门禁系统非接触式 IC 卡读卡器的设计

1、第30卷第3期2003年北京化工大学学报JOURNAL OF BEI J IN G UN IV ERSIT Y OF CHEMICAL TECHNOLO GYVol.30,No.32003门禁系统非接触式IC 卡读卡器的设计吴刚刘丽丽莫德举(北京化工大学信息科学与技术学院,北京100029摘要:非接触式IC 卡读卡器是非接触式IC 卡技术应用的关键之一。文中给出了门禁系统非接触式IC 卡读卡器的设计方法,具体阐述了门禁系统非接触式IC 卡读卡器的硬件电路设计和软件开发:给出了硬件电路原理图并对其作了详细的阐述,结合实例给出了非接触式IC 卡读卡器设计的软件开发方法;简要介绍了门禁系统。关键词:

2、非接触;IC 卡;读卡器;微控制器;天线中图分类号:TP368.2收稿日期:2002207216非接触式IC 卡技术是最近几年发展起来的一项新技术,具有操作快捷方便、安全性好、抗干扰能力强和一卡多用等优点,可广泛应用于各种身份识别、收费系统中。应实际工程项目的需要,笔者独立设计完成了应用于门禁系统的非接触式IC 卡读卡器。该读卡器具有小巧、利于二次开发等特点。1门禁系统1门禁系统主要由IC 卡接口设备、上位管理计算机和执行机构三部分组成,具体涉及到非接触式IC 卡读卡器、非接触卡、电磁锁、门磁开关、闭门器、控制器、手动按钮、计算机及系统软件等。而这些设备中非接触式IC 卡读卡器是关键设备之一。

3、2硬件电路设计2.1MIFARE1卡片2M IFARE1卡的核心是Philips 公司的M I 2FARE1IC S50(201,202,203,204系列微模块。卡片上内建8K (bit EEPROM 存储容量并划分为16个扇区,每个扇区划分为4个数据存储块,每个扇区可由多种方式的密码管理。卡片上还内建有增值/减值的专项的数学运算电路,非常适合于各种收费场合。212硬件电路设计非接触式IC 读卡器以射频识别技术为核心,读卡器内主要使用一片M IFARE 卡专用的读写处理芯片SB201。SB201是Univision EngineeringLimited (联视工程有限公司专门为M IFARE

4、 系列非接触式IC 卡研制的读写模块,是整个读卡器的核心部分,它完成读写非接触式IC 卡的所有必须功能,包括RF 信号的产生、调制、解调、安全认证和防重叠等。SB201的典型读写距离为25mm 。非接触式IC 卡读卡器的硬件电路包括以下几个部分:单片机系统、键盘电路、EEPROM 存储器、显示电路、非接触式IC 卡读写模块、通信电路、读卡器天线电路和各种指示信号电路。在各种不同的应用系统中可以根据实际需要增删相应的电路。在本门禁系统非接触式IC 卡读卡器中包括主电路板和天线电路板。主电路板包括以下几个部分:单片机系统、非接触式IC 卡读写模块、RS232通信电路、各种指示信号和报警信号电路。天

5、线电路板包括用于信号传递的圆形天线线圈以及用于信号调理的电容。在主电路板中,MCU 采用Atmel 公司的A T89C52芯片3,其P0端口与读写模块的D0D7端口相连,用作MCU 和读写模块之间的数据线;P20用于读写模块SB201的片选线,和SB201的NCS 脚相连;P21用于SB201的软复位信号线,与SB201的NRST 脚相连;IN T0与SB201的N IRQ脚相连,引入SB201的中断请求;NRD 和NWR 分别与SB201的读写控制线NRD 和NWR 相连,用于对SB201的读写控制;AL E 和SB201的AL E 相连,使用SB201内部的锁存器锁存地址;P22、P23分

6、别用于指示灯和蜂鸣器的控制,其中P22用于控制指示灯,P23用于控制蜂鸣器;P1端口用于将来扩展;晶体震荡器(Y 的频率为1110592MHz ,便于通信速度的计算;读写模块采用SB201,其BP 脚必须接5V 后备锂电池,防止读写器掉电时SB201内的信息丢失,AN T 、NAN T 、RX 接天线板;直接用变压器将市电转化为5V 电源供电,用一片78L05芯片组成稳压电路,保证持续稳定的电压供应;此外电路中还有两个L ED 指示信号灯(D1、D2和一个报警蜂鸣器(SPEA KER ,由MCU 通过控制三极管(Q1、Q2的开关来进行控制,其中D2(绿灯是电源指示信号,当读卡器在对卡片操作过程

7、中出现错误时D1(红灯将亮,如果读卡器对卡片进行认证操作没有通过,蜂鸣器将发出报警信号;通信电路采用MAX232A 芯片,以实现读卡器和上位机的通信。简化的主电路板电路图如图1所示 。图1读卡器电路图Fig.1Schematic circuit diagram of a contactless IC card reader3软件开发软件开发主要分为两部分,即对SB201的应用程序的开发和对读卡器其他辅助电路的应用程序开发。311工作流程读卡器对IC 卡的操作流程如图2所示。31111复位应答复位应答操作将通知SB201在天线的有效工作范围(距离内寻找M IFARE 卡片。如果有M IFARE

