（电路与系统专业论文）新型多接口的门禁考勤系统.pdf

摘要 摘要 本论文主要研究设计了一种新型多接e l 的感应式射频卡门禁考勤。系统。门禁系统是楼 宇办公自动化的一个子系统，它能够完成对楼宇的出入1 ：2 1 控制以及公司员工考勤的联动控 制。 随着计算机网络技术的迅猛发展，以及u s b 移动存储器的大量普及，使得基于以太网 网络环境和带有大容量移动存储功能的门禁管理系统的设计开发成为未来门禁系统建设的 主要方向。本文就针对这一要求，提出了一种切实可行的门禁系统设计方案。该方案突出的 优点是结合了当前热门的t c p i p 协议和u s b 技术，利用成熟的以太网作为通讯手段，使用 廉价的u 盘作为大容量移动存储设备，具有一定的技术先进性和宽广的市场前景。 论文一共分为六章，从门禁技术的发展出发，首先介绍了射频技术的相关原理，包括 读卡器及射频卡的组成、种类及工作原理。在此基础上，论文详细阐述了门禁系统下位机的 硬件和软件的设计开发。最后通过上位机网络通信程序的调试，表明了该系统能够有效工作， 硬件和软件设计方法正确，既能满足门禁系统的基本工作要求，又兼有员工考勤记录的功能， 同时也突出了其在同行领域内的先进性。 关键词：门禁考勤、射频识别、射频卡、u s b 、u 盘、t c p i p 协议 注：本论文所开发的门禁考勤系统在全文中简称为门禁系统 a b s t r a c t t h i st h e s i sc h i e f l yr e s e a r c h e san e wt y p eo f r fc a r da c c e s sc o n t r o ls y s t e mw h i c h h a sm o r ei n t e r f a c e a e e e s sc o n t r o ls y s t e mw h i c hb e l o n g st ob u i l d i n ga u t o m a t i o n s y s t e m ，n o wc a nn o to n l yc o n t r o l se n t r a n c e w a y so fb u i l d i n g sb u ta l s oc o m b i n e sw i t h t h ef u n c t i o n so fc o m p a n yw o r k - c h e c k i n g w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fc o m p u t e rn e t w o r kt e c h n o l o g ya n dt h ep o p u l a r i z a t i o n o fu s b - m a s s s t o r a g e ，t h ed e s i g na n dd e v e l o p m e n to fa a c c e s sc o n t r o ls y s t e mb a s e do n e t h e r n e ta n dp o s s e s s i n gt h ef u n c t i o n so fm a s s - m o b il e 。s t o r a g eh a sb e c o m ea ni m p o r t a n t a s p e c to ft h ef u t u r ea c c e s sc o n t r o ls y s t e m sc o n s t r u c t i o mi na ll u s i o nt ot h i sn e w r e q u e s t ，t h et h e s i sb r i n gf o r w a r da na v a i l a b l es c h e m e ，t h eo u t s t a n d i n ge x c e l l e n c yo f t h iss c h e m eisi n t e g r a ti n gt h et c p i pp r o t o c o la n du s bb u st oa e e e s sc o n t r o l s y s t e m ，u s i n ge t h e r n e ta s c o m m u n i c a ti o nm e t h o da n dt a l c i n gl o w c o s tu d is ka s m a s s s t o r a g ee q u i p m e n t s oa tac e r t a i ne x t e n t ，i tw i l lh a v es o m et e c h n o l o g ya d v a n t a g e a n dab r i g h tm a r k e tf o r e g r o u n d t h ew h o l et h e s i si n c l u d e ss i xc h a p t e r s o nt h eb a s i so ft h ed e v e l o p m e n to f i n d u c t - m