基于ST7537HS1的多功能可视对讲门禁系统的设计

随着科技的发展和人们生活水平的提高，可视对讲系统已经广泛应用在现代城市新建小区的居民楼中，它可以较好地改善现代居民居住环境的安全问题。但是对于那些老小区，原来施工建设时并没有考虑设置门禁系统，如何较好地保障这些小区居民的良好环境和安全就成了一个急需解决的问题。
    目前比较流行的门禁系统大都采用485总线进行数据传输，少部分厂家采用了抗干扰能力较强的工业控制总线(如CAN等)[1]。这些总线方式最大的问题就是必须重新布线，这给安装工作带来了很大麻烦，成本也比较高。本设计利用现有的电力线路进行数据信息传输，实现了一套具有指纹识别、智能开锁、可视对讲、语音留言、智能报警的多功能家居门禁系统。
1 ST7537HS1调制解调器简介[2]
    家庭自动化调制解调器ST7537HS1是用模拟CMOS技术制作的，在半双工模式中利用载频123.45 kHz传送和接收数据的家庭专用调制解调器，它的速率可达1 200 b/s。由于移幅键对噪声和扩频很敏感，线路复杂、价格昂贵，所以ST7537利用移频键来传输。把从电力线过来的传输和接收数据所必须的各种功能块都包含在芯片上，除了这个集成电路以外，外部器件仅需有线驱动器、变压器，再加上准备和解释数据信息的微控制器。传输数据与额定内部信息数据以1 200 b/s异步进入FSK调制器。在调制器中，数据变换为2个频率(133.05 kHz表示“0”，131.85 kHz表示“1”)，这2个频率由廉价的频率为11.059 2 MHz的晶振产生。
    在发送部分，从FSK调制器来的调制信号经开关电容带通滤波器滤波后限制输出频谱和减少谐波器件的输出电平。传输通道最后需要一个从电源放大器发出反馈信号的运算放大器。
    在接收部分，进来的信号进入RAI输入口后，信号被开关电容带通滤波器首次滤波。这个滤波器以载频为中心，带通范围大约为12 kHz。滤波器的输出信号以20 ｄB增益级放大，放大了的信号进入混频器进行降频变频。最后，中心频率为5.4 kHz的中频带通滤波器使信号在进入FSK解调器前改善了信噪比，此中频滤波器输出口通过一个能取消接收信道偏移的外部电容与FSK解调器入口相连。此外，ST7537还有2个重要的功能：载波检测和监控功能。
2 系统概述[3]
2.1 系统结构
    可视对讲门禁系统是一个基于多单片机通信的网络，系统的结构框图如图1所示。

    由系统框图可以看出，系统主要由门口机和室内机组成，门口机和室内机之间通过电力线通信。安装该装置时，只需将电力线接口模块插到电网中即可使用，简单方便，无需重新布线。
2.2 系统的工作过程
    系统的工作过程为：当来人在楼宇入口通过室外机按下住户房号键时，控制器将其转变成ID码发送给室内机，室内机接收到与自己相同的ID码后进入工作状态，控制电子门铃产生铃声，同时开放可视对讲，并且对视频信号和音频信号进行30 s定时。若主人不在家，则30 s后启动模拟摘挂机电路并播放提示音提示访客留言；若通过视频辨认不接见来人，则关闭视频及音频信号；若决定接见来人，则摘机。若室内机检测到已经摘机，则终止30 s定时进入通话状态。主人的话音通过室内机的麦克风传输到门口机的通话控制模块处理后送扬声器；而来人的话音则通过门口机的麦克风传输到室内机通话控制模块后送扬声器，完成通话。主人若接见来人，则按下开锁键，室内机检查到后，输出开锁信号到门口机的开锁模块，电控锁动作，门被打开。主人挂机，室内机检测到挂机信号，则输出关闭视频及音频信号，复位到初始状态。
    除以上基本功能外，系统还具备语音留言、指纹开锁、智能报警和设置无人状态等功能。
3 系统设计与实现
3.1 硬件设计
3.1.1 门口机设计
    门口机安装在楼宇的入口处，如图2所示。具有指纹开锁、呼叫按键、对讲、摄录像等功能，它以AT89C51单片机作为核心，配以指纹识别[4]、视频采集与控制、矩阵按键、电力线接口、电控开锁等模块组成。系统采用TI公司的定点DSP芯片TMS320C642完成指纹信息的采集、预处理和识别。指纹传感器采用FPS2000。视频采集的摄像头选用CCD(Chang-Coupled Device)摄像头，工作电压为12 V直流电压，由系统电源供电，装在单元楼门特制的防护门上。矩阵按键选用3×4行列式非编码键盘，用键盘扫描方法实现一个单元12个住户按键的选择控制，从而控制相应继电器的闭合和断开，实现视频信号和音频信号的采集传输。用户可以通过指纹开锁，也可通过室内机发送开锁信号实现开锁。

