【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 數(shù)據(jù)讀寫(xiě)和存儲(chǔ)，它是由控制單元、高頻通訊模塊和天線組成。而 RFID卡則是一種無(wú)源的應(yīng)答器，主要是 由一塊集成電路 IC芯片及其外接天線組成 ，其中 RFID卡芯片通常集成有射頻前端、邏輯北京化工大學(xué)北方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 控制、存儲(chǔ)器等電路，有的甚至將天線一起集成在同一芯片上。 讀 寫(xiě) 器計(jì) 算 機(jī)射 頻 前 端邏 輯 控 制存 儲(chǔ) 器應(yīng) 答 器 圖 射頻識(shí)別系統(tǒng)原理圖 RFID 應(yīng)用系統(tǒng)的基本工作原理是 RFID 卡進(jìn)入讀寫(xiě)器的射頻場(chǎng)后，由其天線獲得的感應(yīng)電流經(jīng)升壓電路作為芯片的電源，同時(shí)將帶信息的感應(yīng)電流通過(guò)射頻前端電路檢得數(shù)字信號(hào)送入邏輯控制電路進(jìn)行信息處理，所需回復(fù)的信息則從存儲(chǔ)器中獲取經(jīng)由邏輯控制電路送回射頻前端電路，最后通過(guò)天線發(fā)回給讀寫(xiě)器?？梢?jiàn)， RFID 卡與讀寫(xiě)器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊過(guò)程中起關(guān)鍵的作用是天線。一方面，無(wú)源的 RFID 卡芯片要啟動(dòng)電路工作需要通過(guò)天線在讀寫(xiě)器天線產(chǎn)生的電磁場(chǎng)中獲得足夠的能量；另一方面，天線決定了 RFID 卡與讀寫(xiě)器之間的通訊信道和通訊方式。 目 前 RFID 已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，且有國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)： ISO1053 ISO1444 ISO1569ISO18000等幾種。這些標(biāo)準(zhǔn)除規(guī)定了通訊數(shù)據(jù)幀協(xié)議外， 還著重對(duì)工作距離、頻率、耦合方式等與天線物理特性相關(guān)的技術(shù)規(guī)格進(jìn)行了規(guī)范 。 RFID 應(yīng)用系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)制定 決定了 RFID 天線的選擇 ， 下面將分別介紹已廣泛應(yīng)用的各種類(lèi)型的 RFID 天線及其性能 [5]。 射頻識(shí)別系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖 ，主要是由兩部份組成：讀寫(xiě)器和射頻卡。讀寫(xiě)器同射頻卡之間 通過(guò)無(wú)線方式通訊，因此它們都有無(wú)線收發(fā)模塊及天線（或感應(yīng)線圈）。 射頻卡中有存儲(chǔ)器，內(nèi)存容量為幾個(gè)比特到幾十千比特。可以存儲(chǔ)永久性數(shù)據(jù)和非永久性數(shù)據(jù)。永久性數(shù)據(jù)可以是射頻卡序列號(hào)，它是用來(lái)作為射頻卡的唯一身份標(biāo)識(shí)不能更改 。 非永久性數(shù)據(jù)寫(xiě)在 E2PROM等可重寫(xiě)的存儲(chǔ)器內(nèi) 用以存儲(chǔ)用戶數(shù)據(jù) ，射頻 卡可以根據(jù)讀寫(xiě)器發(fā)出的指令對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的實(shí)時(shí)讀寫(xiě)操作。控制模塊完成北京化工大學(xué)北方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 接收、譯碼及執(zhí)行讀寫(xiě)器的命令，控制讀寫(xiě) 數(shù)據(jù)，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)安全等功能。射頻卡分無(wú)源卡和有源卡兩種，有源卡內(nèi)置天線和電池，而無(wú)源卡只有內(nèi)置天線沒(méi)有電池，其能量由讀寫(xiě)器提供，由于無(wú)源卡無(wú)需電池因此其尺寸較小且使用壽命長(zhǎng)，應(yīng)用越來(lái)越廣泛。