【文章內(nèi)容簡介】 發(fā)出報警信號。2．出口處工作流程 當持卡人需要離開時，如果安裝的是單向門禁系統(tǒng)，則持卡人可以直接按下安裝于門內(nèi)的開門按鈕，此時門鎖打開，人員離開，門自動上鎖。如果安裝的是雙向門禁系統(tǒng)，持卡人可在門內(nèi)讀寫器處刷卡，讀寫器判別射頻卡是否合法。若為合法卡，則讀寫器發(fā)出長鳴聲則讀寫器發(fā)出長鳴聲，門自動開鎖或按鈕有效，當開啟時間達到某個設(shè)定值時，門將自動上鎖，從而完成一次出口操作；若為非法卡，則讀寫器發(fā)出急促短鳴聲，門不開或按鈕無效，報警設(shè)備開始發(fā)出報警信號，如圖27所示。圖27 出口處工作流程 本章小結(jié) 本章首先介紹了射頻識別系統(tǒng)相關(guān)的電磁理論知識，其中包括天線場的區(qū)域劃分(無功近場區(qū)、輻射近場區(qū)、輻射遠場區(qū))和能量耦合的分類(密耦合、遙耦合、遠距離)，并簡要介紹了各自的概念，了解電磁傳播規(guī)律有助于更好地理解和應(yīng)用射頻識別系統(tǒng)。射頻識別系統(tǒng)中讀寫器和電子標簽之間的數(shù)據(jù)交換方式被劃分為負載調(diào)制反向散射調(diào)制。為保證MIFARE1卡數(shù)據(jù)通信中的安全性和可靠性，MIFARE1卡和讀卡器之間的通信使用三次認證令牌機制。 Mifare1卡的存儲區(qū)可以分為16個扇區(qū)(64個塊)，每個扇區(qū)都有相應(yīng)的密碼和存取控制位，在進行操作前要進行密碼驗證。國際標準ISO 14443以識別卡——近耦合集成電路卡說明了非接觸的近耦合IC卡的作用原理和工作參數(shù)。該非接觸IC卡的作用距離大約為5~10cm，應(yīng)用比較廣泛。 門禁控制系統(tǒng)一般由PC管理機、身份識別器、報警裝置、電子門鎖、出入口按鈕以及門禁控制器等部分構(gòu)成。本章最后從入口處工作流程與出口處工作流程兩方面闡述了門禁系統(tǒng)的運作過程。 第 3 章 系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計 系統(tǒng)總體分析 系統(tǒng)設(shè)計要求 門禁控制系統(tǒng)不僅包括卡和讀寫模塊的選擇，還涉及到讀寫模塊的控制、數(shù)據(jù)的傳輸、數(shù)據(jù)的處理與存儲；不僅需要有硬件應(yīng)用的知識、也必須具有軟件方面的能力。門禁系統(tǒng)既要處于技術(shù)的尖端，具有智能性、高可靠性、實時性，又要符合實際需要。 讀頭部分采用非接觸式IC卡讀寫模塊，由讀卡器讀入數(shù)據(jù)并加以保存，非接觸式IC卡按常規(guī)要具有加密和數(shù)據(jù)分區(qū)存儲功能，讀寫器的讀寫距離在5~10厘米左右，系統(tǒng)必須具有掉電保護、精確時間記時和顯示，要求系統(tǒng)具有一定的臨時數(shù)據(jù)存儲能力。主控模塊是門禁系統(tǒng)的核心部分，主要包括單片機、鍵盤、電子時鐘以及外部數(shù)據(jù)存儲器等。 在系統(tǒng)設(shè)計當中，要求能夠利用語音錄放系統(tǒng)完成操作的語音提示，IC卡若為非法卡，提示持卡人錄音，確保持非法卡的人員有緊急情況而與主人進行聯(lián)系，以防主人漏掉重要信息，造成不必要的損失，但是，要確保此時門鎖為禁閉狀態(tài)，只是向持卡人開放錄音系統(tǒng)而已。要求通過按鍵可以更改系統(tǒng)時間，查詢記錄訪問信息。 系統(tǒng)總體方案 基于非接觸式IC卡的門禁控制系統(tǒng)以STC89C54單片機為控制核心,單片機通過連接射頻讀寫模塊實現(xiàn)對射頻標簽數(shù)據(jù)的讀寫。由單片機發(fā)送讀卡、寫卡等命令，讀寫器通過射頻讀寫模塊與卡片通信，實現(xiàn)與卡片的交易。按鍵和報警顯示模塊在讀寫器脫機工作時作為持卡者與讀寫器的互操作平臺。讀取信息可存儲在擴展存儲器中。