本科毕业论文--非接触式IC卡门禁系统设计

吉 林 农 业 大 学 本 科 毕 业 设 计 论文题目 ： 非接触式 学生姓名： 专业年级： 电子信息科学与技术 指导教师： 职称 讲师 2009 年 6 月 2 日 吉林农业大学本科毕业设计 I 目 录 题目 . I 摘要及关键词 . I 1 前 言 . 1 题研究的背景和意义 . 1 计要求 . 1 2. 非接触式 及其特点 . 2 接触式 的分类 . 3 接触式 的国际标准 . 3 3 射频识别技术（ . 4 频识别技术 . 4 频识别系统的工作原理 . 5 4 非接触式 在门禁机的硬件设计 . 5 输模块 介 . 10 钟芯片 构及工作原理 . 11 钟芯片 脚 功能及结构 . 11 盘显示芯片 74绍 . 13 晶存储模块 片介绍 . 14 口电路 . 15 禁记录存储与传输 . 19 5 非接触式 在门禁机中的软件设计 . 20 程 序 . 20 数据 . 23 数据 . 25 6 结论 . 26 参考文献 . 26 致谢 . 27 附录一 . 28 附录二 . 29 附录三 . 30 吉林农业大学本科毕业设计 I 非接触式 门禁系统设计 学 生：隋洪涛 专 业：电子信息科学与技术 指导教师：宫鹤 摘要 ： 本文介绍了非接触式 技术的基本原理和国际标准，并对其读卡器在工程上的设计和开发作了研究。首先论文描述了 的发展和现状，然后通过对射频识别技术原理的研究，揭示了射频 的工作原理。本文对 中数据的逻辑结构和其提供的较高的安全性能进行了分析。简单介绍了射频 的数据传输问题，编码和调制方法。介绍了射频 所必须符合的国际标准 4443的要求，以及 和 两种标准的区别。紧接着介绍了 常用的卡片 C 对应读卡器的设计方法和电路（使用专用射频读卡集成芯片最后根据实际需要详细介绍了自主设计的一款 型读卡器的核心部件 射频模块的电路实现方案和具体电路及程序。 关键词： 非接触式 读卡器射频识别射频 射频模块 C of C of C of of C C to in C to C it to C is in ,of In in of a IC F is 林农业大学本科毕业设计 II C 1 1 前 言 题研究的背景和意义 非接触式 出现以来就成为这两种技术的重要发展方向。由于具有安全性、智能性、较大存储容量、更好的应用环境适应性，读写设备简单，操作速度快等优点，其技术和应用发 展十分迅速，当前在国内已大量普及。可以相信，随着大规模集成电路和制造工艺的发展及开发工具的日渐成熟，非接触式 智能卡的应用并不是简单的读写卡操作，而是一个综合性的工程项目。它不仅包括卡和读写模块的选择，还涉及到读写模块的控制、数据的传输、数据的处理和存储；既需要有硬件应用的知识、也还必须具有软件方面的能力。下面我们以一个完整的应用系统为例，详细地描述了各组成部分的设计要求、完成的功能及具体的实现方法 。 计要求 智能卡的应用并不是简单的读写卡操作，而是一个综合性的工 程项目。它不仅包括卡和读写模块的选择，还涉及到读写模块的控制、数据的传输、数据的处理和存储；既需要有硬件应用的知识、也还必须具有软件方面的能力。下面我们以一个完整的应用系统为例，详细地描述了各组成部分的设计要求、完成的功能及具体的实现方法。 智能卡门禁系统设计任务： 1 智能卡门禁系统 门禁机模块的设计 （ 1） 非接触式 读写头部分 主要内容：读头部分采用非接触智能卡读写模块，由读卡器读入数据并加以保存，智能卡按常规要具有加密和数据分区存储功能，读写头的读写距离在 5须具有掉电保护、精确时 间记时和显示， 3K 5 （ 2） 门禁机主控模块 主要内容：智能门禁机主控模块是智能门禁机系统的核心部分，主要包括 盘、显示、电子时钟、外部数据存储器及掉电保护和看门狗电路，有精确时间记时和显示。 2 智能卡门禁系统 系统管理模块的设计 （ 1） 系统管理主控模块设计 主要内容：设计门禁上层软件的主控模块，其主要实现的功能是最高权限卡对管理员和一般用户发卡，管理员对一般用户发卡。