讀寫(xiě)器內(nèi)的控制模塊往往具有很強(qiáng)的處理功能，除了完成控制射頻卡工作的任務(wù)，還要實(shí)現(xiàn)相互認(rèn)證、數(shù)據(jù)加解密、數(shù)據(jù)糾錯(cuò)、出錯(cuò)報(bào)警及與計(jì)算機(jī)通信等功能。計(jì)算機(jī)的功能是向讀寫(xiě)器發(fā)送指令，并與讀寫(xiě)器之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換 。 收 發(fā) 模 塊天 線天 線控 制 模 塊接 口 模 塊計(jì) 算 機(jī)存 儲(chǔ) 器控 制 模 塊收 發(fā) 模 塊數(shù) 據(jù)能 量射 頻 卡讀 寫(xiě) 器 圖 RFID 系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu) 圖 RFID系統(tǒng)的工作過(guò)程，這是一個(gè)無(wú)源系統(tǒng)，即射頻卡內(nèi)不含電池，射頻卡工作的能量是由射頻讀寫(xiě)模塊發(fā)出的射頻脈沖提供。 射頻讀寫(xiě)模塊在一個(gè)區(qū)域內(nèi)發(fā)射能量形成電磁場(chǎng)，區(qū)域大小取決于發(fā)射功率、工作頻率和天線尺寸。 射頻卡進(jìn)入這個(gè)區(qū)域時(shí)，接收到射頻讀寫(xiě)模塊的射頻脈沖，經(jīng)過(guò)橋式整流后給電容充電。電容電壓經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓后作為工作電壓。 數(shù)據(jù)解調(diào)部分從接收到的射頻脈沖中解調(diào)出命令和數(shù)據(jù)并送到邏輯控制部分。邏輯控制部分接收指令完成存儲(chǔ)、發(fā)送數(shù)據(jù)或其它操作。 如果需要發(fā)送數(shù)據(jù)，則將數(shù)據(jù)調(diào)制然后從收發(fā)模塊發(fā)送出去。 讀寫(xiě)模塊接收到返回的數(shù)據(jù)后 ，解碼并進(jìn)行錯(cuò)誤校驗(yàn)來(lái)決定數(shù)據(jù)的有效性，然后北京化工大學(xué)北方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 進(jìn)行處理，必要時(shí)可以通過(guò) RS232 或 RS422 或 RS485 或 RJ45 或無(wú)線接口將數(shù)據(jù)傳送到計(jì)算機(jī)。讀寫(xiě)器發(fā)送的射頻信號(hào)除提供能量外，通常還提供時(shí)鐘信號(hào)，使數(shù)據(jù)同步，從而簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。有源系統(tǒng)的工作原理與此大致相同，不同處只是卡的工作電源由電池提供的 [6][7]。 控制邏輯E E P R O M數(shù) 據(jù)解 調(diào)數(shù) 據(jù)解 調(diào)穩(wěn) 壓讀 寫(xiě)模 塊控 制模 塊數(shù) 據(jù) 管 理 讀 寫(xiě) 器 射 頻 卡V c c串 行 接 口 圖 射頻識(shí)別系統(tǒng)原理圖 第 節(jié) 介紹 I2C 總線規(guī)范 I2C（ Inter－ Integrated Circuit） 總線是一種由 PHILIPS 公司開(kāi)發(fā)的兩線式串行總線，用于連接微控制器及其外圍設(shè)備。 I2C 總線產(chǎn)生于八十年代，最初為音頻和視頻設(shè)備開(kāi)發(fā)，如今主要在服務(wù)器管理中使用?？呻S時(shí)監(jiān)控內(nèi)存、硬盤(pán)、網(wǎng)絡(luò)、系統(tǒng)溫度等多個(gè)參數(shù)，增加了系統(tǒng)的安全性，方便了管理。 對(duì)于面向 8位的數(shù)字控制應(yīng)用，譬如那些要求用微控制器的，要建立一些設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn) ：一 個(gè)整體的系統(tǒng)通常由至少一個(gè)微控制器和其他外圍器件例如存儲(chǔ)器和 I/O 擴(kuò)展器組成；系統(tǒng)中不同器件的連接成本必須最小；執(zhí)行控制功能的系統(tǒng)不要求高速的數(shù)據(jù)傳輸；總的效益由選擇的器件和互連總線結(jié)構(gòu)的種類(lèi)決定。 產(chǎn)生一個(gè)滿足這些標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)需要一個(gè)串行的總線結(jié)構(gòu)，盡管串行總線沒(méi)有并行總線的數(shù)據(jù)吞吐能力，但它們只要很少的配置和 IC 連接管腳。