（机械工程专业论文）基于智能ic卡的网络门禁系统设计与开发.pdf

a b s t r a c t t h 讧p a p e fi n t r o d u c e st h ed e s i g na n dd e v e l o p m e n to f t h ee u t r a n c eg u a r dn e t w o r k s y s t e mb a c e d 0 1 3s m a r ti cc a r d ，w h i c h a n a l y s i s e st h ed e s i g no f h a r d w a r ea n ds o f t w a r e d e t a i l e d l y g i v e so u tt h em a i nf l o wc h a r ta n dp r o g r a m ，t h ee l e c t r i cc i r c u i tp r i n c i p l e d i a g r a m a n dp c b d i a 蓼a mo f m a k i n g c o n t a c t l e s st cc a r dr e a d e r 。t h er e a d e ri sc o n s i s t e d o f r fa n t e n n a ，r e a d e rm o d u l e ，r s 4 8 5c o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c ea n dm c u ，w h i c hc a n r e a d w r i t et h em i f a r ec o n t a c t l e s ss m a r tc a r do fp h i l i p sc o m p a n yi nh o l l a n d ，t h e d i s t a n c eo f r e a d i n gc a r di s1 0 c m r o u g h l y 。t h es y s t e mw i l ld i s p l a yt h ec l o c kw h e n t h e r e i sn oc a r de n t e r e di n t ot h es c o p eo fr f e n e r g y w h e nt h ec a r de n t e r e di n t ot h a t ，t h e r e a d i n g c a r dd a t aw i l lb e d i s p l a y e d at h r o u g h r s 4 8 5i n t e r f a c ea n d p c ，c o n s t i t u t i n g t h e c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k ，a sr e a d e r w o r k i n gi n d e p e n d e n t l y ，p ci n t e r v i e w sr e a d e re v e r y e x a c tt i m e ，t h ec l o c ko f w h i c hi su s e dt ov e r i f yt h a to f r e a d o r ，a n dr e a dt h er e a d i n gc a r d d a t as t o r e d i n r e a d e r s m e m o r y ，s oa s t o d e a l w i t h t h e d a t a i n t h e m e m o r y i m m e d i a t e l y 。 a f t e r t e s t i n gr e p e a t e d l y ，t h es y s t e m n mi nc i d m m o na n ds t a b l e 。 t h ec o n t r o l l e ro fr e a d e ru s e sa t 8 9 c 5 2m c uw i t h8 kb y t ef l a s hp r o g r a m m e m o r y ，w h i c hh a st h er e a lt i m ec l o c kw i t hl i f h i 吼b a t t e r y ，d a t am e m o r y ，8l e d d i s p l a y sa n dd i s p l a y d r i v e r 。b e s i d e s ，i th a st h es t a t ed e s i g n a t i o nl i g h t sa n db u z z e r u s i n g f o rt h es t a t ed e s i g n a t i o no f r e a d i n g c a r d ，a n dt h ed e s i g n a t i o no fs u c c e s s f u lv e r i f yt i m e a n d t r a n s m i t t i n gd a t a 。