【正文】 ................................................ 47 外文資料翻譯 ........................................................... 48 致謝 ................................................................... 62 附錄 ................................................................... 63 蘭州理工大學畢業(yè)設計 說明書 1 第一章 緒論 課題提出的背景 隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，城市面貌發(fā)生了巨大的變化，高樓大廈拔地而起，隨之也產(chǎn)生了不少安全隱患，利用高科技手段犯罪的行為日益增多。門禁系統(tǒng)是對出入口通道進行管理的系統(tǒng)，它是在傳統(tǒng)的門鎖基礎上發(fā)展而來的。這兩種鎖的出現(xiàn)從一定程度上提高了人們對出入口通道的管理程度，使通道管理進入了電子時代，但隨著這兩種電子鎖的不斷應用，它們本身的缺陷就逐漸暴露。近幾年，非接觸式 IC 卡在門禁市場上意氣風 發(fā)，由于它可以防水、防污、防塵和潮濕等惡劣環(huán)境，而其免刷卡動作，感應速度快，除了方便外，更可避免卡與讀寫器之間的摩擦，降低機器故障率及器材損耗，且感應式讀卡系統(tǒng)具備隔墻感應的特性，可兼顧隱密性與裝磺設計之美觀。它是將一個集成電路芯片鑲嵌于塑料基 片中，封裝成卡的形式，其外形與覆蓋磁條的磁卡相似，在其左上方嵌有一片或若干片集成電路芯片 (接觸式 IC 卡 )。 IC 卡芯片具有寫入數(shù)據(jù)和存儲數(shù)據(jù)的能力， IC 卡存儲器中的內(nèi)容根據(jù)需要可以有條件地供外部讀取，或供內(nèi)部信息處理和判定之用。在金融領域中 IC 卡可作為信用卡、現(xiàn)金卡、證券卡或電子資金轉帳卡等 。根據(jù)卡與外界數(shù)據(jù)交換的界面不同，可將 IC卡劃分為 :接觸式 IC 卡、非接觸式 IC 卡和雙界面卡 。隨著其產(chǎn)業(yè)化的形成，各大專業(yè)公司由于其財力的雄厚、技術的先進、市場的先導以及專業(yè)人員的積累，壟斷勢頭不斷呈現(xiàn)出來。非接觸式 IC 卡和讀卡器的關鍵技術掌握在歐美國家和部分亞洲國家中，但真正形成大批量生產(chǎn)的廠家只有美國 。歐洲一些 IC卡及讀卡器制造商大都以 Miarfe 技術為標準發(fā)展自己的 IC 卡事業(yè)。 ATMEL公司生產(chǎn)的 Temic 非接觸式 CI 卡 E5550 芯片是一種 DI(身份 )識別芯片，容量為264 位 EEPROM，采用 125KHz 射頻頻率，是一種低頻卡，操作距離 5 一 10cm。美國德州儀器公司 (TI 公司 )的 ID 卡是一種低頻只讀卡，內(nèi)部有 8 字節(jié) (64 位 )ID 號碼，己應用在門禁考勤系統(tǒng)中。它的實施，推動了 金融電子化、商業(yè)和流通領域電子化的步伐 ，使我國銀行業(yè)務得到迅速發(fā)展，并逐漸在電信、公安、石油、海關、工商管理、稅收征管、衛(wèi)生醫(yī)療、交通管理、社會保障等各行各業(yè)得到廣泛應用，并帶動了讀寫機器和各類應用產(chǎn)品及系統(tǒng)的開發(fā)、生產(chǎn)和推廣應用，初步形成了從芯片設計、 COS 開發(fā)、模塊生產(chǎn)、制卡、讀寫機具及應用產(chǎn)品開發(fā)、生產(chǎn)的完整體系。 