o d ea e e e s sc o n t r o ls y s t e m ，a tf i r s tt h i sp a p e rg e n e r a l l yi n t r o d u e ss o m e t e c h n o l o g yo fr f i d ，i n c l u d i n gi t sf e a t u r e t y p e 、c o m p o s i n ga n di cc a r d t h e ni t i n t r o d u c e st h et e c h n o l o g yo fe n t r a n c eg u a r ds y s t e m b a s e do nt h e s e ，t h ep a p e r d i s c u s s e st h ed e s i g no ft h ea c c e s sc o n t r o ls y s t e md e t a i l ，g i v eo u tt h ew h o l ed e s i g n s c h e m ei n c l u d i n gt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r e f i n a l l yw i t ht h et e s to fc o m m u n i c a t i o n b e t w e e ns y s t e ma n dc o m p u t e r ，t h er e s u l td e n o t e st h a tt h es y s t e mc a nw o r ks t e a d i l y a n dt h ed e s i g ni sc o r r e c t a st h ef u l lf u n c t i o n so fa e e e s sc o n t r o la n dw o r k c h e c k i n g s y s t e m ，ita ls os h o w st h ea d v a n t a g ei nt h e s a m ed o m a i n k e yw o r d s ：a c c e s sc o n t r o l w o r k c h e c k i n g ，r f i d ，c o n t a c t l e s si cc a r d ，u s b ，u - d i s k ， t c p i pp r o t o c o l 本人郑重声明： 学位论文独创性声明 1 、坚持以。求实、创新一的科学精神从事研究工作。 2 、本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究 成果。 3 、本论文中除引文外，所有实验、数据和有关材料均是真实的。 4 、本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或其它机构 已经发表或撰写过的研究成果。 5 、其他同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了声明并表示 了谢意。 作者签名：兰历剑歪 日 期：坦盈：坦 学位论文使用授权声明 本人完全了解南京师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学 校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电 子版和纸质版；有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论 文进入学校图书馆被查阅；有权将学位论文的内容编入有关数据库进 行检索；有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在 解密后适用本规定。 作者签名：汤剑基 日 期：2 塑复：全堑 第一章绪论 第一章绪论 1 1 门禁系统的背景及意义 1 1 1 研究背景 当今社会是科学技术日新月异、飞速发展的信息时代。人们正感受着高科技带来的极大 方便和益处，同时，人们对高科技服务于生活的要求也越来越高。但随着科技的发展，运用 高科技手段进行盗窃、抢劫和间谍等犯罪行为层出不穷。人们企盼着更可靠安全的、与时俱 进的安全防范措施，以有效的阻止这些犯罪行为的侵犯。 自古以来人们使用普通门锁来保护室内财产安全、控制人员进出的安防方式已经沿袭了 几千年，这种安防措施始终离不开一把金属钥匙。但是钥匙多了就繁琐累赘，并且易被复制、 丢失。传统的门锁已经在很大程度上不能满足现代安防的需要，为从根本上改变这种落后的 局面，智能门禁系统在千呼万唤中应运而生。智能门禁系统是一种综合性多学科的高科技技 术集合，它是在电子、机械、计算机技术、通信技术等诸多新技术的基础上开发出来的。在 科学技术发达的今天，门禁系统已发展为一套现代化的、功能齐全的管理系统，它对出入门 和通道的管理也早已超出了单纯的对门锁及钥匙的管理。它不止是作为进出口管理使用，而 且还能有助于内部的有序化管理。