當需要與上位機通信時，可通過串口電路連接到上位機進行通信。按鍵配合LCD(液晶顯示屏)共同完成人機交互功能。電源模塊采用電池和USB兩種供電方式。門鎖與電機模塊，即門禁機械動作部分由相應(yīng)的指示模塊進行模擬。 本設(shè)計采用非接觸式 IC卡，主機無卡口，IC卡不需要和主機接觸，通過無線射頻方式傳輸數(shù)據(jù)。讀寫器與卡之間的接口采用的是Mifare技術(shù)的射頻接口，它與ISO/IEC 14443A標準兼容。 本課題設(shè)計的系統(tǒng)主要包括主控制器、時鐘模塊、顯示模塊、射頻讀寫模塊、電源電路、復(fù)位模塊、串行通訊模塊、按鍵模塊、語音模塊與數(shù)據(jù)存儲模塊等等。單片機控制ZLG500AT讀寫模塊，驅(qū)動ZLG500AT中自帶的PCB天線對Mifare卡進行讀寫操作。然后根據(jù)所得的數(shù)據(jù)對其他接口設(shè)備如液晶顯示屏和PC機之間進行無線收、發(fā)或RS232接口通信，把數(shù)據(jù)傳給上位機(本系統(tǒng)僅對下位機進行研究)。液晶屏采用帶中文字庫的HJ12864ZW，并且采用串口操作方式，這樣占用單片機的I/O口較少，節(jié)省資源。具體的硬件設(shè)計在以后的章節(jié)里會作較詳細的介紹，系統(tǒng)總體方案框圖如圖31所示。圖31系統(tǒng)總體方案框圖 微處理器接口設(shè)計 微處理器控制(MCU)部分是非接觸式 IC 卡讀寫器的控制核心，主要負責(zé)對射頻基站部分的初始化工作，對串行通訊部分進行初始化，控制通訊部分完成與上位機進行串行數(shù)據(jù)通訊，對單片機外圍芯片進行初始化，通過控制射頻讀寫模塊完成對非接觸式 IC 卡的各種操作。 根據(jù)系統(tǒng)的要求，考慮到系統(tǒng)工作頻率與系統(tǒng)的整體設(shè)計，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以及存儲空間大小等方面，再結(jié)合市場上的單片機的性能、價格、應(yīng)用領(lǐng)域，本課題選擇了宏晶科技生產(chǎn)的STC89C54RD+(PDIP)芯片。STC89C54是一種低功耗、高性能微控制器，具有16KFlash 存儲器，STC89C54為現(xiàn)今許多單片機控制系統(tǒng)提供了較靈活有效的解決途徑。選擇STC單片機降低了成本，提升了系統(tǒng)的性能，原有程序可以直接使用，硬件無需改動[12]。 在本次設(shè)計中，單片機STC89C54的接口電路如圖32所示，由于單片機P0口內(nèi)部沒有上拉電阻，為高阻狀態(tài)，所以不能正常地輸出高/低電平，因此該組I/O口在使用時需要外接上拉電阻，一般我們選擇接入10K的上拉電阻。P0口輸出的數(shù)據(jù)用來控制語音電路。、 、 ，使得它與單片機之間進行交互通訊。，用于存儲系統(tǒng)中的關(guān)鍵信息。、用于獲取實時時間與日期。， ~。在P3口中，完成程序的下載與上位機的通信；~，直接與獨立式鍵盤連接，利用鍵盤來改變系統(tǒng)的參數(shù)，增強系統(tǒng)的方便性。圖32 單片機接口電路圖 單片機的9引腳是單片機的復(fù)位引腳。當輸入連續(xù)兩個機械周期以上高電平時為有效，用來完成單片機的復(fù)位初始化操作，復(fù)位后程序計數(shù)器PC=0000Ｈ，即復(fù)位后將從程序存儲器的0000H單元讀取第一條指令碼，通俗地講就是單片機從頭開始執(zhí)行程序。本課題設(shè)計中采用上電與按鍵兩種復(fù)位方式。單片機的引腳XTAL它是給單片機提供工作信號脈沖的，即為單片機的工作速度。由于單片機的晶振與引腳XTALXTAL1構(gòu)成的振蕩電路中會產(chǎn)生諧波，這個諧波對電路的影響不大，但會降低時鐘振蕩器的穩(wěn)定性。為了電路穩(wěn)定性起見，在晶振的兩引腳處接入兩個30PF的電容。 