t h es y s t e m u s e ss e r i a li n t e r f a c e c h i p ，p i n i sl e s sa n d c o n n e c t i n g l i n ei ss i m p l e ，w h i c hb e n e f i t st on r i t o wt h es i z eo f r e a d e r ，a n dc u td o w n c o n s u m p t i o n o f p o w e r 。b e s i d e s a sp r i s o nm a n a g e m e n te n 眦c eg u a r d ，t h er e a d e rc a l lb ee x p a n d e dt o o t h e ru s e ，s oa st or e a l i z em u l t i - a p p l i c a t i o nb yo n ec a r d a k e y w o r d s ：m i f a r es m a r ti cc a r d ，e n t r a n c eg u a r ds y s t e m ，r e a d e rd e v i c e ，m c u ， s e r i a li n t e r f a c e tr s 4 8 5n e t w o r ks y s t e m i i 第一章绪论 1 1 智能i c 卡概况 钢能卡概念起源于七十年代的欧洲和日本，1 9 7 4 年法国政府、法国银行和布 尔公司协作，由法国一位叫r o l a n dm o r e n o 的工程师提出将集成电路芯片嵌装于 一块塑料基片上，从而构成一张存储卡的想法，这就是世界上第一张i c 卡。随后 i c 卡工业在1 9 7 7 1 9 8 8 年间得到了迅速发展。1 9 7 6 年法国b u l l 公司和m o t o r o l a 公司合作生产了世界上第一张过渡型智能卡，并将这项技术应用到金融、交通、 身份证明等多个行业，该卡微处理嚣和存储器是分离的。1 9 8 0 年m o t o r o l a 公司率 先推出微处理器和存储器集成韵芯片。在美国，智能卡发展相对迟缓，这与美国 磁卡应用十分广泛、网络通讯又很发达不无关系。但美国在智能卡的安全技术等 领域仍处于世界领先地位。到九十年代，世界上先后出现了一些著名的i c 卡制造 商，如德国的s i e m e n s ，美国的m o t o r o l a 、h t m e l ，法国的s c h l u m b e r g e r 、g e m p l u s 、 s o l a t i c ，荷兰的p h i l i p s 等“3 。 智能卡的名称来源于英文名词“s m a r tc a r d ”，又称集成电路卡( i n t e g r a t e d c i r c u i tc a r d ) ，即i c 卡。它一出现，就以其超小的体积、先进的集成电路芯片 技术以及特殊的保密措施和无法被破译及仿造的特点受到普遍欢迎。它将微电子 技术和计算机技术结合在一起，提高了人们生活和工作豹现代化程度。 在i c 卡投入应用前使用的信息卡有光电卡、条码卡和磁卡。光电卡及条码卡 因其防伪性差目前仅用于某些特定的应用。磁卡防伪能力较差且易磨损磁化。应 用于用卡次数不频繁的场合，现在已基本不用了。现在普遍使用的是i c 卡。l e 卡 的存储容量小到几十位，大至几十k 字节主要根据它们的用途来选用。i c 卡可 以分成三犬类。 1 存储器卡 。 卡中存储器为e e p r o m ，它仅有数据存储能力，没有数据处理能力，对卡中数 据操作时无需核对密码，安全性较差。 2 逻辑加密卡 卡中的集成电路包括加密逻辑电路和可编程只读存储器e e p r o m ，当对加密卡 进行操作时，必须先核对卡中的密码，只有棱对密码正确才能对卡进行操作。 第一章绪论 1 1 智能i c 卡概况 钢能卡概念起源于七十年代的欧洲和日本，1 9 7 4 年法国政府、法国银行和布 尔公司协作，由法国一位叫r o l a n dm o r e n o 的工程师提出将集成电路芯片嵌装于 一块塑料基片上，从而构成一张存储卡的想法，这就是世界上第一张i c 卡。随后 i c 卡工业在1 9 7 7 1 9 8 8 年间得到了迅速发展。1 9 7 6 年法国b u l l 公司和m o t o r o l a 公司合作生产了世界上第一张过渡型智能卡，并将这项技术应用到金融、交通、 身份证明等多个行业，该卡微处理嚣和存储器是分离的。1 9 8 0 年m o t o r o l a 公司率 先推出微处理器和存储器集成韵芯片。在美国，智能卡发展相对迟缓，这与美国 磁卡应用十分广泛、网络通讯又很发达不无关系。但美国在智能卡的安全技术等 领域仍处于世界领先地位。到九十年代，世界上先后出现了一些著名的i c 卡制造 商，如德国的s i e m e n s ，美国的m o t o r o l a 、h t m e l ，法国的s c h l u m b e r g e r 、g e m p l u s 、 s o l a t i c ，荷兰的p h i l i p s 等“3 。 