它能够时刻自动记录人员的出入情况，限制内部人员的出 入区域，出入时间，礼貌地拒绝不速之客，同时也将有效的保护您的财产不受非法侵犯。门禁 管理系统已成为安全防范系统中极其重要的一部分，在一些发达国家中，它正以远远高于其 它类安防产品的进度迅猛发展，广泛应用在智能大厦、智能小区、办公室、宾馆等各种房间 门、大门、人行通道的管理方面。在国内，门禁系统也已悄然兴起，包括邮电系统、供电系 统、银行系统、住宅小区、度假村等各种类型的场所都已有使用门禁系统的范例，并且呈现 出高速发展的态势。门禁系统之所以能在众多安防产品中脱颖而出，根本原因是因为其改变 了以往安防产品如闭路监控，防盗报警等被动的安防方式，以主动地控制替代了被动监视的 方式，通过对主要通道的控制大大地防止了罪犯从正常通道的侵入，并且可以在罪案发生时 通过对通道门的控制限制罪犯的活动范围制止犯罪或减少损失。 从国际、国内研发的l - j 禁系统的控制手段来看主要分为以- f i g 个阶段证1 ： 1 、单一的键盘输入密码方式一常常会有因忘记密码而被拒之门外尴尬的事发生。 2 、接触式卡门禁系统。所用的接触式卡片有磁码卡和铁码卡。磁码卡是把磁质贴在塑 料卡片上制成的。磁卡可以改写，应用方便。其缺点是易消磁、易磨损；铁码卡卡片中间用 特殊的金属线排列编码，采用金属磁烧的原理制成，不易被复制铁码卡可有效的防磁、防 i 第一章绪论 水、防尘，是安全性较高的一种卡。这种系统虽然有些改进。但是如果卡片不小心被消磁或 弄脏，进入人员将被拒之1 7 # b 。 3 、非接触式i c 卡门禁。非接触式i c 卡一般指无源i c 卡，卡片采用了先进的半导体制 造技术和信息安全技术，利用电子回路及感应线圈在读卡器本身产生的特殊振荡频率，当卡 片进入读卡器能量范围时产生共振，感应电流使电子回路发射信号到读卡器，经读卡器将接 收的信号转换成卡片资料，送到控制器对比。 4 、生物辨识系统。它包括指纹机、掌纹机、视网膜辨识机和声音识别装置等。指纹和 掌纹辨别用于安全性较高的出入口控制系统，视网膜辨识机和声音辨识装置在正常情况下安 全性极高，但若视网膜充血或病变以及感冒等疾病会影响使用。 在这其中，由于射频技术本身的先进性，非接触式i c 卡门禁管理系统具有其它各种门 禁系统无可比拟的优越性和广阔的市场推广前景，它的应用已成为楼宇弱电系统的重要组成 部分，也是楼宇实现现代化管理的重要标志。 从国际、国内研发的门禁系统的通讯方式来看局限于单门不通讯、联网r s 2 3 2 和r s 4 8 5 通讯。现在随着信息技术的发展，人们对工作，生活的自动化水平也提出了越来越高的要求， 以i n t e r n e t 为代表的计算机网络技术的迅速发展，突破了传统通信方式的时空限制和地域 障碍，使更大范围内的通信变得十分易，i n t e r n e t 拥有的硬件和软件资源正在越来越多的领 域中得到应用。在门禁系统中引入t c p i p 技术不仅可满足人们对出入控制日趋复杂的要求， 同时也使远程和大范围门禁控制的系统组建成为可能。另外随着通用串行总线 u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) 技术的发展，计算机的移动存储介质普遍采用u 盘或移动硬盘。 如今，u s b 技术己经越来越普及和成熟，低成本、高稳定性、较高的数据传输速率和即插即 用的方便性，使其备受硬件厂商的青睐。随着信息经济的发展，在数据采集和嵌入式系统中 对移动存储的需求越来越大，具有u s b 接口的u 盘和移动硬盘以其优异的性价比和灵活性常 用来进行数据的存储和交换，所以在嵌入式系统中或普通装置中实现对优盘或移动硬盘的直 接读写是非常有价值的。 随着北京2 0 0 8 年奥运会的即将到来，“数字奥运、数字北京”将成为北京今后几年发展 的重中之重。大型体育场馆、运动员村的建设对智能建筑的要求也越来越迫切。信息技术以 及网络技术的发展使得集成多种功能的智能建筑系统应运而生。通过t c p i p 、u s b 等多种方 式不仅能够很好地克服环境对门禁系统布线的影响，并且能够实现将现场情况实时地传送到 控制中心，使管理者足不出户就可以方便地实现对设防区域设备的控制及信息反馈，加强财 物有序及时有效的监控管理，提高了办公效率和资源共享利用率，减少了人力资源的消费， 2 第一章绪论 避免了诸多人为因素的干预，成为企业单位走向科学化、智能化管理的良好途径。 1 1 2 研究意义 射频识别技术作为2 1 世纪最具发展潜力的十大技术之一，为电子信息业带来了极大的 市场机遇，它将在身份识别、金融、电子货币、公共交通、智能楼小区物业、社会保障等诸 多领域独领风骚。开发本门禁系统的理论和实际意义在于： l 、该系统综合了无线射频识别技术、u s b 接口技术、t c p i p 通信技术等多种技术，有 利于多种理论和技术的融合。 2 、将非接触式i c 卡技术应用于该系统，可以方便地实现人员的集中管同时也更加安全 高效。 3 、在该系统中引入t c p i p 技术，可以建立一个完整的远程门禁控制系这有助于满足对 出入控制日趋复杂的要求，同时也使远程和大范围门禁控制系统的组建成为可能。 4 、利用u s b 通信技术实现了门禁系统与u 盘机之间的数据交换，方便管理部门利用u 盘来完成考勤数据的便捷存取，特别适用于数据量大，采集周期长，受客观情况影响 不易布线的环境。