蘭州理工大學畢業(yè)設計 說明書 4 第二章 方案選擇 非接觸式 IC 卡門禁系統(tǒng)組成 非接觸式 IC 卡門禁系統(tǒng)由非接觸式 IC 卡、讀卡器 ，液晶顯示器 ， 時鐘電路和 PC 管理機組成，此外還包括外部門禁設備。 (4)PC 管理機 :門禁系統(tǒng)有不同的構成方案，一種是讀卡器不帶存儲器， PC 機直接與讀卡器相連，讀卡信息實時地傳送給 PC 機。在讀卡器上用喇叭來仿真。非接觸式 CI 卡讀卡器技術指標如下 : (1)讀寫卡片類型 ： Miarfe； (2)天線可操作距離 ： 天線的可操作距離為 5 一 10cm； (3)卡片存儲容量 ： 卡存儲 EEPROM 大小為 IK 字節(jié) ； (4)射頻輸出 ： 通過功率匹配將天線線圈直接連接到功率輸出級 ； (5)供電電壓 ： 5V 士 10%(小于 100mA)； (6)接口 ： 標準 RS232(讀卡器 )。按照應用領域來分， IC 卡分為金融卡和非金融卡，金融卡又有信用卡和現(xiàn)金卡等。大大提高了使用速度。而且由于無線電波不會受塵土、潮氣和震動的干擾，使得非接觸式 IC 卡可應用在惡劣的環(huán)境。非接觸式 IC 卡的功能組成如圖 所示 : 蘭州理工大學畢業(yè)設計 說明書 6 圖 非接觸式 IC 卡的功能組成 整個卡片包含了兩個部分，射頻接口電路和數(shù)字電路部分 : 射頻接口電路 ,在射頻接口電路中，波形轉換模塊接收讀卡器上的 的無線電調(diào)制頻率，一方面送調(diào)制解調(diào)模塊，另一方面進行波形轉換，將正弦波轉換為方波，然后對其整流濾波，由電壓調(diào)節(jié)模塊 對電壓進行進一步的處理，包括穩(wěn)壓等，最終輸出供給卡片上的各電路?？ㄆ羞@一單元容量為 IK 字節(jié)，分為 16 個扇區(qū)。在程序員控制下的讀卡器將會首先與每一張卡片進行通信，取得每一張卡片的系列號。 選擇模塊 :主要用于卡片的選擇當卡片與讀卡器完成了上述的二個步驟，想要對卡片進一步操作時，必須先對卡片進行“選擇”操作，以使卡片真正地被選中?？ㄆ嫌?16 個扇區(qū)，每個扇區(qū)都可分別設置各自的密碼，互不干涉。 圖 三遍認證的令牌原理框圖 圖中的 A 環(huán)表示由卡片向讀卡器發(fā)送一個隨機數(shù) 據(jù) RB。E 環(huán)表示讀卡器收到令牌 TOKENBA 后，讀卡器將對令牌 TOKENBA 中的 RB(隨機數(shù) )進行解密，并校驗第一次由 B 環(huán)中讀卡器發(fā)出去的隨機數(shù) RA 是否與 D 環(huán)中接收到的 TOKENBA 中的 RA 相一致。認證過程中的任何一環(huán)出現(xiàn)差錯，整個認證將告失敗，必須從新開始。同時它還對各種收 /發(fā)的數(shù)據(jù)進行算術運算處理，遞增、遞減處理， CRC 運算處理等等，是卡片中內(nèi)建的MCU 單元。同時， ROM 中還固化了卡片運行所需要的必要的程序指令，由控制及算術運算單元取出去對每個單元進行微指令控制，使卡片能有條不紊地與卡片的讀卡器進行數(shù)據(jù)通信。每個扇區(qū)的塊 3 為控制塊，包括了密碼A、存取控制、密碼 B。本課題開發(fā)的非接觸式 IC 卡讀卡器是基于 IOS/ICE14443TypeA 標準的。 射 頻 識 別 技 術 是 自 動 識 別 技 術 中 的 一 種 。其中光學技術中普遍應用的產(chǎn)品有條形碼和攝像兩大類。射頻識別系統(tǒng)的組成一般至少包括兩個部分，一部分是電子標簽 (Tag)，另一部分是閱讀器 (Raeder)。 (2)根據(jù)射頻卡工作方式的不同可分成三種 :可讀寫卡 (RW)、一次寫入多次讀出 (WORM)和只讀卡 (RO)系統(tǒng) 。 蘭州理工大學畢業(yè)設計 說明書 11 第三章 系統(tǒng)硬件設計 讀卡器總體結構設計 非接觸式 IC 卡讀卡器硬件電路包括以 下幾個部分：微控制器、 Mifare 讀寫芯片、 液晶顯示模塊，鍵盤模塊，時鐘電路， 天線匹配電路、天線、 RS232通信電路和蜂鳴器驅動電路等。就本系統(tǒng)而言，還要考慮到系統(tǒng)的通信速度和通信方法 (包括與 PC機通信以及與射頻模 塊通信 )，存儲器空間的大小。 AT89C51 是美國 ATMEL 公司生產(chǎn)的低電壓，高性能 CMOS8 位單片機，片內(nèi)含 4kbytes 的可反復擦寫的只讀程序存儲器（ PEROM）和 128 bytes 的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（ RAM），器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲技術生產(chǎn)，兼容標準 MCS51 指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用 8 位中央處理器（ CPU）和 Flash 存儲單元，功能強大 AT89C51 單片機可為您提供許多高性價比的應用場合，可靈活應用于各種控制領域。 1000 次擦寫周期 6 個中斷源 在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器或程序存儲器時，這組口線分時轉換地址（低 8 位）和數(shù)據(jù)總線復用，在訪問期間激活內(nèi)部上拉電阻。作輸入口使用時，因為內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流（ IIL）。在訪問外部程序存儲器或 16 位地址的外 部數(shù)據(jù)存儲器（例如執(zhí)行 MOVXDPTR 指令）時， P2 口送出高 8 位地址數(shù)據(jù)。 P3 口輸出緩沖級可驅動（吸收或輸出電流） 4 個 TTL 邏輯門電路。 RST：復位輸入。要注意的是：每當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時將跳過一個 ALE 脈蘭州理工大學畢業(yè)設計 說明書 15 沖。此外，該引腳會被微弱拉高，單片機執(zhí)行外部程序時，應設置 ALE 無效。欲使 CPU 僅訪問外部程序存儲器（地址為 0000H— FFFFH）， EA 端必須保持低電平（接地）。 XTAL1：振蕩器反相放大器的及內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端。外接石英晶體（或陶瓷諧振器）及電容 C C2 接在放大器的反饋回路中構成并聯(lián)振蕩電路。 用戶也可以采用外部時鐘。 空閑節(jié)電模式 AT89C51 有兩種可用軟件編程的省電模式，它們是空閑模式和掉電工作模式。如需同時進入兩種工作模式，即 PD 和 IDL 同時為 1，則先激活掉電模式。 終止空閑工作模式的方法有兩種，其一是任何一條被允許中斷的事件被激活， IDL（ ）被硬件清除，即刻終止空閑工作模式。為了避免可能對端口產(chǎn)生意外寫入，激活空閑模式的那條指令后一條指令不應是一條對端口或外部存儲器的寫入指令。為使單片機能正常工作，被鎖存的 EA 電平值必須與該引腳當前的邏輯電平一致。低電壓編程模式適合于用戶在線編程系統(tǒng)，而高電壓編程模式可與通用 EPROM 編程器兼容。