能对丢失的卡进行挂失，对吉林农业大学本科毕业设计 2 找回的卡进行解挂，同时还要具备查找功能。 （ 2） 系统管理的数据库管理软 件设计 主要内容：运用高级语言编程，制作数据库管理软件。采集下位机的数据并保存，然后管理采集到的数据，具有采集、数据更新、查询统计和报表的打印功能 3 智能卡门禁系统 数据传输模块的设计 主要内容：完成中央控制电脑与门禁读写器之间的数据传输协议的设计，能实现主、从机的双向数据传输及一对一、一对多的数据传输。 2. 非接触式 及其特点 非接触 名感应卡，诞生于 90年代初，由于存在着条码卡、磁卡和接触式 之一经问世，便立刻引起了广泛的关注，并以惊人的速度得到推广应 用。 非接触式 应天线组成，并完全密封在一个标准 外露部分。非接触式 常由非接触型 接触型 本身是无源体，当读写器对卡进行读写操作时，读写器发出的信号由两部分叠加组成：一部分是电源信号，该信号由卡接收后，与其本身的 L/生一个瞬间能量来供给芯片工作。另一部分则是结合数据信号，指挥芯片完成数据的读取、修改、存储等，并返回给读写器。由非接触式 论是硬件结构，还是操作过程都得到了 很大的简化，同时借助于先进的管理软件，可脱机的操作方式，都使数据读写过程更为简单。 非接触式 过无线方式与读写设备进行通讯，与接触式 相比具有以下特点： 1)操作快捷 卡与读卡器之间为无线通讯，使用时无需插拔卡及固定方向。操作时，卡 可以放在钱包、衣服口袋或公文包中无需拿出，大大提高了使用速度。同时， 由于卡与读卡器进行通讯时的载波频率较高，卡内芯片可以工作在较高的系统 时钟下，使二者的通信速率很高。 2)高抗干扰性 非接触式 多张卡片同时进入读卡器工作范围时 能够防止卡片之间出现数据干扰，允许多张卡片同时操作，相对接触式 增加了“并行”处理能力。 3)配合具体应用具有多种工作距离 非接触式 用于高速公路收费系统中的远 距离卡，又有作用距离为几厘米、可用于电子钱包的近距离卡，使得系统配置 灵活多样。 4)高可靠性 吉林农业大学本科毕业设计 3 非接触式 免了由于接触读写而产生的 各种故障，同时无需担心由于触点损坏或脱落而导致卡 片失效，提高了应用 的可靠性及设备和卡的寿命。而且由于无线电波不会受尘土、潮气和震动的干 扰，使得非接触式 时，由于读卡器可以置于障 碍物的后面而不影响它与卡的通讯，可以防止在接触式 器进行恶意破坏现象的出现。 5)可适合于多种应用 非接触式 用于不同的系统， 用户可以根据不同的应用设置不同的密码和访问条件。 6)高安全性 非接触式 造商在产品出厂前将 此序列号固化 于卡芯片中，不可再更改，使用时非接触式 证，而且讯过程中所有的数据都加密，卡内各个扇区都有自己的操作密码和访 问条件 8。 接触式 的分类 非接触式 按照工作频率可分为： （ 1） 低频卡 卡与读卡器间通信使用的频段为低频段，如 125 （ 2） 高频卡 卡与读卡器间通信使用的频段为高频段，如 915 。 按照工作距离可分为： （ 1） 密耦合卡（ 1内） （ 2） 近耦合卡（近距离卡， 15 （ 3） 疏 耦合卡（远距离卡， 1 （ 4） 远耦合卡（ 1m 以上） 按照卡内芯片的供电方式可分为： （ 1）有源卡 卡内带电池 （ 2）无源卡 卡内为设备工作时由读写设备通过无线方式供电。 接触式 的国际标准 非接触式 此接口设备与非接触式卡的通信方式与接触式卡不同，提供电源的方式也不同，为此 据接口设备与 耦合卡暂未出统一标准），如表 2 1 所示： 吉林农业大学本科毕业设计 4 表 接触式 国际标准 C 中 4443又分为 两个标准。本课题开发的非接触式下文中如未特别说明，非接触式 3 射频识别技术（ 全文是“ 直译成中文是“无线射频识别系统”，还有其他很多的称呼像是 无线 签 、 射频识别标签技术 、 电子标签 、 感应卡 等等，是一种透过无线电波来做到非接触的资料存取 (技术，通过无线通讯 (合资料存取技术(再连结背后的资料库系统，形成一个庞大且串连在起的系统。 