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外研究现状羽 目前，欧美门禁系统正逐渐进入成熟阶段，其产业的分工已进人细分阶段，生产卡和读 卡器的厂家就只生产卡和读卡器，如美国的h i d 公司、德国的d e s t e l e 公司。生产控制器的 公司就只研究生产控制器和软件。如美国的c s i 公司。随着其产业化的形成，各大专业公司 由于其财力的雄厚、技术的先进、市场的先导以及专业人员的积累，垄断势头不断呈现出来。 同时，也由于大公司之间的相互竞争，使其利润率不断下降，产品价格不断大幅降低，已经 进入一千元左右一套系统的可广泛运用的市场。目前国外门禁的知名产品有美国的休斯 ( h i d ) 、西屋( w s e ) 、罗泰克( n t k ) ，以色列的d d s 、英国的集宝等品牌。其中美国西屋门 禁系统是较突出的代表，它以其强大的系统功能以及无与伦比的稳定性享誉全球。在全世界， 西屋有3 0 0 多个代理商8 0 0 多个支持点分布在7 6 个国家。西屋的客户来自于世界各地的 许多领域，包括工商企业、电力公司、教育部门、政府机构、娱乐事业及军事部门等。目前 已有6 0 0 0 0 套系统在全世界使用，无论是国际还是国内，门禁最大项目均采用西屋品牌。正 是西屋产品优秀的质量和性能使它得到全世界客户的使用和认可。 - 3 第一章绪论 1 2 2 国内研究现状 在亚洲和中国，门禁系统分别处于成长期和初始阶段。大众对门禁系统的理解还只停留 在认识和试用阶段。这在门禁系统的设计与制造过程中主要体现为以下几点： 1 、采用国外已有的集成模块，像读写器、门禁控制器、天线模板等： 2 、对国外已有的系统进行仿造： 3 、产品单一、开发成本较高： 在技术方面，中国目前也有很多厂家，仿制国外优秀的门禁系统，主要的做有两种，第 一种是购买国外的门禁系统配件，如读写器、门控器等，再对其进行二次软硬件的设计。这 种门禁系统的性能很好，能满足许多安全要求很高的场，但是价格很高。第二中方法是，除 了核心芯片购外，其余部件都是对国外优秀产品进行研制。这种方式比较灵活，可以随时根 据客户的要求增加门禁系统的功能，且价格也比较便宜。而在系统的结构，国内的门禁系统 大多以控制器为核心构建的，门控器大多由国外企业研制。 由此可知国内大部分厂家对门禁系统的研制，处于感知阶段，并没有从理论上对禁系统 进行研究。比如在天线设计时要么就是参照国外公司的资料，要么就是通过实验对天线的参 数进行修改，从而得到较好的效果，很少把这部分的研究上到理论的高度。因此非常需要对 关于门禁系统的理论进行研究。 1 3 论文的主要研究工作 一种产品的研发需要经历一系列过程，包括前期调研、设计并绘制电路板、调试电路、 下位机程序的编写以及应用程序的设计等。本人参与了整个课题的研发，主要做了如下工作： 前期调研门禁系统在国内外的发展动态； 参与企划设计方案，收集各模块与芯片电路资料，并针对系统特点加以分析评估， 选择合适的芯片； 设计电路，绘制p c b 板，并对硬件电路进行测试调通； 利用已有的软件资源编写射频卡读写译码等处理主程序： 参考模块生产厂商提供的资料编写下位机u 盘读写程序及上位机以太网网络通信程 序； 1 4 论文主要研究成果 l 、论述了基于射频卡门禁系统的设计原理，并提出了总体设计方案。 2 、解决了嵌入式t c p i p 协议单片机网络数据传输问题。使得该系统与旧的通过r s 4 8 5 4 第一章绪论 格式的数据传输方式相比，数据传输速率更快，传输距离更远，节点数更多，更加 便于门禁系统的布局管理。 3 、对单片机的u 盘读写功能进行了研究，实现了利用u 盘进行移动数据存储的功能。 4 、开发出门禁控制系统样机一台，下位机运行软件一套，以及上位机通信程序。 - 5 第二章门禁系统的射频识别原理 第二章门禁系统的射频识别原理 射频识别( 即r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ，以下简称r f i d ) 技术是从九十年代兴 起的一项自动识别技术。它利用无线射频方式进行非接触单双向通信，以达到识别目的并 交换数据。与磁卡、i c 卡等接触式识别技术不同，r f i d 系统的电子标签和读写器之间无须 物理接触就可完成识别，因此它可实现多目标识别、运动目标识别，可在更广泛的场合中应 用。典型的r f i d 系统由电子标签( t a g ) ，阅读器( r e a d w r i t ed e v i c e ) 以及管理系统等组成。 阅读器由无线收发模块、天线、控制模块及接口电路等组成。电子标签也称射频卡，它具有 智能读写及加密通信的能力，它是无源系统，即本身不含电池，它工作的能量是由阅读器发 出的射频脉冲提供。电子标签接收射频脉冲，整流并给电容充电。电容电压经过稳压后作为 工作电压。数据解调部分从接收到的射频脉冲中解调出数据并送到控制逻辑。控制逻辑接受 指令完成存储、发送数据或其它操作。e e p r o m 用来存储电子标签的i d 号及其它用户数据。 还有有源r f i d 系统，是由电池供电，可以在较高频段工作，识别距离较长，和阅读器之间 的通信速率也较高。 