8、卡片存在,这一操作将分别与M I 2FARE 卡片进行通信,读取M IFARE 卡片上的卡片97第3期吴刚等:门禁系统非接触式IC 卡读卡器的设计类型号TA GT YPE(两个字节,由SB201传递给MCU,进行识别处理。程序员可以根据TA GT YPE 来区别卡片的不同类型。31112防重叠操作如果有多余一张的M IFARE 卡片在读卡器天线的有效工作范围(距离内,必须执行防重叠操作,返回一张卡片的序列号,使读卡器能够根据返回的序列号在这一叠M IFARE卡片中选择一张卡片。31113选择卡片操作在成功执行防重叠操作之后,或在任何时候当程序员想实际地与已知序列号的卡片进行通信时,必须执行选择

9、卡片操作,以建立与所选卡片的通信,同时返回该卡片的size字节。31114认证操作为了保证对卡片操作的合法性,在对卡片进行操作之前必须在卡片和读卡器之间进行认证操作。在经过上述几个步骤之后就可以具体地对卡片进行相应的读、写、增值、减值、重储和传送等操作。下面以读出卡中的数据为例介绍程序的具体设计方法。312读数据程序采用基于Keil C的C语言编制,在模块化程序设计将上述每一个步骤分成一个模块,分别设计相应的子程序,具体读数据程序及子函数说明如下:poweroninitial(void开机后初始化操作;set control bit(unsigned char b读卡器读写模块控制位设置;re

10、quest(unsigned char mode,unsigned int3tt复位应答操作,返回卡片的TA GT YPE;anticoll(unsigned char bcnt,unsigned char3snr抗重叠操作,返回卡的序列号;select(unsigned long snr,unsigned char3size由给定的序列号选择卡片,返回卡片的size字节; authentication(unsigned char mode,unsigned char key nr,unsigned char adr认证操作;read(unsigned char adr,unsigned ch

11、ar3data读数据;halt(void将卡片设置为halt模式;exit(void退出;led on(sbit p n控制读卡器指示灯亮;beep(sbit p n,unsigned char count,unsigned char soundlong,unsigned char toen根据参数驱动蜂鸣器发出不同音长和音调的报警信号。下面的程序选择一张卡,读出卡中第0块0区的内容,然后将卡片设置为halt模式。/Read Operationvoid main(voidunsigned char idata status;unsigned int idata tagtype=0;unsign

12、ed long idata snr=0;unsigned char idata data16;unsigned char idata size=0;poweroninitial(;while(1while(1/request operationset control bit(0x0c;status=request(ALL,&tagtype;/ALL:复位应答模式选择,返回的卡片类型号存于变量tagtype;if(status!=O Kled on(P22;break;/Anticollision operation.set control bit(0x0c;status=anticol

13、l(0,&snr;/操作返回的卡片序列号存于变量snr;if(status!=O Kled on(P22;break;/Select operation.status=select(snr,&size;/根据序列号snr选择卡片,返回卡片的size字节;if(status!=O K8北京化工大学学报2003年 led on (P22;break ;/Authentication operationstatus =authentication (KEYSET0|KEYA ,0,0;/选取响应的密码组和密码认证0块0区;if (status !=O K led on (P22;be

14、ep (P23,1000,5000,500;break ;/Read operation.status =read (0,data ;/读取0块0区的内容存于data ;if (status !=O K led on (P22;break ;halt (;break ;break ;/End of Read Operation4结论在本门禁系统非接触式IC 卡读写器设计中,在读卡器执行完成上述几步后,如果认证通过将读出卡中的持卡人信息,如证明持卡人身份的信息,进出时间等,通过RS232总线将这些信息上传上位机进行保存,然后发出信息给驱动伺服机构,驱动门的开或者关;如果认证没有通过则发出报警信号

15、,阻止非法人员的进入。本读卡器是应实际工程项目的需求而专门设计,由于笔者所在的学院以前没有人从事过与此相关项目的设计,笔者在参考了市场上现有读卡器性能参数的基础上独立设计完成了该读卡器,经多次实验证明,设计完全符合实际应用的要求,能够读取25mm 内的所有符合ISO/IEC14443T YPEA 标准的卡片,具有自动选择通信波特率、运行稳定、准确、价格低廉、使用寿命长等优点,能够应用在大多数门禁控制系统中。本读卡器同一般读卡器相比,在设计中将天线电路板和主电路板分离,有利于更合理地进行读写器内部空间布置,使读写器更小巧;本读卡器留有多个扩展口,利于将来对其进行二次开发。本读卡器现已在大庆石油管

16、理局服务公司停车场管理系统中得到实际应用,经客户半年来的使用,客户反映良好,具有很好的市场前景。在针对该读写器的改进中,作者准备根据实际需要给读写器增加LCD 显示和键盘,并将RS232通信改为RS485通信以适应长距离通信的需求。参考文献1党宏泽.IC 卡门禁考勤系统J .信息技术,2002(1:56-582K laus Finkenzeller.射频识别(RFID 技术M .陈大才,王卓人译.北京:电子工业出版社,2001.193-2043余永权,A TMEL89系列Flash 单片机原理与应用M .北京:电子工业出版社,2000.196-211Development of a conta

17、ctless IC card readerWU Gang L IU Li 2li MO De 2ju(College of Information Science and Technology ,Beijing University of Chemical Technology ,Beijing 100029,China Abstract :The contactless IC card reader is one of keys for application of contactless IC cards.In this paper ,the development of a contactless IC ca