【文章內容簡介】 數據讀寫和存儲，它是由控制單元、高頻通訊模塊和天線組成。而 RFID卡則是一種無源的應答器，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、邏輯北京化工大學北方學院畢業(yè)設計（論文） 7 控制、存儲器等電路，有的甚至將天線一起集成在同一芯片上。 讀 寫 器計 算 機射 頻 前 端邏 輯 控 制存 儲 器應 答 器 圖 射頻識別系統(tǒng)原理圖 RFID 應用系統(tǒng)的基本工作原理是 RFID 卡進入讀寫器的射頻場后，由其天線獲得的感應電流經升壓電路作為芯片的電源，同時將帶信息的感應電流通過射頻前端電路檢得數字信號送入邏輯控制電路進行信息處理，所需回復的信息則從存儲器中獲取經由邏輯控制電路送回射頻前端電路，最后通過天線發(fā)回給讀寫器?？梢?， RFID 卡與讀寫器實現數據通訊過程中起關鍵的作用是天線。一方面，無源的 RFID 卡芯片要啟動電路工作需要通過天線在讀寫器天線產生的電磁場中獲得足夠的能量；另一方面，天線決定了 RFID 卡與讀寫器之間的通訊信道和通訊方式。 目 前 RFID 已經得到了廣泛應用，且有國際標準： ISO1053 ISO1444 ISO1569ISO18000等幾種。這些標準除規(guī)定了通訊數據幀協(xié)議外， 還著重對工作距離、頻率、耦合方式等與天線物理特性相關的技術規(guī)格進行了規(guī)范 。 RFID 應用系統(tǒng)的標準制定 決定了 RFID 天線的選擇 ， 下面將分別介紹已廣泛應用的各種類型的 RFID 天線及其性能 [5]。 射頻識別系統(tǒng)的典型結構見圖 ，主要是由兩部份組成：讀寫器和射頻卡。讀寫器同射頻卡之間 通過無線方式通訊，因此它們都有無線收發(fā)模塊及天線（或感應線圈）。 射頻卡中有存儲器，內存容量為幾個比特到幾十千比特?？梢源鎯τ谰眯詳祿头怯谰眯詳祿?。永久性數據可以是射頻卡序列號，它是用來作為射頻卡的唯一身份標識不能更改 。 非永久性數據寫在 E2PROM等可重寫的存儲器內 用以存儲用戶數據 ，射頻 卡可以根據讀寫器發(fā)出的指令對這些數據進行相應的實時讀寫操作?？刂颇K完成北京化工大學北方學院畢業(yè)設計（論文） 8 接收、譯碼及執(zhí)行讀寫器的命令，控制讀寫 數據，負責數據安全等功能。射頻卡分無源卡和有源卡兩種，有源卡內置天線和電池，而無源卡只有內置天線沒有電池，其能量由讀寫器提供，由于無源卡無需電池因此其尺寸較小且使用壽命長，應用越來越廣泛。讀寫器內的控制模塊往往具有很強的處理功能，除了完成控制射頻卡工作的任務，還要實現相互認證、數據加解密、數據糾錯、出錯報警及與計算機通信等功能。計算機的功能是向讀寫器發(fā)送指令，并與讀寫器之間進行數據交換 。 收 發(fā) 模 塊天 線天 線控 制 模 塊接 口 模 塊計 算 機存 儲 器控 制 模 塊收 發(fā) 模 塊數 據能 量射 頻 卡讀 寫 器 圖 RFID 系統(tǒng)典型結構 圖 RFID系統(tǒng)的工作過程，這是一個無源系統(tǒng)，即射頻卡內不含電池，射頻卡工作的能量是由射頻讀寫模塊發(fā)出的射頻脈沖提供。 射頻讀寫模塊在一個區(qū)域內發(fā)射能量形成電磁場，區(qū)域大小取決于發(fā)射功率、工作頻率和天線尺寸。 射頻卡進入這個區(qū)域時，接收到射頻讀寫模塊的射頻脈沖，經過橋式整流后給電容充電。電容電壓經過穩(wěn)壓后作為工作電壓。 數據解調部分從接收到的射頻脈沖中解調出命令和數據并送到邏輯控制部分。邏輯控制部分接收指令完成存儲、發(fā)送數據或其它操作。 如果需要發(fā)送數據，則將數據調制然后從收發(fā)模塊發(fā)送出去。 讀寫模塊接收到返回的數據后 ，解碼并進行錯誤校驗來決定數據的有效性，然后北京化工大學北方學院畢業(yè)設計（論文） 9 進行處理，必要時可以通過 RS232 或 RS422 或 RS485 或 RJ45 或無線接口將數據傳送到計算機。讀寫器發(fā)送的射頻信號除提供能量外，通常還提供時鐘信號，使數據同步，從而簡化了系統(tǒng)的設計。