r f i d 系统还可以根据工作频率的不同分为低频、中频及高频系统。低频系统一般工作 在l o o k - 5 0 0 l d i z ，中频系统工作在l o y h z 1 5 m h z 左右，它们主要适用于识别距离短、成本 低的应用中；而高频系统则可达8 5 0 - - 一9 5 0 m h z 及2 4 - - 一s g h z 的微波段，适用于识别距离长， 读写数据率高的场合。 就条码、磁卡、i c 卡、r f i d 等识别技术来说，它们都有各自的特点适于应用的场合。 表2 - 1 列出了几种识别技术的特点与区别。 识别方式信息载体信息量读取方式保密性智能化环境适应能力寿命 条码纸小光电转换无无差较短 磁卡磁性物质较小电磁转换一般无较差短 i c 卡 e e p r o m 大电擦写最好 有 好长 r f i de e p r o m 大无线通信最好 有 最好 最长 表2 - 1 常见识别技术的比较 2 1 射频识别系统的基本结构啼1 射频识别系统一般由以下两个部分组成，如图2 1 所示： 6 第二章门禁系统的射频识别原理 蛰 一 茹 山 t 线瘸、徽渡绞 震嚣蚕 图2 - - 1 射频识别系统 阅读器：阅读器可以是读或读写装置，取决于所使用的结构和技术。在本文中，阅读 器即为文中所提到的门禁主机。 一台典型的阅读器包含有高频模块( 发送器和接受器) 、控制模块以及与应答器连接的 耦合元件。此外，许多阅读器还都有附加的接口，如r s 2 3 2 ，r s 4 8 5 、u s b 接口、以太网接口 等，以便将所获得的数据进一步传输给另外的系统。 应答器：应答器( 应答器又可以称为射频标签、数据载体等等，在本文的门禁系统中， 应答器即为文中所说的射频卡) 放在要识别的物体上。 应答器是射频识别系统真正的数据载体。依据有无自己的电源，应答器可以分为两类： 有源应答器和无源应答器( 门禁系统中的应答器是无源的，因此本文只研究无源的，下文提 到的应答器均是指无源的) 。通常，应答器由耦合元件以及微电子芯片组成，见图2 2 ，图 中左边是带有天线线圈的电感耦合应答器，右边是带有偶极字天线的微波应答器。在阅读器 的响应范围之外，应答器处于无源状态。只是在阅读器的响应范围之内，应答器才是有源的。 应答器工作所需要的能量，如同时钟脉冲和数据一样，是通过耦合单元( 非接触的) 传输给 应答器的。 图2 2 射频识别的数据载体一应答器的基本结构 - 7 - 第二章门禁系统的射频识别原理 2 2 射频识别系统的基本工作原理口儿铂 应答器与阅读器之间通过耦合元件实现射频信号的空间( 无接触) 耦合，在耦合通道内， 根据时序关系，实现能量的传递和数据的交换。 阅读器向应答器提供工作能量，如图2 3 。当应答器离开射频识别场时，应答器由于没 有能量的激活而处于休眠状态；当应答器进入射频识别场时，阅读器内部的串联l c 振荡回 路的谐振使得它内部的天线线圈产生非常大的电流，继而产生高频的强电磁场，这种磁场穿 过线圈横截面和线圈周围的空间。当应答器和阅读器之间距离够近时，它们之间的电磁场就 可以当作简单的交变磁场来对待。发射磁场的一部分磁力线穿过应答器的天线线圈，通过感 应在应答器的天线线圈上产生一个电压，将其整流后作为数据载体( 应答器) 的电源。这两 个线圈的结构也可以解释做变压器的耦合，变压器的两个线圈之间只存在很弱的耦合。 图2 - - 3 电感耦合应答器的供电来自阅读器产生的交边磁场的能量 应答器至阅读器的数据传输的过程如图2 4 所示，应答器获得能量以后，它的天线上 的负载电阻的接通和断开促使阅读器天线上的电压发生变化，通过数据控制负载电压的接通 和断开，那么这些数据就能够从应答器传输到阅读器。这种数据传输方式就称作负载调制。 二进制编码f f l 图2 4 芯片内场效应晶体管源一漏电阻的交换在应答器中产生负载调制 - 8 第二章门禁系统的射频识别原理 2 3 射频识别系统的数据传输协议与方式 从阅读器到应答器方向的数据传输过程中，所有已知的数字调制方法都可以选用，而与 工作频率和耦合方式无关。常用的数据调制解调方式有幅度调制键控( a s k ) 、频移键控( f s k ) 和相移键控( p s k ) 等方式，一般多数采用a s k 调制方式。本文中射频卡选用的是h 4 0 0 1 ， 而h 4 0 0 1 采用的是r s k ( 相移键控) 调制方式，因此该门禁系统采用的是r s k 调制方式。 数据编码一般又称为基带数据编码，一方面便于数据传输，另一方面可以对传输的数据 进行加密。常用的数据编码方式有反向不归零码( n r z ) 、曼彻斯特编码( m a n c h e s t e r ) 、单 极性归零编码( u n i p o l a rr z ) 、差动双相编码( d b p ) 、米勒编码( m i l l e r ) 、差动编码、脉 冲宽度编码( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ，p 眦) 、脉冲位置编码( p u l s ep o s i t i o nm o d u l a t i o n ， p p m ) 等方式，在本文中数据传输编码采用的是曼彻斯特编码，具体曼彻斯特码和原始数据 信息的关系、曼彻斯特码的传输、曼彻斯特码的解码方法将在后面进行详细阐述。 