電源模塊設(shè)計 本設(shè)計系統(tǒng)采用5V電源供電，由于USB總線可為連接在其上的設(shè)備提供穩(wěn)定的5V電壓/100mA電流，且可以支持熱拔，因此本系統(tǒng)采用了USB供電。與此同時，在系統(tǒng)中增加了電池供電模塊，利用7805三端穩(wěn)壓模塊實現(xiàn)單極性+5V電源的輸出，作為備用電源(在實際應(yīng)用中應(yīng)該有主電源斷電檢測與切換的功能，在本設(shè)計中沒有此方面的設(shè)計)。在7805左側(cè)的電容為輸入穩(wěn)定電容，其作用是減少紋波、消振、抑制高頻和脈沖干擾；7805右側(cè)的電容為輸出穩(wěn)定電容，其作用是改善負載的瞬態(tài)響應(yīng)。電源供電電路如圖33所示。圖33 電源電路 ZLG500AT讀寫模塊設(shè)計 ZLG500AT模塊的硬件概述 本設(shè)計系統(tǒng)采用的IC卡讀寫模塊是廣州周立功單片機發(fā)展有限公司生產(chǎn)的ZLG500AT(天線一體式)模塊，該模塊四層電路板設(shè)計，雙面表貼，EMC性能優(yōu)良；采用PHILIPS高集成ISO14443A讀卡芯片—MF RC500；三線SPI接口能與任何MCU接口連接；能用軟件控制蜂鳴信號輸出頻率及持續(xù)時間；能讀RC500 EEPROM；發(fā)光二極管指示模塊當前狀態(tài)；提供給用戶三線SPI用來完成對Mifare卡的全部操作。該模塊向用戶提供了四個端口(JJJJ4)，其中J1為天線接口，由于ZLG500AT自帶PCB天線，所以在本次設(shè)計中沒有考慮此端口，而是著重研究了J2端口，因為就是由此端口與單片機之間的串行口通信才完成射頻識別的關(guān)鍵工作。J2口的具體含義見表31內(nèi)容[13]。表31 J2端口具體含義管腳符號類型描述J21SCLK輸入SPI接口時鐘線，由外部單片機產(chǎn)生J22SDATA雙向數(shù)據(jù)線，傳輸方向為雙向J23SS雙向傳輸啟動線，接單片機外部中斷J24VCCPWR電源正端J25RST復(fù)位模塊復(fù)位端高電平有效J26GNDPWR電源負端J27CTRL輸出輸出控制信號J28BZ輸出輸出蜂鳴信號，頻率可調(diào) ZLG500AT模塊與任何MCU的接口電路比較簡單，其典型電路如圖34所示。圖34 ZLG500模塊與MCU的典型接口電路 在本論文中電路原理圖采用網(wǎng)絡(luò)標簽(NETLAB)的形式進行連線，標號一樣的端口在物理上是電氣連接在一起的，這樣就大大減少了畫圖時排線的工作量，使得原理圖整體顯得清爽。與單片機STC89C54相對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)標號參見前所講的微處理器接口部分內(nèi)容，或者是參照附錄B上的原理圖來進行理解。 在ZLG500AT模塊中J1端口是懸空的，內(nèi)部電路已經(jīng)將其與天線連接完畢，不用再人為接入天線。據(jù)公司相關(guān)技術(shù)人員介紹，此模塊不支持兩個天線同時工作。采用無源蜂鳴器，利用讀寫模塊BZ端連接一個NPN來控制。切記一點，該模塊的SS端一定要與單片機的一個外部中斷相連。 針對于本課題的設(shè)計，ZLG500AT模塊與單片機的連接及其外圍設(shè)備如圖35所示。在連接硬件電路的時候，主要有兩塊板子，這兩塊電路板一定要共地，這對于ZLG500AT讀寫模塊與單片機之間的通信很關(guān)鍵，因為SPI數(shù)據(jù)傳輸對于時序的要求比較嚴格，在讀寫模塊的J1端口中有三個端口是與地相連的，它們與天線載波信號的發(fā)射有關(guān)。圖35 本系統(tǒng)中ZLG500AT模塊接口電路 ZLG500AT的串行接口規(guī)范1．接口原理 SS 和SDATA 是雙向的，但是SCLK是單向的，也就是說時鐘信號僅僅由主控制器來產(chǎn)生，ZLG500AT必須釋放時鐘線。當主從機接口空閑時，主機SS=1，SCLK=0，SDATA=0；從機SS=1，SCLK=1，SDATA=0。 