智能卡的名称来源于英文名词“s m a r tc a r d ”，又称集成电路卡( i n t e g r a t e d c i r c u i tc a r d ) ，即i c 卡。它一出现，就以其超小的体积、先进的集成电路芯片 技术以及特殊的保密措施和无法被破译及仿造的特点受到普遍欢迎。它将微电子 技术和计算机技术结合在一起，提高了人们生活和工作豹现代化程度。 在i c 卡投入应用前使用的信息卡有光电卡、条码卡和磁卡。光电卡及条码卡 因其防伪性差目前仅用于某些特定的应用。磁卡防伪能力较差且易磨损磁化。应 用于用卡次数不频繁的场合，现在已基本不用了。现在普遍使用的是i c 卡。l e 卡 的存储容量小到几十位，大至几十k 字节主要根据它们的用途来选用。i c 卡可 以分成三犬类。 1 存储器卡 。 卡中存储器为e e p r o m ，它仅有数据存储能力，没有数据处理能力，对卡中数 据操作时无需核对密码，安全性较差。 2 逻辑加密卡 卡中的集成电路包括加密逻辑电路和可编程只读存储器e e p r o m ，当对加密卡 进行操作时，必须先核对卡中的密码，只有棱对密码正确才能对卡进行操作。 3 c p u 昔 c p 0 卡是一种具有微处理器芯片的i c 卡，它的安全级别和存储容量比加密卡 更岛。它由片内c p u 、e e p r o m 、r a m 及固化在r o m 中的片内操作系统c o s ( c h i p o p e r a t in gs y s t e m ) 组成。严格地讲，只有c 卡才是真正的智能卡。j 。 智能i c 卡又分为接触式i e 卡、非接触式i c 卡及双界面卡( c o m b i c a r d ) 三 乖 t 。当前使用广泛的是接触式l c 卡，在这种卡上，i c 卡芯片有8 个触点与外界接 触，通过机械触点从读写器获取能量和交换数据。非接触式i c 卡不向外引出触点， 通过线圈射频感应从渎写器获取能量和交换数据。因此它除了包含接触式i c 卡的 电路外，还带有射频收发电路，因而又称这种i c 卡为感应式i c 专，射频( r f ) 。近年。p h i l i p s 半导体等国外知名厂商推出了一种将射频卡和接触卡合二为一 的双界面卡，以适应各种应用需要。但双界面卡因其结构及操作较复杂、价格商， 日前在国内较少使用。智能i c 卡就是存储数据的信息卡，不同的信息卡具有不同 的特点，从表1 1 可以看出其差别。 表1 1 多种信息卡的比较 卡类m i f a r e 岳l e g i t 卡 i d 卡 接触式i c 卡磁卡 磷性智能卡标签卡一组密码，智能卡磁记录卡 滇写功能渎写读写只凄读写读写 存储格式1 6 个独立密码一组密码一组密码三个磁道 可靠性数据安全可靠 有不稳定易受干扰环境要求严 受速度影响 防伪能力极强极易解破 无防伪能力极强无防伪能力 翰伪模式双向认证单向认证不认证 多种防伪手段 防碰撞能力有 损坏数据无 管多冀j 性有1 6 种 一种交易 频度较低的方面 l 应用情况应用广泛安防设备 考勤及门禁金融及商业卡 信用卡 1 2 非接触式智能卡的工作原理 接触式i c 卡读写操作速度慢，每次读写时必须把卡正确地插入读写器中才能 完成数据交换，这样，在公交、考勤等需要频繁读写卡的场合很不方便，而且读 3 c p u 昔 c p 0 卡是一种具有微处理器芯片的i c 卡，它的安全级别和存储容量比加密卡 更岛。它由片内c p u 、e e p r o m 、r a m 及固化在r o m 中的片内操作系统c o s ( c h i p o p e r a t in gs y s t e m ) 组成。严格地讲，只有c 卡才是真正的智能卡。j 。 智能i c 卡又分为接触式i e 卡、非接触式i c 卡及双界面卡( c o m b i c a r d ) 三 乖 t 。当前使用广泛的是接触式l c 卡，在这种卡上，i c 卡芯片有8 个触点与外界接 触，通过机械触点从读写器获取能量和交换数据。非接触式i c 卡不向外引出触点， 通过线圈射频感应从渎写器获取能量和交换数据。因此它除了包含接触式i c 卡的 电路外，还带有射频收发电路，因而又称这种i c 卡为感应式i c 专，射频( r f ) 。近年。p h i l i p s 半导体等国外知名厂商推出了一种将射频卡和接触卡合二为一 的双界面卡，以适应各种应用需要。但双界面卡因其结构及操作较复杂、价格商， 日前在国内较少使用。智能i c 卡就是存储数据的信息卡，不同的信息卡具有不同 的特点，从表1 1 可以看出其差别。 表1 1 多种信息卡的比较 卡类m i f a r e 岳l e g i t 卡 i d 卡 接触式i c 卡磁卡 磷性智能卡标签卡一组密码，智能卡磁记录卡 滇写功能渎写读写只凄读写读写 存储格式1 6 个独立密码一组密码一组密码三个磁道 可靠性数据安全可靠 有不稳定易受干扰环境要求严 受速度影响 防伪能力极强极易解破 无防伪能力极强无防伪能力 翰伪模式双向认证单向认证不认证 多种防伪手段 防碰撞能力有 损坏数据无 管多冀j 性有1 6 种 一种交易 频度较低的方面 l 应用情况应用广泛安防设备 考勤及门禁金融及商业卡 信用卡 1 2 非接触式智能卡的工作原理 接触式i c 卡读写操作速度慢，每次读写时必须把卡正确地插入读写器中才能 完成数据交换，这样，在公交、考勤等需要频繁读写卡的场合很不方便，而且读 。