频识别技术 射频识别技术是在射频技术、通信技术、计算机技术等现代信息技术发展的标准 卡类型 作用距离（约） 0536 密耦型 04443 近耦型 05693 疏耦型 0林农业大学本科毕业设计 5 基础上于 20世纪 80年代中期问世的。自出现以来，由于它极大加速了信息的收集和处理，近年来获得迅速的发展。与传统的条码或磁条识别技术相比，射频识别技术具有非接触、作用距离远、精度高、信息的收集和处理快捷灵活及较好的的应用环境适应性等一系列的优点，在工业自动化、商品控制、交通运输控管等众多领域得到广泛的发展。 一个完整的射频识别系统通常包括两个部分，一是主动询问子系统（寻呼器），二是被动应答子系统（应答器）。其中主动 询问子系统从基本功能上又可分为两个层：系统管理层和接口层。 被动应答子系统既是通常意义的用户射频识别 非接触式 频识别系统的工作原理 实用 射频卡内不含电池，射频卡的能量是由读写器发出的射频脉冲提供。系统工作过程如下： 1） 读写器在一个区域内发射能量形成电磁场，区域大小取决于发射功率、 工作频率和天线尺寸等因素。 2） 射频卡进入这个区域时，接收到读写器的射频脉冲，经过桥式整流后给电容充电。电容电压经过稳压后做为其工作电压。 3） 数据解调部分从接收到的射频脉冲中解 调出命令和数据并送到控制逻辑，控制逻辑接受指令完成存储、发送数据或其他操作。 4） 如需要发送数据，则将数据调试后从收发模块发送出去。 5） 读写器接收到返回的数据后，解码并进行错误校验来决定数据的有效性，然后进行处理，必要时还可通过 写器发送的射频信号除提供给非接触式 常还提供时钟信号，使数据保持同步。 10 4 非接触式 在门禁机的硬件设计 根据设计要求，整个智能卡门禁系统分为三大部分：其一是读写器部分，包括位电路、时钟电路、显示电路 、键盘、数据存储等主控模块及非接触 二是中央控制电脑的软件管理系统模块；其三是中央控制电脑与读写器之间的数据传输模块。其总体方案见下图。 吉林农业大学本科毕业设计 6 图 4 总体方案图 统采用 司的非接触智能 卡，以 用户卡的序列号 球唯一）为依据控制门的开启。因为它是一个高频卡（工作频率为 有较强的抗干扰能力、 读写距离远（ 510 首先 ,在发卡系统（中央控制 把用户的卡号及个人信息输入系统数据库，并将该卡号作为合法卡号下载给所有门禁机。当有一张 系统会自动向卡发出命令 ,卡接收到命令后向门禁机反馈其 门禁机判断收到的卡号是否合法，合法则驱动电磁门锁开门，并实时上传其开门记录；如果是非法卡（未经授权或已挂失的卡）则拒绝开门并上传报警信息。只有最高授权者（掌握授权密码）才可以发管理员卡，管理员必须用管理员卡方可登录发卡系统进行发卡 /下传合法卡号、挂失、解挂、下传 黑名单等操作。 由于采用了 司的非接触式 卡，所以卡的读写模块也采 F 通过 控制达到对卡的读写。系统结构简单 ,成本较低且具有信息量大和安全保密性好等特点。外围配有 以完成读卡、显示卡号和出入时间、身份识别、开锁以及保存和上传出入记录、下载黑名单、设置开门权限等功能 。 门禁机模块的主控软件主要 完成门禁机模块的初始化、卡的识别开启门锁及保存有关数据和数据的传输等五大功能。其总体工作流程如下图 吉林农业大学本科毕业设计 7 图 接触式 门禁机总体工作流程 C 完成整个门禁机模块的设计和制作前，首先必须明确非接触式 口规范和控制方式。本系统选用 卡作为门禁钥匙，相应地，选用广州周立功公司的 （ 1） 下图为 接触式 模块采用最新 集成 读写 供三线 口，并具有控制线输出口，能与任何 外，该模块四层电路板设计，双面表贴， 自带无源蜂鸣器信号输出，能用软件控制输出频率及持续时吉林农业大学本科毕业设计 8 间 。 图 块实物图 示 与天线的接口 与 接口 , 表 脚和排列功能说明表 脚 符号 描述 线发送 1 线发送 2 X 天线接收 吉林农业大学本科毕业设计 9 表 接触式 读写模块管脚说明 (一 ) C a) 管脚 符号 类型 描述 入 三线 口时钟总线由外部 生 向 数据线可双向传输 S 双向 传输启动线接 部中断 源正端 位 内部 位端高电平有效 源负端 出 控制线输出 Z 输出 蜂鸣器信号输 出 块可方便地与任何 行接口，如图 片机的典型接口。 