然而，總線不僅僅是北京化工大學(xué)北方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 互連的線，還包含系統(tǒng)通訊的所有格式和過(guò)程。 串行總線的器件間通訊必須有某種形式的協(xié)議避免所有混亂、數(shù)據(jù)丟失和妨礙信息的可能性?？焖倨骷仨毧梢院吐倨骷ㄓ?。系統(tǒng)必須不能基于所連接的器件，否則不可能進(jìn)行修改或改造。應(yīng)當(dāng)設(shè)計(jì)一個(gè)過(guò)程決定哪些器件何時(shí)可以控制總線。而且，如果不同時(shí)鐘速度的器件連接到總線，必須定義總線的時(shí)鐘源。所有這些標(biāo)準(zhǔn)都在 I2C總線的規(guī)范中。 I2C 總線支持任何 IC生產(chǎn)過(guò)程（ NMOS、 CMOS、 雙極性）。兩線 串行數(shù)據(jù)（ SDA）和串行時(shí)鐘（ SCL）線在連接到總線的器件間傳遞信息。每個(gè)器件都有一個(gè)唯一的地址識(shí)別（無(wú)論是微控制器、 LCD 驅(qū)動(dòng)器、存儲(chǔ)器或鍵盤(pán)接口），而且都可以作為一個(gè)發(fā)送器（由器件的功能決定）。很明顯， LCD 驅(qū)動(dòng)器只是一個(gè)接收器，而存儲(chǔ)器則既可以接收又可以發(fā)送數(shù)據(jù)。除了發(fā)送器和接收器外，器件在執(zhí)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)也可以看作是主機(jī)或從機(jī) 。主 機(jī)是初始化總線的數(shù)據(jù)并產(chǎn)生允許傳輸?shù)臅r(shí)鐘信號(hào)的器件 。 此時(shí)，任何被尋址的器件都被認(rèn)為是從機(jī)。 I2C 總線是一 個(gè)多主機(jī)的總線。這就是說(shuō)可以連接多于一個(gè)能控制總線的器件到總線。 在 I2C 總線上產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)通常是主機(jī)器件的責(zé)任：當(dāng)在總線上傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，每個(gè)主機(jī)產(chǎn)生自己的時(shí)鐘信號(hào)。主機(jī)發(fā)出的總線時(shí)鐘信號(hào)只有在以下情況才能改變：慢速的從機(jī)器件控制時(shí)鐘線并延長(zhǎng)時(shí)鐘信號(hào)，或者在發(fā)生仲裁時(shí)被另一個(gè)主機(jī)改變。 第 節(jié) 非接觸式 IC 卡的選擇與介紹 射頻卡或感應(yīng)卡就是非接觸式 IC 卡，它成功地將射頻識(shí)別技術(shù)結(jié)合起來(lái)，解決了無(wú)源和免接觸這一難題，是電子器件領(lǐng)域的一大突破。 非接觸卡內(nèi)含有唯一的獨(dú)立的卡號(hào)，使用時(shí) 在讀卡器有效讀區(qū)內(nèi)將卡片輕晃一 下，便將卡內(nèi)信息輸入讀器內(nèi)，實(shí)現(xiàn)考勤、收費(fèi)管理等功能。 卡片由一個(gè)元件、 AISC 和封套組成，沒(méi)有其他的外部器件，卡片中的天線是只有線圈，很適合封狀到 ISO 卡片中。 ASIC 由一個(gè)高速（ 106KB 波特率）的接口，一個(gè)控制單元和一個(gè) EEPROM 組成。 讀卡器向 IC發(fā)一組固定頻率的電磁波，卡內(nèi)有一個(gè) IC串聯(lián)諧振電路，其頻率與北京化工大學(xué)北方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 讀寫(xiě)器的頻率相同，這樣便產(chǎn)生電磁共振，從而使電容內(nèi)有了電荷，在電容的另一端接有一個(gè)單向通的電子泵，將電容內(nèi)的電荷送到另一個(gè)電容內(nèi)儲(chǔ)存，當(dāng)儲(chǔ)存積累的電荷達(dá)到 2V 時(shí)， 此電源可作電源為其他電路提供工作電壓，將卡內(nèi)數(shù)據(jù)發(fā)射出去或接收讀寫(xiě)器的數(shù)據(jù)。 非接觸式 IC卡又稱(chēng)射頻卡，由 IC 芯片、感應(yīng)天線組成，封裝在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的 PVC卡片內(nèi)，芯片及天線無(wú)任何外露部分。