t j 器和l c 矗的触点暴露在外，容易损坏和搞脏而造成接触不良。非接触式i c 骨是 根据射频电磁感应原理产生的。它的读写操作只需将卡放在读写器射频能景范围 内就能实现数据交换，不需接触，使用非常方便快捷、彳i 易损坏。因此，在公交、 门禁、校闻、企事业人事管理等方面有广泛的应用前景。目前我国引进的射频l c k 主瑶有荷兰p h i l i p s 公司的m i f a r e 卡和美国a t m e l 公司的t e m i c 卡。现以m i f a r e 卡为例来说明非接触式i c 卡的工作原理。 非接触式i c 读写器以射频识别技术为核心，读写器内使用了m i f a r e 膏专 用韵读写芯片，其操作距离根据读写芯片的不同有2 5 1 0 c m 不等。读写芯片有 调制、解调、产生射频信号、安全管理和防碰撞机制等功能。分为射频区和接口 区，射频区内含调制解调器和供电电源，直接与天线连接。接口区与单片机相连， 内部收发器有数据缓冲器、存放密钥的r o m 及进行密码认证和数据加密的密码机、 | l f 碰撞模块和控制单元。读写器工作时，不断地向外发出一组固定频率的电磁波 ( 1 3 5 6 麟z ) ，当有卡靠近时，卡内l 6 串联谐振电路( 频率与读写器的发射频率 相同) 在电磁波的激励下产生共振，从而使电容充电有了电荷。在电容的另一端， 接有一个单向导电的电子泵，将电容内的电荷送到另一个电容内存储。当电容器 充电达到2 v 时，此电容就作为电源为卡上的其他电路提供工作电压，将卡内数据 发射出去或接收读写器发来的数据并保存。 m i f a r e l 非接触式i c 卡的读写操作过程如图1 1 所示。 图1 1m i f a r e l 卡的读写操作过程 1 3 非接触式智能卡的国内外情况 。t j 器和l c 矗的触点暴露在外，容易损坏和搞脏而造成接触不良。非接触式i c 骨是 根据射频电磁感应原理产生的。它的读写操作只需将卡放在读写器射频能景范围 内就能实现数据交换，不需接触，使用非常方便快捷、彳i 易损坏。因此，在公交、 门禁、校闻、企事业人事管理等方面有广泛的应用前景。目前我国引进的射频l c k 主瑶有荷兰p h i l i p s 公司的m i f a r e 卡和美国a t m e l 公司的t e m i c 卡。现以m i f a r e 卡为例来说明非接触式i c 卡的工作原理。 非接触式i c 读写器以射频识别技术为核心，读写器内使用了m i f a r e 膏专 用韵读写芯片，其操作距离根据读写芯片的不同有2 5 1 0 c m 不等。读写芯片有 调制、解调、产生射频信号、安全管理和防碰撞机制等功能。分为射频区和接口 区，射频区内含调制解调器和供电电源，直接与天线连接。接口区与单片机相连， 内部收发器有数据缓冲器、存放密钥的r o m 及进行密码认证和数据加密的密码机、 | l f 碰撞模块和控制单元。读写器工作时，不断地向外发出一组固定频率的电磁波 ( 1 3 5 6 麟z ) ，当有卡靠近时，卡内l 6 串联谐振电路( 频率与读写器的发射频率 相同) 在电磁波的激励下产生共振，从而使电容充电有了电荷。在电容的另一端， 接有一个单向导电的电子泵，将电容内的电荷送到另一个电容内存储。当电容器 充电达到2 v 时，此电容就作为电源为卡上的其他电路提供工作电压，将卡内数据 发射出去或接收读写器发来的数据并保存。 m i f a r e l 非接触式i c 卡的读写操作过程如图1 1 所示。 图1 1m i f a r e l 卡的读写操作过程 1 3 非接触式智能卡的国内外情况 1 3 1 国内情况 汀泽民总抽汜于9 3 年4 月提出了全民使用信用每的倡议，同年6 月囝务院启 动r “金卡工程”。在国家信息化领导小组的直接领导下，我国i c 卡的开发和应 用得到迅猛发展，取得了不小的成就。已研制出具有自主知识产权的大容每存储 骨，逻辑加密卡等。但对尖端的c p u 卡及非接触式智能l c 鼍的制卡技术及其读写 设各技术，一直处十较落后状态。为了加快i c 卡行、f k 的发展，特别足c p u 卡及非 接触式i cp 的推广应用，尽快掌握其核心技术，我国广人的科技_ t 作者进行了不 懈的努力。终过几年的研发，已开发出具有自主知识产权的非接触式i c 卡及读写 设备，如l 二海华虹s h c l l 0 1 芯片和复旦微电子公司的f m l lr f 0 8 芯片等。s i i c l l 0 1 是上海华虹集成电路有限公司设计的非接触i c 卡芯片，容量为i k 字节e e p r o m ， 具有极高的保密性能。从该芯片的参数和存储器结构来看，是一种m f a r e 标准的 昔。相应的读写器为s h c l 7 0 4 模块，它主要由射频部分和集成电路s h c l 5 0 1 芯片 构成。该芯片己在上海供电局系统的预收费电度表上投入使用”洲。 