編程時，可采用 4－ 20MHz 的時鐘振蕩器， AT89C51 編程方 法如下： （ 1） ．在地址線上加上要編程單元的地址信號。 蘭州理工大學畢業(yè)設計 說明書 19 （ 5） ．每對 Flash 存儲陣列寫入一個字節(jié)或每寫入一個程序加密位，加上一個 ALE／ PROG 編程脈沖。寫周期完成后，有效的數(shù)據(jù)就會出現(xiàn)在所有輸出端上，此時，可進入下一個字節(jié)的寫周期，寫周期開始后，可在任意時刻進行數(shù)據(jù)查詢。 圖 主控模塊的電路圖 通信模塊設計 讀卡器用串 行接口芯片 MAX232 通過標準的 DB9 直接與 PC 機相連。所以使用此接口芯片的串蘭州理工大學畢業(yè)設計 說明書 20 行通信系統(tǒng)只需單一的 +5V 電源。 圖 MAX232的電路連接圖 時鐘電路 設計 本 系統(tǒng) 存儲的事件信息中不僅需要記錄卡號，而且需要記錄事件發(fā)生的時間，在液晶顯示器上也需要顯示時間。另一種是并行接口方式的，如 DS1288 DS1287。 實時時鐘 /日歷電路提供秒 、 分 、 時 、 日 、 日期 、 月 、 年 的信息 ， 每月的天數(shù)和閏年的天數(shù)可自動調(diào)整 ， 時鐘操作可通過 AM/PM 指示決定采用 24 或 12 小時格 式。 DS1302 工作時功耗很低 ， 保持數(shù)據(jù)和時鐘信息時功率小于 1mW。 本設計時鐘電路如圖 所示： 圖 時鐘電路 液晶顯示模塊 設計 依據(jù)智能門禁系統(tǒng)的功能要求，當有人刷卡時，需要顯示時間信息 (年、月、日及時、分、秒 )、卡號信息 (5 位卡號 )、姓名以及刷卡狀態(tài) (有效或無效 )。 本設計選取的顯示芯片為 LCD1602。天線的種類很多，不同的應用需要不同的天線。 較高的品質因數(shù)，會得到較高的讀卡器天線電壓，其中可增加應答器即 IC 卡的能量傳輸。而且由于受到卡形狀的限制，卡中不可能封裝很大的天線，使得接收的能量較小，從而決定了讀卡器天線讀寫距離很短，一般在 100mm 以內(nèi)。表 給出了卡和天線耦合系數(shù)為 時的天線大小和讀寫距離關系表 表 天線大小和讀寫距離關系表 大小 (mm) 讀寫距離 (mm) 50 50 7 65 54 10 85 54 12 85 54 8 90 90 5 (注：上述表中的讀寫距離是在非金屬環(huán)境中的測定值，實際應用中的讀寫距離是此距離的兩到三倍。 C2 電容值的大小嚴重影響讀卡器的性能 ，也就是影響讀卡器的讀寫距離。 MF RC500 是應用于 非接觸式通信中高集成讀卡 IC 系列中的一員 ， 該讀卡芯片系列利用了先進的調(diào)制和解調(diào)概念完全集成了在 下所有類型的被動非接觸式通信方式和協(xié)議 。 典型特性 包括： ? 高集成度模 擬電路用于卡應答的解調(diào)和解碼 蘭州理工大學畢業(yè)設計 說明書 25 ? 緩沖輸出驅動器使用最少數(shù)目的外部元件連接到天線 ? 近距離操作 (可達 100mm) ? 并行微處理器接口帶有內(nèi)部地址鎖存和 IRQ 線 ? 靈活的中斷處理 ? 自動檢測微處理器并行接口類型 ? 方便的 64 字節(jié)發(fā)送和接收 FIFO 緩沖區(qū) ? 帶低功耗的硬件復位 ? 軟件實現(xiàn)掉電模式 ? 可編程定時器 ? 用戶可編程的啟動配置 ? 數(shù)字模擬和發(fā)送器部分各自獨立的電源輸入腳 ? 內(nèi)部振蕩器緩沖連接 石英晶體低相位抖動 ? 時鐘頻率濾波 ? 短距離應用中發(fā)送器天線驅動器為 操作 功能原理框 圖 所支持的微處理器接口 MFRC500支持與不同的微處理器直接接口可與個人電腦的增強型并口 EPP直