一方有數(shù)據(jù)需要發(fā)送到另外一方的時候，該方將SS線置低，當發(fā)送結(jié)束時再置高，該線不能由接收數(shù)據(jù)的一方來控制，而且雙方不得同時控制SS線。SDATA 為數(shù)據(jù)線，數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)發(fā)送端進行控制,接收端必須釋放SDATA線。2．三線傳輸時序圖 SPI線上的信號傳輸時序如圖36所示，它和傳輸?shù)姆较驘o關(guān)。圖36 三線傳輸時序圖 由圖36可以看出，時鐘和與數(shù)據(jù)線信號在SS信號為低電平的時候方可有效， SCLK為低電平期間允許SDATA數(shù)據(jù)信號變化，SCLK是高電平期間SDATA信號應(yīng)當處于穩(wěn)定狀態(tài)。在ZLG500AT模塊中，專門設(shè)置一個WDG定時器對信號接收的響應(yīng)狀態(tài)進行監(jiān)視。當接收器響應(yīng)時，單片機必須根據(jù)信號傳輸方向嚴格控制時序中的幾個關(guān)鍵時間，以確保數(shù)據(jù)傳輸無誤。3．讀寫數(shù)據(jù)[14]1) 寫數(shù)據(jù)MCU→ZLG500AT MCU在SS線上產(chǎn)生一個下降跳變沿，從而發(fā)出請求數(shù)據(jù)傳送信號，等待ZLG500AT響應(yīng)后啟動本次數(shù)據(jù)傳輸，當SCLK變?yōu)楦唠娖綍rZLG500AT讀取SDATA線上的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束后，MCU應(yīng)在SS線上產(chǎn)生一個上升沿用于停止傳輸，見表32內(nèi)容。表32寫數(shù)據(jù)MCU→ZLG500AT序號動作發(fā)出動作動作接收動作說明1MCU將SDATA置為輸入，SCLK=0，SS=↓ZLG500AT數(shù)據(jù)傳輸請求開始2ZLG500ATSDATA↑MCU數(shù)據(jù)傳輸?shù)玫巾憫?yīng)3MCU輸出串行數(shù)據(jù),將SDATA置為輸出ZLG500AT數(shù)據(jù)傳輸4MCUSCLK↑、延時、↓ZLG500ATMCU輸出時鐘脈沖置高時ZLG500AT讀取數(shù)據(jù)5MCU循環(huán)動作3與4，傳送8N位ZLG500AT數(shù)據(jù)傳輸Ｎ字節(jié)6MCUSS↑，SDATA=0,SCLK=0ZLG500AT數(shù)據(jù)傳輸完成2) 讀取數(shù)據(jù)MCU←ZLG500AT MCU產(chǎn)生SCLK信號與響應(yīng)信號，ZLG500AT產(chǎn)生SS信號和SDATA信號。ZLG500AT模塊在SS 線上產(chǎn)生一個下降的跳變沿，從而發(fā)出數(shù)據(jù)傳輸請求信號，得到MCU 響應(yīng)后數(shù)據(jù)傳輸就啟動，當SCLK信號為高時MCU將從 SDATA線上讀取數(shù)據(jù)信息。等到數(shù)據(jù)傳輸完成以后，在SS 線上，ZLG500AT產(chǎn)生一個上升沿用于中止數(shù)據(jù)傳輸，見表33內(nèi)容。表33 讀取數(shù)據(jù)MCU←ZLG500AT序號動作發(fā)出動作動作接收動作說明1ZLG500ATSDATA=1，SS=↓MCU傳輸?shù)恼埱箝_始2MCU將SDATA置為輸入ZLG500AT傳輸?shù)牡玫巾憫?yīng)3ZLG500ATSDATA=串行數(shù)據(jù)MCU開始傳輸4MCUSCLK↑、延時、↓ZLG500ATMCU輸出時鐘脈沖、置高時ZLG500AT讀取數(shù)據(jù)5雙方循環(huán)動作3與4，傳送8N位雙方傳輸N字節(jié)6ZLG500ATSS↑，SDATA=0MCU傳輸完成 鍵盤接口設(shè)計 本設(shè)計利用鍵盤的目的是為了便于輸入指