清华大学微电子学研究所自1 9 9 4 年以来就致力于i c 卡芯片技术的研发，1 9 9 5 年基于已有的e e p r o t 存储器技术，与华旭金卡有限公司联合攻关成功地研制出我 困第一张从芯片设计、生产到卡片制作的完全国产化的中华i c 卡。1 9 9 8 年与大唐 微电了公司合作，成功开发出目前我国用量最大的i c 长一一公用电话预付费卡芯 片。1 9 9 9 年针对国际上流行射频技术的非接触式i c 忙，设计并开发出】2 5 k h z 和 1 3 5 6 m t l z 型非接触式i c 卡芯片。从1 9 9 9 年开始，清华大学微电子学研究所与日 本松f 电子公司和美国智明微电子公司达成合作协议，清华大学微电子学研究所 利用日本松下电子公司先进的铁电存储器生产技术，设计并开发出具有世界先进 水平的大容量铁电存储器非接触式i c 卡芯片及读写机具。 1 3 2 国外情况 圈外对i c 卡的研究和应用较早，特别是在美国和欧洲，但非接触式i c 卡方 面的研究使用也只是近几年的事。当今世界上非接触式i c 卡主流产品是p h i l i p s 公司的m i f a r e 技术，已经被制定为国际标准：i s o i e c1 4 4 4 3t y p ea 标准。欧洲一 些i c 帚及读写器制造商大都以v i i f a r e 技术为标准发展自己的l c 管事业。 1 m i f a r e 系列智能卡 p h i l i p s 公司的m i f a r e 系列产品有三大类：m i f a r es t a n d a r d ，m i f a r el i g h t ， y i f a r ep i u s ( 第一代) 和m i f a r ep r o ( 第二代) ”。 m f a r es t a n d a r dm f l 卡现在有两种主要型号，m f li c $ 5 0 和m f li c $ 7 0 。 $ 5 0 型目前应用最广、容量为l k 字节e e p r o m 的i c 卡。$ 7 0 型为大容量i c 卡有 4 k 字节e e p r o m ，主要用在需要大空间的应用上，如大的一卡通的联合应用。 l i g h tl 是小容量g - ，容量为3 8 4 位e e p r o m ，主要用途是电子标签和非接触的单 一应用。双界面卡士要是m fp r o ( 8 k ) ，现在又增加丁m fp r o x ( 1 6 k 带p k i ) 。 m f l s 5 0 卡1 k 字节e e p r o m 分为1 6 个扇区，每个扇区为4 块，每块1 6 个字节， 以块为单位存取操作。每个扇区有独立的密码及访问控制，可以作1 6 种不同的用 途。符合i s o i e c1 4 4 4 3a 标准，每张卡有唯一3 2 位的序列号，具有防冲突机制， 工作频率1 3 5 6 1 v n t z ，通信速率1 0 6 k b p s ，读写距离可达l o o m l “。 m f t $ 7 0 卡4 k 字节e e p r o m 分为4 0 个扇区，其中的3 2 个扇区中，每个扇区与 $ 5 0 簧一样。另外的8 个扇区，每个扇区为2 5 6 个字节，每个扇区分为1 6 块，每 块1 6 个字节。都是以块为单位存取操作。每个扇区有独立的密码及访问控制，可 以作4 0 个不同的用途”1 。 m i f a r el i g h t ( m f ll i o ) 是p h i l i p s 公司非接触卡的简缩型芯片，符合m i f a r e 的技术标准。3 8 4 位e e p r o m ，1 6 字节数值区。实际上属m f l 系列产品。 m i f a r ep r o ( m f 2i c d 8 x ) 是新一代智能双界面卡，芯片内有8 0 5 1 核心的微 处理器，是典型的c p u 卡既可用作接触式i c 卡，又可用作非接触式i c 卡。非 接触式接口符合i s o i e c l 4 4 4 3 t y p e h 标准，接触式接口符合i s o i e c 7 8 1 6 标准， 两种接口有相同等级的安全性和可操作性。8 k 字节e e p r o m ”1 。 p h i l i p s 公司最近推出一种新型m i f a r e 卡，即m i f a r eu l t r a l i g h t t e 接触式i c 卡，简称为m f oi cu 1 。有5 1 2 字节e e p r o m ，专用于车票系统。m f o 卡最大的特点是 交易时间只有3 1 4 m s 比其它m i f a r e 卡要短得多。此外还有一种i i f 3i c d 4 0 卡，密 码机制更加完善，不是按块丽是按文件操作，波特率高达1 0 6 4 2 4 k b p s ，有防撕扯 功能、值文件功能、2 8 种用途o “”1 。 