2 4 射频卡的选择 2 4 1 射频卡的内部结构 本文选择h 4 0 0 1 作为门禁系统配套的射频卡。h 4 0 0 1 是瑞士蹦公司提供的非接触式只 读r f i d 卡，其内部具有6 4 位一次性可编程( o n et i m e sp r o g r a m m a b l e ) 的存储器。h 4 0 0 1 的典型工作频率为1 2 5 1 d l z ，数据传输编码采用曼彻斯特编码，传输速率为7 8 k b p s 。它具有 各种外型封装，如i s o 薄卡、i s o 厚卡、钥匙扣等，是目前市场上性价比比较好的非接触式 只读r e i d 卡。 h 4 0 0 1 内部电路如图2 - - 5 所示，由放在磁场( 门禁读卡器内部线圈产生的磁场) 中的 外部线圈( 天线) 驱动，通过h 4 0 0 1 的内部线圈和门禁读卡器的内部线圈的电感耦合作用得 到时钟脉冲。该时钟脉冲经过全波整流序列发生器产生序列存储数据输 出数据编码数据调制整流等一系列流程，把6 4 位固定信息发送给门禁 主机的读卡器。 - 9 第二章门禁系统的射频识别原理 图2 - - 5h 4 0 0 1 内部功能方框图 2 4 2 射频卡信息输出格式 串行输出的6 4 位固定信息m 如表2 - - 2 所示，包括9 位起始位( 9 个1 ) ，4 0 位信 息位( d o o , - 一d 9 3 ) ，1 4 位校验位( p o - - 一p 9 ，p c o p c 3 ) ，1 位停止位( 0 ) 。发送顺序总是从 9 个起始同步位( 9 个1 ) 开始，然后依次式d 0 0 、d 0 1 、i ) 9 3 、p o 、p 9 、p c o 、p c 3 ， 最后一个是0 ( 结束同步位) 。每当1 1 4 0 0 1 将6 4 个信息位传输完毕后，只要h 4 0 0 1 仍然处 于门禁机读卡器的工作范围内，h 4 0 0 1 将再按照这个次序发送6 4 位信息给门禁机读卡器， 如此反复，直至h 4 0 0 1 退出读卡器的有效工作区。 h 4 0 0 1 使用l c r ( l o n g i t u d i n a lc i r c u l a t er e d u n d a n c y ，即纵向循环冗余) 校验方式保 证其数据可靠性，表2 - - 2 中p 0 、p 9 位分别是各行的4 个位的“异或”校验码；p c o 、p c 3 位分别是各列的l o 个位的“异或”校验码。 h 4 0 0 1 数据传输编码是曼彻斯特编码，半个比特周期时的负跳变表示逻辑“1 ”，半个比 特周期时的正跳变表示逻辑“0 ”。h 4 0 0 1 内部曼彻斯特码和原始数据信息的关系如图2 6 所示，从图中可以看相互6 4 位信息连续循环输出的情况。一个数据发送周期为6 4 个射频场 周期( 6 4 位固定信息) ， 1 4 0 0 1 的工作频率又是1 2 5 k i t z ，即射频场的时钟周期为8 u s 时，一 个数据发送的周期为5 1 2 u s 。只要能量充足，6 4 位信息以曼彻斯特码的方式连续发送，停止 位发送完后，信息再由起始位开始从头发送。 1 0 第二章门禁系统的射频识别原理 “参。 1 7熏7lllll l 飘堑d 0 0d o _ ld 0 2 嚣婚3p 0 隘本偿盥( 詹户i d )d 1 9d l ld 1 2 秘1 3p l d z 舔d 2 重0 2 2d 2 3睨 移3 睡d 3 ld 3 2 珏3 p 3 ， 差珥od 4 ld 嚆2l 4 3n 3 2 饿识别秘 d 5 0d 5 ld 5 2d 5 3p s d 6 9d 6 ld 6 凌d 园p 睡 ： b 7 9d 7 l d 7 2d 7 3p 7 d 8 0d 8 重d 8 2d 麓3 p 8 d 9 0d 9 ld 9 2d 9 3辨， k 托薹p 晓p c 3 o 表2 - - 2h 4 0 0 1 内部存储器的数据信息 懈0 t234567891 01 1酡岛oi2 帮 厂ililill1l ( - 二u 一；一； 1 j 錾 f 一7 视z乙脚 jl一1 一t t 一 池 ，r l ll l l 田心 们2 l 图2 6 曼彻斯特码和原始数据信息的关系 2 4 3 曼彻斯特码的解码方法 根据曼彻斯特码的特点可知曼彻斯特码中高电平持续的时间有两种情况：即半个位周期 和一个位周期。高电平持续一个位周期的情况是因为其中前面半个位周期高电平属于前一位 逻辑“0 ”所有，后半个位周期高电平是属于后一位逻辑搿1 ”所有。根据这个特点分析图2 7 所示的波形，首先找一个下跳，然后找一个上跳，这个的目的就是为了确认系统是否接 收到信号( 曼彻斯特码) ；而后进入一个延时阶段t ( 延时t 大于半个位周期，小于一个位 周期) ，接着读入信号，它必须是“1 ”，那么这个“1 ”就肯定是数据序列中某一位( 如果不 是。1 ”，就从头再来) ；接下来就是找该位“1 ”的下跳，找到之后又延时t ，继续读入下一 位数据。重复找跳变和延时的操作，就可以正确地读出曼彻斯特码序列。 由于1 4 4 0 0 1 在电磁场中是连续循环地输出它的信息，为了确保完全读入射频卡上的6 4 位信息，系统每次都读1 2 8 位。 