是世界上最近幾年發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)新技術(shù) , 它成功的將射頻識(shí)別技術(shù)和 IC 卡技術(shù)結(jié)合起來(lái) ， 結(jié)束了無(wú)源 （ 卡中無(wú)電源 ） 和免接 觸這一難題 ,是電子器件領(lǐng)域的一大突破 。 卡片在一定距離范圍 （ 通常為 5—10mm）靠近讀寫(xiě)器表面， 通過(guò)無(wú)線電波的傳遞來(lái)完成數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)操作。 （ 1） 非接觸性 IC 卡與讀卡器之間通過(guò)無(wú)線電波來(lái)完成讀寫(xiě)操作。 二者之間的通訊頻為 。非接觸性 IC 卡本身是無(wú)源卡，當(dāng)讀寫(xiě)器對(duì)卡進(jìn)行讀寫(xiě)操作是，讀寫(xiě)器發(fā)出的信號(hào)由兩部分疊加組成 ： 一部分是電源信號(hào)，該信號(hào)由卡接收后，與本身的 L/C 產(chǎn)生一個(gè)瞬間能量來(lái)供給芯片工作。另一部分則是指令和數(shù)據(jù)信號(hào)，指揮芯片完成數(shù)據(jù)的讀取、修改、儲(chǔ)存等，并返回信號(hào)給讀寫(xiě)器 ， 完成一次讀寫(xiě)操作。讀寫(xiě)器則一般由單片機(jī)，專(zhuān)用智能模塊和天線組成，并配有與 PC 的通訊接口，打印口， I/O 口等，以便應(yīng)用于不同的領(lǐng)域。 （ 2） 非接觸性智能卡內(nèi)部分區(qū) 非接觸性智能卡內(nèi)部分為兩部分 ： 系統(tǒng)區(qū) （ CDF）、 用戶區(qū) （ ADF） 系統(tǒng)區(qū) ： 由卡片制造商和系統(tǒng)開(kāi)發(fā)商及發(fā)卡機(jī)構(gòu)使用。 用戶區(qū) ： 用于存放持卡人的有關(guān)數(shù)據(jù)信息。 （ 3） 與接觸式 IC 卡相比較 ,非接觸式卡具有以下優(yōu)點(diǎn) : ① 可靠性高 非接觸式 IC 卡與讀寫(xiě)器之間無(wú)機(jī)械接觸，避免了由于接觸讀寫(xiě)而產(chǎn)生的各種故障 。 例如 ： 由于粗暴插卡，非卡外物插入，灰塵或油污導(dǎo)致接觸不良造成的故障 。 此外 ， 非接觸式卡表面無(wú)裸露芯片，無(wú)須擔(dān)心芯片脫落，靜電擊穿，彎曲損壞等問(wèn)題，既便于卡片印刷，又提高了卡片的使用可靠性。 ② 操作方便 由于非接觸通訊，讀寫(xiě)器在 10CM 范圍內(nèi)就可以對(duì)卡片操作，所以不必插撥卡，非常方便用戶使用。非接觸式卡使用時(shí)沒(méi)有方向性，卡片可以在任意方向掠過(guò)讀寫(xiě)器表面，既可完成操作，這大大提高了每次使用的速度。 北京化工大學(xué)北方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 ③ 防沖突 非接觸式卡中有快速防沖突機(jī)制 ，能防止卡片之間出現(xiàn)數(shù)據(jù)干擾，因此， 讀寫(xiě)器可以“同時(shí)”處理多張非接觸式 IC 卡。這提高了應(yīng)用的并行性， 無(wú)形中提高系統(tǒng)工作速度。 ④ 可以適合于多種應(yīng)用 非接觸式卡的序列號(hào)是唯一的，制造廠家在產(chǎn)品出廠前已將此序列號(hào)固化 ， 不可再更改。非接觸式卡與讀寫(xiě)器之間采用雙向驗(yàn)證機(jī)制，即讀寫(xiě)器驗(yàn)證 IC卡的合法性 ，同時(shí) IC 卡也驗(yàn)證 讀寫(xiě)器的合法性。 非接觸式卡在處理前要與讀寫(xiě)器之間進(jìn)行三次相互認(rèn)證，而且在通訊過(guò)程中所有的數(shù)據(jù)都加密。此外，卡中各個(gè)扇區(qū)都有自己的操作密碼和訪問(wèn)條件。 接觸式卡的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)使它一卡多用，能運(yùn)用于不同系統(tǒng)，用戶可根據(jù)不同的應(yīng)用設(shè)定不同的密碼和訪問(wèn)條件。 ⑤ 加密性能好 非接觸式 IC卡由 IC芯片，感應(yīng)天線組成， 并完全密封在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn) PVC 卡片中， 無(wú)外露部分。非接觸式 IC 卡的讀寫(xiě)過(guò)程，通常由非接觸型 IC卡與讀寫(xiě)器之間通過(guò)無(wú)線電波來(lái)完成讀寫(xiě)操作。 