2 l i f a r e 读写芯片 能读写m i f a r e 卡的读写基站芯片及支持的协议类型如下； s i ，r c 4 0 0 ：i s 0 1 5 6 9 3 i * c o d e m fr e 5 0 0 ：i s 0 1 4 4 4 3 a m i f a r ec l a s s i c 肝r c 5 3 0 ：船r c 5 0 0 的低功耗版本 m fr c 5 3 1 ：i s 0 1 4 4 4 3 a i s 0 1 4 4 3 b m i f a r ec l a s s i c e lr c 6 3 2 ：i s 0 1 4 4 4 3 a i s 0 1 4 4 3 b m i f a r ec l a s s i c i s 0 1 5 6 9 3 i * c o d e 读写器根据操作距离的不同有三个国际标准，分别是i s o i e c l 0 5 3 6 、 i s o f i e c l 4 4 4 3 和i s o i e c l 5 6 9 3 。见表1 2 。 表1 2 非接触式i c 卡国际标准 i cr读写器困际标准读写距离 c i c cc c di s 0 i e c1 0 5 3 6紧靠 p i c cp c di s o i e c1 4 4 4 3 1 0 e m c cv c di s o 瑾l5 6 9 3 5 0 e r a m i f a r e 蕾与读写器之间是密文传送，为p h i l i p s 所独有，尚未被人破解，因 此其它厂家兼容i s 0 1 4 4 4 3 a 的读写基站是无法操作m i f a r e 卡的。其中r c 5 0 0 用量 最大，现已趋于稳定。读写芯片见表1 3 。 表1 3m i f a r e 读写芯片 读写距离 接口标准卡接口天线 读写芯片 m f r c 5 0 01 0 0 r a i n 并行 i s o1 4 4 4 3 a 读写模块 m f c m 2 0 0 4 0 l l l m 并行 i s o l 4 4 4 3 a m f c m 2 2 0 m f c m 5 0 0 1 0 0 r a n l 并行 i s 0 1 4 “3 a m f c m 5 2 0 i o e m 读写器 m f r d 2 6 04 0 1 1 3 mr s 2 3 2i s 0 1 4 4 4 3 a 包括 r s 2 3 2 m f r d 5 6 07 0 n l mr s 4 2 2i s 0 1 4 4 4 3 a 包括 c m o s r s 2 3 2 m f r m 5 6 01 0 0 l l l mr s 4 2 2l s 0 1 4 4 4 3 a c m o s 3 其它智能卡 a t m e l 公司生产的t e m i c 非接触式i c 卡e 5 5 5 0 芯片是一种i d ( 身份) 识别芯 片，容量为2 6 4 位e e p r o m ，采用1 2 5 k h z 射频频率，是一种低频卡，操作距离5 1 0 c m 。相应的读写基站芯片为u 2 2 7 0 b 。在动物身份识别等方面得到了应用。瑞士 e m 公司的h 4 0 0 1 非接触式i c 卡，容量为6 4 位e e p r o m ，采用1 2 5 k l i z 射频频率， 也是低频卡，其读写芯片为p 4 0 9 5 。l e $ c 射频卡容量为2 5 6 字节e e p r o m ，读写 距离1 0 e m ，已用于公交系统等。美国德州仪器公司( t i 公司) 的i d 卡是一种低 频只读昔，内部有8 字节( 6 4 位) i d 号码，已应用在门禁考勤系统中【i i 】1 1 2 。 从上面论述可知，非接触式i c 卡有高频卡( 1 35 6 m h z ) 和低频卡( 1 2 5 k h z ) ， 有读写卡和只读卡。卡的存储容量以前用的大多为小容量卡，卡一周，以t e m i c 和l e g i t 射频卡为主。有些公司以p h i l i p s 的m i f a r e 技术为主，西门子公司的非接 触式i c 卡就是采用m i f a r e 技术标准，如s l e4 4 r 3 5 。现在大多数非接触式i c 卡 采用1 s 0 1 4 4 4 3t y p ea 标准，也有一些公司采用i s 0 1 4 4 4 3t y p eb 类标准。如意法 半导体有限公司( s t 公司) 智能卡采用t y p eb 类标准，如s t l 6 r f x x 。m o t o r o l a 公司的c p u 卡也是采用t y p e b 标准。 综合各方面的考虑，本设计智能卡门禁系统采用当前应用较广泛、价格合适、 技术领先、可扩艘性强的i s 0 1 4 4 4 3t y p ea 标准的m f l $ 5 0 非接触式智能i c 卡及 相应的读写芯片m f r c 5 0 0 。 1 4 本文研究的目的和意义 本课题来源于监狱管理的要求，在监狱中，犯人都是按编号管理，方面要 对犯人的基本情况进行登记管理，另一方面要对犯人的出勤、买饭等日常生活及 活动进行有效管理。以前大多采用人工登记的办法，也有采用接触式i c 卡的办法， 显然这些方法都有其局限性，现在设计采用非接触式i c 卡作为监狱犯人管理的门 禁考勤系统具有方便快捷，卡和读写器寿命长等优点，同时实现了犯人基本信息 收集和处理的自动化，管理的综合化、现代化。 本文主要介绍用p h i l i p s 公司最新推出的m f i s 5 0 非接触式i c 卡及m f r c 5 0 0 读写芯片设计犯人管理的门禁考勤系统，包括设计读卡器，写卡器，r s 4 8 5 通信 接口及p c 机犯人信息管理系统。