的USART带有标准的智能卡接口(SmartCard，ISO7816)。因此系统连接接触式卡通信的底层设计相对简单，用户只需专注实现上层的软件通信协议即可。

　　· 供电电源

　　EFM32的工作电压为1.8~3.8V，工作电压范围比较宽，有利于电压模块的简单设计。因此智能门锁可以选用3.3V的锂电池系统供电，无需前端添加LDO芯片。又或者选用3节1.5V的干电池供电加LDO芯片降压到3.3V。由于芯片的工作电压比较宽，相对于传统的2.8~3.6V的MCU，它省略了升压芯片、电荷泵等前端芯片。

　　· 执行部件

　　EFM32的内部Timer可参数带死区控制的PWM和常用的单边沿、双边沿PWM，非常有利于控制开锁电机，执行相应的动作控制。同时，为了便于对非法撬锁、破坏等情况进行警报，可利用I/O扩展相应的声光报警设备。为了扩展门锁系统的用户信息存储，可利用EFM32的SPI接口对外扩展NorFlash。

　　· 交互与通信

　　在高端的门锁应用中，友好的人机交互界面是必需的部分，可选用EFM32带EBI或TFT驱动器的系列芯片扩展液晶屏、用UART扩展远程警报使用的GSM模块、使用I/O扩展用户交互操作按键。

　　选用EBI接口实现扩展液晶屏显示时，需要选用8080接口带Driver芯片的液晶屏，而选用片内带TFT驱动器的MCU时，选用RGB565接口的标准液晶屏接口即可。在简单的门锁系统中也可以省略显示液晶屏，又或者选用EFM32片内带有的LCD控制器，驱动段码式的液晶屏进行简单的操作指引。在门锁被暴力破坏或非法闯入时，主控MCU可通过UART发送对应的AT执行，控制GSM模块以短信形式通知用户。

　　指纹锁的系统结构如下图所示。

　　

 

　　非接触卡式门锁系统的结构图如下图所示。

　　

 

　　接触卡式门锁系统的结构图框图如下图所示。

　　

 

　　方案优势

　　相对于传统的8位、16位单片机实现的智能门锁方案，基于EFM32实现的本方案具有以下优势：

　　· 低功耗

　　EFM32是全球最低功耗的32位微控制器，它具有5种功耗模式，在RTC在运行，LEUART、LCD控制器、DMA可运行的EM2模式下，功耗电流仅为900nA，在关断模式Em4，功耗电流仅20nA。优异的MCU低功耗特性将为延长门锁的电池寿命起到极其关键的作用。为了满足低功耗应用场合的需求，EFM32具有完善的低功耗工作机制和极低功耗的外设，通过PRS与DMA的结合，LEUART可以工作在无内核干预的睡眠模式。在内核睡眠模式无内核干预的情况下，LCD可以保持显示，甚至可以实现简单的动画显示。

　　EFM32具有低功耗性能优异的外设：片上12bit的ADC在1Msps的速率下，功耗电流仅需350μA;模拟比较器工作仅需100nA;LCD驱动8×36段LCD显示，仅需0.55μA;全功能的LEUART，在9600bps的速率下，功耗电流仅需150nA;AES执行128/256bit AES加/解密仅需54/75个时钟周期。

　　· 高集成度、高性能

　　EFM32是Cortex-M3内核，内核的指令效率以及代码密度比传统的8位单片机高，尤其是在算法处理方面具有比较大的优势。例如相同的C语言AES算法或3DES算法，在Cortex-M3内核的MCU中运行，效率比在8位单片机上运行高约4倍，因此MCU具有更快地处理、响应外设事件的能力。除此外，EFM32片上集成LCD驱动器、智能卡ISO7816接口、AES硬件模块等资源，丰富的集成外设为不同的系统应用提供多样性的选择。

　　· 可扩展性良好

　　EFM32的TG、G、GG系列之间具有良好的兼容性，同系列型号的芯片是pin-pin兼容，保证用户在统一的硬件平台上，可进行不同功能需求的裁剪。Flash资源从最低的4KB~1024KB，RAM资源从2KB~128KB。

　　总结

　　EFM32具有优异的低功耗特性，非常适合于对于低功耗有苛刻要求的智能门锁系统的应用。EFM32内核采用运算性能突出的Cortex-M3设计，极大地缩短了智能门锁应用中的算法处理时间，提高了系统的性能。EFM32具有丰富的外设，为系统扩展功能及降低成本提供了条件。因此，EFM32是低功耗智能门锁主控MCU的不二之选。