非接觸型 IC 卡本身是無(wú)源體， 當(dāng)讀寫(xiě)器對(duì)卡進(jìn)行讀寫(xiě)操作時(shí)，讀寫(xiě)器發(fā)出的信號(hào)由兩部分疊加組成 ： 一部分是電源信號(hào)，該信號(hào)由卡接收后，與其本身的 L/C 產(chǎn)生諧振，產(chǎn)生一個(gè)瞬間能量來(lái)供給芯片工作。另一部分則是結(jié)合數(shù)據(jù)信號(hào)，指揮芯片完成數(shù)據(jù)、修改、存儲(chǔ)等，并返回給讀寫(xiě)器。由非接觸式 IC 卡所形成的讀寫(xiě)系統(tǒng)，無(wú)論是硬件結(jié)構(gòu)，還是操作過(guò)程都得到了很大的簡(jiǎn)化，同時(shí)借助于先進(jìn)的管理軟件，可脫機(jī)的操作方式，都使數(shù)據(jù)讀寫(xiě)過(guò)程更為簡(jiǎn)單。 北京化工大學(xué)北方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 第３ 章 門(mén)禁系統(tǒng)的硬件選擇與設(shè)計(jì) 第 節(jié) 門(mén)禁系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 門(mén)禁控制系統(tǒng)是許多設(shè)備的組合，一般有以下部分組成 ： 入口硬件設(shè)備、控制器、許可證、上位機(jī)管理系統(tǒng)。本課題采用非接觸式 IC卡作為許可證。 門(mén)禁系統(tǒng)作為一項(xiàng)先進(jìn)的高科技技術(shù)防范手段，在早期，一些經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的國(guó)家就已經(jīng)應(yīng)用于科研、工業(yè)、博物館、酒館、商場(chǎng)、醫(yī)療監(jiān)護(hù)、銀行、監(jiān)獄等，特別是由于系統(tǒng)本身具有隱蔽性、及時(shí)性等特點(diǎn)，在許多領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。門(mén)禁系統(tǒng)既要處于技術(shù)的尖端，具有智能性、高可靠性、實(shí)時(shí)性，又要能符合實(shí)際需要。本設(shè)計(jì)為面向?qū)嶒?yàn)室管理的小型門(mén)禁系統(tǒng)。 （ 1） 系統(tǒng)的實(shí)用性 門(mén)禁系統(tǒng)的內(nèi)容應(yīng)符合實(shí)際要求 ， 不能華而不實(shí)。如果片面追求系統(tǒng)的超前性，勢(shì)必造成投資過(guò)大，離實(shí)際需求偏離太遠(yuǎn)。 （ 2） 系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性 如果門(mén)禁系統(tǒng)中任何一個(gè)關(guān)鍵系統(tǒng)出現(xiàn)錯(cuò)誤或停機(jī)將直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)作情況，因此，門(mén)禁系統(tǒng)各子系統(tǒng)應(yīng)盡可能屬于 Nonstop（不停機(jī)）系統(tǒng)，以保證工作正常運(yùn)行。 （ 3） 系統(tǒng)的完整性 一個(gè)完整的門(mén)禁系統(tǒng)是建筑整體形象的重要標(biāo)志。功能完善，設(shè)備齊全，管理方便是設(shè)計(jì)應(yīng)考慮的一個(gè)因素。 （ 4） 系統(tǒng)的安全性 門(mén)禁系統(tǒng)中的所有設(shè)備及配件在性能安全可靠運(yùn)轉(zhuǎn)的同時(shí)，還應(yīng)符合中國(guó) 或國(guó)際有關(guān)的安 全標(biāo)準(zhǔn)，并可在非理想環(huán)境下有效工作。另外，系統(tǒng)安全性還應(yīng) 體現(xiàn)在信息傳輸及使用過(guò)程中不易被劫取等方面。 （ 5） 系統(tǒng)的可擴(kuò)展性 北京化工大學(xué)北方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 門(mén)禁系統(tǒng)的技術(shù)不斷向前發(fā)展，用戶需求也在發(fā)生變化，因此門(mén)禁系統(tǒng)的設(shè) 計(jì)與實(shí)施 應(yīng)考慮到將來(lái)可擴(kuò)展的實(shí)際需要，即：可靈活增減或更