由于写卡器与读卡器的硬件设计基本相同，软件 设计也差别不很大，因此本门禁系统重点是读卡器的软硬件设计。首先要弄清芯 片的原理，确定主控制器及外部器件，然后设计电路原理图、p c b 图及大量的软 件开发。根据要求，要扩展有时钟并带备用电池、显示器、存储器、r s 4 8 5 网络 通信接口及p c 管理机。在设计基本应用后，将其功能扩展到一卡多用，以实现监 狱管理的各项工作的一体化。 从上面论述可知，非接触式i c 卡有高频卡( 1 35 6 m h z ) 和低频卡( 1 2 5 k h z ) ， 有读写卡和只读卡。卡的存储容量以前用的大多为小容量卡，卡一周，以t e m i c 和l e g i t 射频卡为主。有些公司以p h i l i p s 的m i f a r e 技术为主，西门子公司的非接 触式i c 卡就是采用m i f a r e 技术标准，如s l e4 4 r 3 5 。现在大多数非接触式i c 卡 采用1 s 0 1 4 4 4 3t y p ea 标准，也有一些公司采用i s 0 1 4 4 4 3t y p eb 类标准。如意法 半导体有限公司( s t 公司) 智能卡采用t y p eb 类标准，如s t l 6 r f x x 。m o t o r o l a 公司的c p u 卡也是采用t y p e b 标准。 综合各方面的考虑，本设计智能卡门禁系统采用当前应用较广泛、价格合适、 技术领先、可扩艘性强的i s 0 1 4 4 4 3t y p ea 标准的m f l $ 5 0 非接触式智能i c 卡及 相应的读写芯片m f r c 5 0 0 。 1 4 本文研究的目的和意义 本课题来源于监狱管理的要求，在监狱中，犯人都是按编号管理，方面要 对犯人的基本情况进行登记管理，另一方面要对犯人的出勤、买饭等日常生活及 活动进行有效管理。以前大多采用人工登记的办法，也有采用接触式i c 卡的办法， 显然这些方法都有其局限性，现在设计采用非接触式i c 卡作为监狱犯人管理的门 禁考勤系统具有方便快捷，卡和读写器寿命长等优点，同时实现了犯人基本信息 收集和处理的自动化，管理的综合化、现代化。 本文主要介绍用p h i l i p s 公司最新推出的m f i s 5 0 非接触式i c 卡及m f r c 5 0 0 读写芯片设计犯人管理的门禁考勤系统，包括设计读卡器，写卡器，r s 4 8 5 通信 接口及p c 机犯人信息管理系统。由于写卡器与读卡器的硬件设计基本相同，软件 设计也差别不很大，因此本门禁系统重点是读卡器的软硬件设计。首先要弄清芯 片的原理，确定主控制器及外部器件，然后设计电路原理图、p c b 图及大量的软 件开发。根据要求，要扩展有时钟并带备用电池、显示器、存储器、r s 4 8 5 网络 通信接口及p c 管理机。在设计基本应用后，将其功能扩展到一卡多用，以实现监 狱管理的各项工作的一体化。 第二章系统设计分析 2 1m i f a r e 读卡器 智能卡网络门禁系统的关键部件是读卡嚣，它由控制单片机及外围扩展器件、 读忙模块、射频天线、显示器、电源接口、串行通信接口几部分组成，接j z + 5 v 电 源可以读卡，接上：串行口可以与p c 机通信。m i f a r e 读卡器见图2 1 。 图2 1m i f a r e 读卡器实物图 该读卡器是针对p h i l i p s 公司m i f a r e 产品设计的，能够读写m i r a r e 系列的 非接触式i c 卡e 左边放在射频天线上的白色长方形的卡就是m i f a r e 非接触式智 能i c 卡。上方l e d 数码显示器的左边显示的是卡号，右边显示的是时钟。 读卡器各部件的位置布局见图2 。2 。 在图中电源捅头下面两个接线头作电源+ 5 v 和地，最下面的为地。d b 9 为9 针 串行通信接口，用阴型头，下为1 号针孔，向上用到2 ，3 ，5 ，号针孔。 第二章系统设计分析 2 1m i f a r e 读卡器 智能卡网络门禁系统的关键部件是读卡嚣，它由控制单片机及外围扩展器件、 读忙模块、射频天线、显示器、电源接口、串行通信接口几部分组成，接j z + 5 v 电 源可以读卡，接上：串行口可以与p c 机通信。m i f a r e 读卡器见图2 1 。 图2 1m i f a r e 读卡器实物图 该读卡器是针对p h i l i p s 公司m i f a r e 产品设计的，能够读写m i r a r e 系列的 非接触式i c 卡e 左边放在射频天线上的白色长方形的卡就是m i f a r e 非接触式智 能i c 卡。上方l e d 数码显示器的左边显示的是卡号，右边显示的是时钟。 读卡器各部件的位置布局见图2 。2 。 在图中电源捅头下面两个接线头作电源+ 5 v 和地，最下面的为地。d b 9 为9 针 串行通信接口，用阴型头，下为1 号针孔，向上用到2 ，3 ，5 ，号针孔。 图2 2 读卡器器件布局示意图 2 2 门禁系统的组成 本设计所用的智能i c 卡采用p h i l i p s 公司的非接触式智能i e 卡，在考勤、 门禁应用中，系统由非接触式i c 卡、发卡器、读卡器和p c 管理机组成，此外还 包括外部门禁设备。 