别为片选 钟线 数据线 控制器的 读卡模块内的 过此三线相连，三根线上的实际电平是双方口线状态逻辑线与的结果。 （ 2） 如图下图所示，无论数据传输的方向如何， 上信号的波形总是如下； 图 4 图中可以看出，在 钟和数据线上的信号才有效。且在 以上传输中从数据发送器请求开始至数据接收器响应的时间是不确定的，取决接收器内的 否忙，有必要设置一个看门狗定时器对数据接收器的响应进行监视，一旦接收器响应，则 须根据数据传输的方向，严格控制以下几个时吉林农业大学本科毕业设计 10 间，以确保数据传输无误。 数据接收器响应至 生第一个 升沿的时间。 两个字节传输之间 电平 的持续时间。 传输最后一个字节的最后一位的 号的上升沿至 升沿的时间。 号的高电平持续时间。 号的低电平持续时间 。 在数据传输的方向不同时，对时间 t3 有各自不同的要求。 （ 3） 通信协议 命令执行的状态和响应数据发回 开始通信前，收发双方必须处于空闲状态。首先由 后等待 ，若在 50退出本次传输。若正确响应，则 然后 即等待 在 50退出本次传输，若正确检测到 可以接收状态和数据。 输模块 介 传输方式：差分 传输介质：双绞线 标准节点数： 32 最远通信距离： 1200m 共模电压最大、最小值： +12V； 分输入范围： +12V 接收器输入灵敏度： 200收器 输入阻抗： 12出电路的设计要充分考虑到线路上的各种干扰及线路特性阻抗的匹配。由于工程环境比较复杂，现场常有各种形式的干扰源，所以 485总线的传输端一定要加有保护措施。在电路设计中采用稳压管 2组成的吸收回路，也可以选用能够抗浪涌的 态杂波抑制器件，或者直接选用能抗雷击的 485芯片（如 考虑到线路的特殊情况（如某一台吉林农业大学本科毕业设计 11 分机的 485芯片被击穿短路），为防止总线中其它分机的通信受到影响，在 75176的485信号输出端串联了两个 20的 电阻 样本机的硬件故障就不会使整个总线的通信受到影响。在应用系统工程的现场施工中，由于通信载体是双绞线，它的特性阻抗为 120左右，所以线路设计时，在 只 120的匹配电阻（如图 1中 以减少线路上传输信号的反射。 由于 收器的检测灵敏度为 200差分输入端 +200出逻辑 1， 200出逻辑 0；而 A、 00出为不确定。如果在总线上所有发送器被 禁止时，接收器输出逻辑 0，这会误认为通信帧的起始引起工作不正常。解决这个问题的办法是人为地使 两端电位，这样 85总线不发送期间（总线悬浮时）呈现唯一的高电平， 8031单片机就不会被误中断而收到乱字符。通过在 485电路的A、 拉电阻 可很好地解决这个问题 。 钟芯片 构及工作原理 美国 司推出的一种高性能、低功耗、带 实时时钟电路，它可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿功能，工作 电压为 用三线接口与 行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或 1 8的用于临时性存放数据的 增加了主电源 /后背电源双电源引脚，同时提供了对后背电源进行涓细电流充电的能力。 钟芯片 脚功能及结构 图示出 其中 主电源关闭的情况下，也能保持时钟的连续运行。 2是振荡源，外接 振。 片选线，通过把 先， 许地址 /命令序列送入移位寄存器；其次， 供终止单字节或多字节数据的传送手段。当 高电平时，所有的数据传送被初始化，允许对 果在传送过程中 会终 止此次数据传送，I/电运行时，在 有在 能将 I/双向 )，后面有详细说明。 终是输入端。 吉林农业大学本科毕业设计 12 图 盘及显示部分 键盘和显示是一般智能化仪器仪表均须具有的功能，是人机交互最主要的方式。不同的智能仪器，随着其功能、 用环境等各种条件的不同，可采用多种键盘和显示方案。