3.1.2 室内机设计
    室内机安装在用户室内，具有对讲、图像显示、报警、录放音、电控开锁等功能如图3所示。主要由视频显示模块、电控开锁、语音通路、语音录放、模拟摘挂机和振铃电路、报警模块等几部分组成。视频显示采用7″彩色液晶显示。语音录放使用ISD25120完成播放语音提示和留言信息存储。当家中无人时，系统可实现模拟摘挂机并自动播放语音提示访客留言。当系统挂机后来客长时间在门口逗留可发出报警音。[!--empirenews.page--]

3.1.3 电力线接口模块设计[2]
    电力线接口模块由线驱动器和线接口组成，其主要功能为：
    (1)发送模式中，将ST7537送来的传送信号(ATO)放大和滤波；
    (2)接收模式中，从电力线给ST7537的接收口提供接收信号；
    (3)有抵制尖峰脉冲和过载的保护电路。
    电力线接口模块框图如图4所示。

    图4中，线驱动器起放大ST7537的输出信号（ATO）的作用。为了使线驱动器适用于电力线，使用了线接口。在线接口中，使用了变压器，其功能为：
    (1)把其他电路与电力线隔离开；
    (2)把传输信号送到电力线上去；
    (3)从电力线中提取出接收信号；
    (4)滤除传输信号中的谐波。
    电力线接口模块的电路原理图如图5所示。

    图中复合晶体管Q6、Q4、Q3、Q1组成推挽式放大器。电阻R1、R8可使放大器获得最佳性能。当RX/TX=0(接收模式)时，ST7537输出信号PABC=1和PABC=0使双极型晶体管Q5和Q6截止，切断了功率放大器的电源，功放不工作。
    变压器由1个主绕组和2个副绕组组成。绕组比例为4：1：1，其参数为：L1绕组9.4μH；L2绕组140 μH；C4=7.2 nF(在实际工作中选择6.8 nF最接近这个值)。为了防止非线形畸变，C11的线性必须非常好，C12滤除从电力线过来的50/60 Hz的信号，并有短路保护功能。当相位不知时, 使用附加电容C13加到C12上去，组成放电回路，避免发生触电危险。
    为了避免尖峰信号对电路的破坏，采用了一个双向稳压管，当电压值等于大于稳压管电压时，稳压管就会短接到地，从而保护接口电路的器件不会被烧坏。
    系统主电源采用220 V交流供电，经过变压器、二极管等器件组成整流稳压电路后，输出 12 V/2 A直流电，对用户分机和门口机进行供电。同时还配置有不间断电源，在遇到短时间的停电时仍能保证可视对讲门口机的正常使用。
3.2 系统软件设计
    本系统采用单片机汇编语言进行程序设计，分室内机和门口机两部分，由系统不同状态的处理和切换组成，主要实现待机、信号采集、开锁控制、语音录放、报警等功能[5]。指纹识别采用专门的DSP芯片完成。门口机和室内机的程序流程图如图6所示。

    该可视对讲门禁系统采用了ST7537家庭自动化调制解调器实现了信号在电力线中的传输，不需要另外铺设通信线路，也不占用频带，是一种现有条件下实现可视对讲门禁的简单有效方法。