i 非接触式】c 卡 只有确定了i c 卡才能设计读卡器。经过前一章的分析，非接触式i c 卡用在 门禁系统中比接触式i c 卡具有很多优点，综合考虑以后的扩展要求，应选用能一 卡多用的非接触式i c 卡，这也是i c 卡应用领域的发展趋势。我们用价格合适、 性能优异、可扩展到1 6 种不同用途的娅l $ 5 0 卡，足够满足以后使用的要求。现 在我们只用m f i 卡中1 6 个区的一个区，存放系统密码和个人身份号( p i n ) 等相 关数据。密码是一个单位或一个部门一个，个人身份号是每人一个。在考勤、门 禁系统中，首先由读卡器认证卡的密码，只有通过密码认证通过后，才进一步读 取卡号，发开门信号。密码和个人身份号是在发卡时由发卡器写入的。 2 发忙器 发卡器实际上就是将m f i 卡初始化，写入系统密码和个人身份号等数据的一 种专用写卡器。发卡器直接与p c 帆通过r s - 2 3 2 串行口相连，由系统管理员操作， 在p c 机上设置好要写入的数据，发出写卡命令后完成。发卡系统必须采用严格的 密码准入制度，再设置一个系统卡，只有手握系统卡的人才有资格发卡，经过这 些措施可以保证发卡的安全。与读卡器不同，写卡器往往处于被动地位，不主动 读写进入射频能量范围内的射频卡，必须接收p c 机的命令才操作。 图2 2 读卡器器件布局示意图 2 2 门禁系统的组成 本设计所用的智能i c 卡采用p h i l i p s 公司的非接触式智能i e 卡，在考勤、 门禁应用中，系统由非接触式i c 卡、发卡器、读卡器和p c 管理机组成，此外还 包括外部门禁设备。 i 非接触式】c 卡 只有确定了i c 卡才能设计读卡器。经过前一章的分析，非接触式i c 卡用在 门禁系统中比接触式i c 卡具有很多优点，综合考虑以后的扩展要求，应选用能一 卡多用的非接触式i c 卡，这也是i c 卡应用领域的发展趋势。我们用价格合适、 性能优异、可扩展到1 6 种不同用途的娅l $ 5 0 卡，足够满足以后使用的要求。现 在我们只用m f i 卡中1 6 个区的一个区，存放系统密码和个人身份号( p i n ) 等相 关数据。密码是一个单位或一个部门一个，个人身份号是每人一个。在考勤、门 禁系统中，首先由读卡器认证卡的密码，只有通过密码认证通过后，才进一步读 取卡号，发开门信号。密码和个人身份号是在发卡时由发卡器写入的。 2 发忙器 发卡器实际上就是将m f i 卡初始化，写入系统密码和个人身份号等数据的一 种专用写卡器。发卡器直接与p c 帆通过r s - 2 3 2 串行口相连，由系统管理员操作， 在p c 机上设置好要写入的数据，发出写卡命令后完成。发卡系统必须采用严格的 密码准入制度，再设置一个系统卡，只有手握系统卡的人才有资格发卡，经过这 些措施可以保证发卡的安全。与读卡器不同，写卡器往往处于被动地位，不主动 读写进入射频能量范围内的射频卡，必须接收p c 机的命令才操作。 3 读卡器 读卡器在门禁系统中是主要的工作机，它是智能i c 卡与p c 机和开关门设备 之间的桥梁，其数量较多，根据需要安装在方便的地方。它可以独立工作，只要 给它提供+ 5 v 电源就可以了。也可以联网工作，通过r s 一4 8 5 串行口与p c 机相连。 读# 器足主动操作的，只要有非接触式i c 矗进入读卡器天线射频能量范围，读卡 器便通过射频信号t j 智能卡通信，认证密码，读卡中的数据，并将其存入读卡器 系统的存储器中。在联网的情况下，读卡器能应p c 管理机的请求将存放在存储器 中的数据一次性地传送给p c 机。 4 p c 管理机 门禁系统有不同的构成方案，一种是读卡器不带存储器，p c 机直接与读 器 相连，读乍信息实时地传送给p c 机，这种系统读卡器设计相对比较简单，但读分 器不能脱离p c 机工作p c 机能带的读卡器有限，p c 机不能更好地处理其它管理 事务。另一种是读卡器独立工作，内部用较大的存储器存放读卡数据，采用采集 器人工采集读卡器中的数据，再传送到p c 管理机上。我们采用综合两者优点的方 案，读卡器带一定容量的存储器，存放平时的读卡数据，用r s 4 8 5 通信接口与p c 管理机联成网络系统，定时或手动请求读卡器发送存放在存储器中的读卡数据。 这样p c 机既能管理网上的读卡器又能作一般的管理机使用，读卡器和p c 机各自 相对独立。 p c 管理机与发书器连接构成发卡管理系统，与读卡器连接构成门禁管理系统， 实现对读卡器的数据进行加工处理，进行数据库管理，供管理者查询，决策。发 卡器与读卡器在硬件设计上大同小异，都是由单片机控制专用读写芯片，再加上 一些必要的外围器件组成。本文重点以读卡器的设计来介绍软硬件设计。 5 门禁设备 门禁设备由读卡器单片机的i o 口根据刷卡情况发出控制信号控制，密码认 证通过的，则开门，否则不开门。我们在读卡器上用灯和喇叭来仿真。 2 3 读卡器的硬件组成 读卡器硬件系统的组成见图2 3 。 读卡器硬件系统由a t 8 9 c 5 2 单片机作主控制器，m a x 7 2 1 9 作显示驱动器驱动8 个l e d 数码显示器， t 2 4 c 6 4 串行e 2 p r o m 作数据存储器，d s l 3 0 2 串行实时时