根据h 4 0 0 1 的特性，知道它的数据序列是以9 个连续的“1 ”开始的，然后就是数据位 和校验位。因此只要在上面1 2 8 位信息中找到9 个连续的“l ”，如果采样数据正确的话，必 定能够在前7 2 位找到9 个连续的“l ”；如果找不到的话，重新采样。找到连续的9 个。1 ” 之后，则对其后出现的5 5 位数据按照表2 2 进行校验，这里面包括1 0 个行校验和4 个列 校验，结束位为0 。如果校验位全部正确，则提取出其中的4 0 位有效数据。这4 0 位有效数 第二章门禁系统的射频识别原理 据的前8 位为出厂序列号，与所需要提取出的射频卡i d 号信息无关，因此只需要对其后的 3 2 位数据进行分析。这些数据是以二进制的形式存储的，因此需要将这些数据转换成十进 制形式的数据，对转换之后的十进制数据，取其低8 位作为射频卡i d 号。通过上述方法可 以得到射频卡上正确的i d 号信息。 ： ： 鬈 ： 叠 ， i i 畸 i 图2 7 曼彻斯特码时序 1 2 - _ ”憾溅ml：“ - ；一 十斗inl： 繁m露吣h|：e“一” _- - 第三章门禁系统的硬件电路设计 第三章门禁系统的硬件电路设计 3 1 门禁系统整体结构 射频卡门禁管理系统具有功能齐全、安全可靠、价位较低的特点。本设计所开发的射频 卡门禁系统更是集当今先进的射频识别技术、u s b 技术、计算机技术、网络通讯技术、传感技 术于一身的智能化网络门禁管理系统。它实现的基本功能是通过为企业( 事业) 单位的员工 每人配备一张如信用卡大小的感应卡，根据所获得的授权，在有效期限内可开启指定的门锁 进入实施门禁控制的办公场所，门禁主机会自动记录所有系统事件，系统管理软件按管理要 求进行记录、查询，综合实现了门禁管理与考勤记录的功能。 3 1 1 本系统具备的创新点 系统所配置的感应式智能卡技术，在不需物理接触时即可完成读卡，并可塑封使用， 使用寿命可达1 5 年以上； 数据传输在支持t c p i p 协议的以太网上进行，对于已经和即将按照结构化布线施工 的办公和工作场所有极大的方便，可以使用标准的双绞线直接连接成群的门禁控制系 统，各门禁控制器与管理主机组成一个局域网，一个c 类网域理论上可同时对2 5 4 个 门禁节点实施控制，并且增加删除节点( 门禁主机) 非常方便； 可利用u 盘随时提取存储在门禁主机内的记录，并且写入u 盘的文件可以直接用p c 机读取，避开了布线的繁琐，能适应各种不宣布线的环境限制； 3 1 2 门禁系统基本结构 1 、系统整体工作框图： 如图3 1 所示，整个门禁系统主要由门禁控制器、射频卡、p c 机、u 盘以及以太网络所 组成，集门禁控制与考勤记录功能于一体。门禁读卡器和射频卡各自拥有一个谐振电路，读 卡器通过内部线圈不断向周围发一组固定频率( 本系统采用的频率是1 2 5 l ( i i z ) 的电磁波( 激 发信号) 。当射频卡处在读卡器的强电磁场内时，射频卡内部的线圈在“激发信号”的感应下 产生弱电流，感应所产生的电流作为射频卡内部集成电路的电源，在此电源的驱动下，射频 卡内码( 由厂家出厂时唯一固化) 从卡上反馈读卡器。读卡器接收射频卡数据并传送给门禁 控制器的中央控制器，经中央控制器对接收的数据进行校验后，如果合法，发出开门信号给 电控锁控制电路，打开电控锁，并将开门记录储存。之后，门禁控制机与管理主机通过嵌入 式网卡进行网络通讯，将开门信息分次或者批量传送给管理主机，管理主机再将接收到的数 据存档，进行统计分析，实现远程监控与开门控制。当遇到环境不适宣布线或因网络故障不 1 3 第三章门禁系统的硬件电路设计 能正常数据通信时，管理者可随时使用u 盘通过门禁系统中的u s b 接口采集考勤记录。 圈圈 图3 一l 门禁系统整体组成框图 2 、系统硬件组成： 论文中所开发的门禁系统主要包含以下六个模块，具体的硬件实物如图3 - 2 ，每个工作模 块均用红线框出，设计过程将在后面进行详细阐述。 m c u 主控模块完成对射频卡信息的校验、传递、存储以及与p c 机通讯。 以太网接口模块实现基于t c p i p 协议的以太网网络数据传输。 u 盘读写模块实现利用u 盘进行考勤数据的离线采集。 射频卡读卡模块完成对射频卡的识别工作。 数码管显示模块显示时间、卡号等信息 电控锁模块控制感应门的开关。 1 4 第三章门禁系统的硬件电路设计 图3 - 2 门禁系统电路实物图 1 5 - 第三章门禁系统的硬件电路设计 3 2 门禁系统的控制电路模块 3 2 1m c u 主控模块 门禁系统硬件电路的中心部分就是m c u 主控模块，它是整个电路的核心。首先应该选择 一个合适的芯片作为门禁读卡器的微处理器，用它来控制硬件电路的其他模块。由于涉及到 使用u 盘读写文件级子程序库，单片机需要不少于1 0 k b 的程序空间和不少于6 0 0 b 的r a m 。 s t c 8 9 c 5 8 r d n 3 1 具有3 2 k b 片内f l a s h 程序存储器，1 2 8 0b 片内r a m 存储器，支持i s p ( 在系统编 程) 。加密性强，无法解密；超强抗干扰；采用一个时钟机器周期，可用低频晶振，大幅降 低e m i ( 电磁干扰) ；超低功耗。鉴于以上优点，本文选择s t c 8 9 c 5 8 r d 作为门禁机的m c u 主控 模块。 