本应用系统 中，由于外围部件较多， 源占用较大，为了尽可能的减少 入输出 I/O 的占用，键盘的设计采用串入并出的方式，利用一片 74用 ，就可以实现 16个键的全部功能。具体电路如下 / O 系统监控软件的角度来看，仅仅完成键盘扫描，读取当前时刻的键盘状态是不够的，还有不少问题需要解决，否则，在操作键盘时就容易引起误操作、失控等现象。 首先是去抖 动处理。按键的触点在闭合和断开时均会产生抖动，这时触点的逻辑电平是不稳定的，如不妥善处理，将会引起按键命令的错误执行或重复执行。最常用的一种方法是软件延时的方法来避开抖动阶段，延时过程一般取 100 其次是连击的处理。当按下某个键时，键盘处理程序便查找相应的功能号 ,并转到相应的功能模块程序去执行，如果这时操作者还没有释放按键， 会反复执行该按键对应的功能，好像操作者在连续操作该键一样。本系统中需要按键去改变系统的实时日历，如果出现连击现象，操作者就很难设定时间。要解决连击的问题最关键是 一次按键只让它响应一次，该键不释放就不执行第二次。为此要吉林农业大学本科毕业设计 13 分别检测到按键按下的时刻和释放的时刻。有两种程序结构都可以解决连击的问题，一是按下键盘就执行，执行完成后等待操作者释放按键，在末放前不再执行指定的功能，从而避免了一次按键重复执行的现象。二是在按键释放后再执行指定的功能，同时可以避免连击，但与前一种相比，给人一种反应迟钝的感觉。具体采用哪种结构，可根据实际情况而定。 关于键盘控制的具体编程，可参考有关的书籍和应用说明，在此就不再说明。 显示是人与计算机系统打交道所必不可少的部分，本系统要求门禁在不打卡时具备显示当前时间 ,打卡时显示该卡卡号及打卡时间。为此，选用了具有有良好的显示界面的图形点阵液晶显示器。图形点阵液晶显示器分辨率较高，显示出的结果非常细腻，且能够显示各种复杂图形，为以后的扩展留下了余地。本系统所选择的是 结构框图，引脚说明见下表。 盘显示芯片 74绍 164 为 8 位移位寄存器 ,其主要电特性的典型值如下 ： 54/74164 185 54/740清除端（ 低电平时，输出端（ 为低电平。 串行数据输入端（ A， B）可控制数据。当 A、 B 任意一个为 低电平 ，则禁止新数据输入，在时钟端（ 冲上升沿作用下 低电平。当 A、 B 有一个为高电平，则另一个就允许输入数据，并在 升沿作用下决定 状态。 引脚功能： 时钟输入端 同步清除输入端（低电平有效） A， B ：串行数据输入端 输出端 吉林农业大学本科毕业设计 14 图 744 液晶存储模块 片介绍 晶的分辨率为 192 64 ，该液晶的显示内核是 中一片 为 64 路行驱动器，三片 成 196 点列的列驱动器组。所以内置 形液晶显示模块的电路特性实际上是合的电路特性。 有振荡器和显示时序发生器的行驱动器。它具有 64 路行驱动输出，但它的特点在于它本身带有振荡器和时序发生器，通过外接振荡电阻电容使其上电后就以其设定的占空比系数 1/N 值开始行扫描工作；它可以自行完成行、列驱动时序的生成及分配，自动进行行驱动的工作；同时向列驱动器输出同步信号及显示数据驱动所需的脉冲时序，控制列驱动器 以我们只用控制 的特点是内置 64 64 位的显示存储器，显示屏上各像素点的 显示状态与显示存储器的各位数据一一对应，显示存储器的数据直接作为图形显示驱动信号。显示数据为“ 1”，相应的像素点显示；显示数据为“ 0”相应的像素点就不显示。同时 备了一套显示存储器的管理电路和与计算机的连接口电路。 图 形点阵液晶结构框图 CD 林农业大学本科毕业设计 15 表 形点阵液晶引脚说明 CD 脚 符号 电平 说明 1 ,H L 片使能信号 10 R/W H/L H:读； L:写 11 ； L:指令 12 调 动电压 ,对比度调节 13 源电压 14 V 接地 (15 ， 00,01,10 分别对应一片 11 三片均不选中 16 ，低有效 19 背光正极 20 背光负极 口电路 本系统采用直接访问式的接口