图3 - 3 给出了单片机s t c 8 9 c 5 8 r d 与嵌入式网卡( r x d 、t ) ( d ) 、时钟芯片h t l 3 8 0 ( p 1 2 、p 1 3 、 p 1 4 ) 、存储芯片2 4 c 2 5 6 ( p 1 0 、p i i ) 、c h 4 5 2 显示控制电路( p 1 5 、p 1 6 、p 1 7 ) 、读写电路模块 ( o u t ) 、电控锁电路( p 3 3 ) 、t l 盘读写电路( d 0 - d 7 、a 0 、r d 、脓、i n t 0 ) 、复位电路( r e x ) 的连接示意图。单片机s t c 8 9 c 5 8 r d 的x t a l 2 、x t a l i 引脚接外部i i 0 5 9 2 m 晶振。 u l p 1 0l p 1 0p 0 0 3 9d 0 p l l2 p i l p o l 3 8d l p 1 23 p 1 2p 0 2 3 7d 2 p 1 34 p 1 3p 0 3 3 6d 3 p 1 45 p 1 4p 0 4 3 5d 4 p 1 56 p 1 5p 0 5 3 4d 5 p 1 673 3 璐 p 1 78 p 1 6p 0 6 pl?po? 3 2d 7 p 3 31 3 掰- r lp 2 0 2 la o i n t 1 2 ： 2 2 i n t op 2 1 1 5 p 2 2 2 3 o u t l 4 v t lp 2 3 2 4 ：e i 1 1n e 口，h 厍w 1 m p 2 4 2 5l e d1 l u d y l m r 强 3 1 p 2 5 2 6 l e d _ 2 l e a r v p p 2 6 2 7l e d3 p 2 7 2 8p 2 7 1 一i ， y l 1 9 x i r - 1 8 x 2 il ：e z - i - r 盯 91 0 黝 i i上 r e s e tr x d 一上，一墼窒。 t x d l l 胁 i t d矗l e 饵 3 0 2 97 p 工 w 矗口 cw rp s e n s t c 8 9 c 5 8 r d 图3 - 3h c u 主控电路原理图 1 6 第三章门禁系统的硬件电路设计 3 2 2 射频卡读写电路模块 读写电路模块部分主要由7 4 h c 4 0 6 0 、电阻、电容、电感线圈和两级运放( l m 3 5 8 ) 组成， 如图3 - - 4 所示。 7 4 h c 4 0 6 0 幅1 是一个1 4 阶的二进制计数器，它是由一个振荡器和一个1 4 级二进制串行计 数位组成，振荡器的结构可以是r c 或晶振电路。它的引脚功能见表3 - - 1 所示。 引脚号符号名称及功能 1 ，2 ，3q 1 1 一q 1 3计数器输出端( 作为分频器的话，分别是2 1 1 _ 2 1 3 分频) 7 ，5 ，4 ，6 ，1 4 ，1 3 ，1 5 q 3 一q 9计数器输出端( 作为分频器的话，分别是2 3 - 2 9 分频) 1 6g n d 接地端( o v ) 9c o u t 外部电容连接端 1 0c o u t 外部电阻连接端 1 1c i n 时钟输入端 1 2r e t 复位端 8v c c 正电源 表3 - - 1 芯片7 4 h c 4 0 6 0 的引脚功能表 频率为伽的方波信号经过7 4 h c 4 0 6 0 分频器的分频，从7 4 h c 4 0 6 0 的q 5 端输出，被3 2 分 频得到1 2 5 k h z 的方波信号。1 2 5 1 d l z 的方波信号经过一级互补推挽功率放大电路的功率放大， 在功放电路的负载电路l c 串联谐振电路上发生串联谐振使得电感l i ( 即门禁系统的天线线圈) 上的电流值达到最大，因而在门禁系统的天线线圈周围就会有很强的交变电磁场，交变的电 磁场又会产生电磁波。门禁系统的天线线圈不断的向外发出1 2 5 k h z 的等幅高压电磁波，当有 射频卡靠近时，射频卡中的线圈和门禁系统中的线圈发生电感耦合，1 2 5 k h z 的等幅高压电磁 波被射频卡中表示射频卡i d 号的波形所调制，经过二级管的检波从中取出调制信号( 即为表 示射频卡i d 号的波形) ，再经过电容c 2 2 的滤波作用把1 2 5 1 d l z 载波信号滤出，最后经过l m 3 5 8 芯片组成的整形电路的整形，在读卡电路模块的o u t 端将输出表示射频卡i d 号的曼彻斯特编 码信息。 1 7 第三章门禁系统的硬件电路设计 图3 - 4 射频读卡电路原理图 1 8 第三章门禁系统的硬件电路设计 3 2 3 存储电路模块 读卡器的存储模块采用的是a t 2 4 c 2 5 6 n n 6 1 串行存储芯片，它的电路连接如图3 - - 5 所示。 图3 - - 5 存储电路原理图 本论文所设计的门禁系统要存储的数据主要是管理部门所发行的合法卡与刷卡考勤记 录，需要存储的数据量还是比较大的，所以采用a t m e l 公司生产的2 5 6 k 串行电可擦除的可编 程只读存储器a t 2 4 c 2 5 6 n 。a t 2 4 c 2 5 6 n 芯片采用8 引脚双排贴片式封装，具有结构紧凑、存储 容量大等特点，可以在2 线总线上并接4 片该芯片，特别适用于