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 據解 調數 據解 調穩(wěn) 壓讀 寫模 塊控 制模 塊數 據 管 理 讀 寫 器 射 頻 卡V c c串 行 接 口 圖 射頻識別系統(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 公司開發(fā)的兩線式串行總線，用于連接微控制器及其外圍設備。 I2C 總線產生于八十年代，最初為音頻和視頻設備開發(fā)，如今主要在服務器管理中使用?？呻S時監(jiān)控內存、硬盤、網絡、系統(tǒng)溫度等多個參數，增加了系統(tǒng)的安全性，方便了管理。 對于面向 8位的數字控制應用，譬如那些要求用微控制器的，要建立一些設計標準 ：一 個整體的系統(tǒng)通常由至少一個微控制器和其他外圍器件例如存儲器和 I/O 擴展器組成；系統(tǒng)中不同器件的連接成本必須最??；執(zhí)行控制功能的系統(tǒng)不要求高速的數據傳輸；總的效益由選擇的器件和互連總線結構的種類決定。 產生一個滿足這些標準的系統(tǒng)需要一個串行的總線結構，盡管串行總線沒有并行總線的數據吞吐能力，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北方學院畢業(yè)設計（論文） 10 互連的線，還包含系統(tǒng)通訊的所有格式和過程。 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、數據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，否則不可能進行修改或改造。應當設計一個過程決定哪些器件何時可以控制總線。而且，如果不同時鐘速度的器件連接到總線，必須定義總線的時鐘源。所有這些標準都在 I2C總線的規(guī)范中。 I2C 總線支持任何 IC生產過程（ NMOS、 CMOS、 雙極性）。兩線 串行數據（ SDA）和串行時鐘（ SCL）線在連接到總線的器件間傳遞信息。每個器件都有一個唯一的地址識別（無論是微控制器、 LCD 驅動器、存儲器或鍵盤接口），而且都可以作為一個發(fā)送器（由器件的功能決定）。很明顯， LCD 驅動器只是一個接收器，而存儲器則既可以接收又可以發(fā)送數據。除了發(fā)送器和接收器外，器件在執(zhí)行數據傳輸時也可以看作是主機或從機 。主 機是初始化總線的數據并產生允許傳輸的時鐘信號的器件 。 此時，任何被尋址的器件都被認為是從機。 I2C 總線是一 個多主機的總線。這就是說可以連接多于一個能控制總線的器件到總線。 在 I2C 總線上產生時鐘信號通常是主機器件的責任：當在總線上傳輸數據時，每個主機產生自己的時鐘信號。主機發(fā)出的總線時鐘信號只有在以下情況才能改變：慢速的從機器件控制時鐘線并延長時鐘信號，或者在發(fā)生仲裁時被另一個主機改變。 第 節(jié) 非接觸式 IC 卡的選擇與介紹 射頻卡或感應卡就是非接觸式 IC 卡，它成功地將射頻識別技術結合起來，解決了無源和免接觸這一難題，是電子器件領域的一大突破。 非接觸卡內含有唯一的獨立的卡號，使用時 在讀卡器有效讀區(qū)內將卡片輕晃一 下，便將卡內信息輸入讀器內，實現考勤、收費管理等功能。 卡片由一個元件、 AISC 和封套組成，沒有其他的外部器件，卡片中的天線是只有線圈，很適合封狀到 ISO 卡片中。 ASIC 由一個高速（ 106KB 波特率）的接口，一個控制單元和一個 EEPROM 組成。 讀卡器向 IC發(fā)一組固定頻率的電磁波，卡內有一個 IC串聯諧振電路，其頻率與北京化工大學北方學院畢業(yè)設計（論文） 11 讀寫器的頻率相同，這樣便產生電磁共振，從而使電容內有了電荷，在電容的另一端接有一個單向通的電子泵，將電容內的電荷送到另一個電容內儲存，當儲存積累的電荷達到 2V 時， 此電源可作電源為其他電路提供工作電壓，將卡內數據發(fā)射出去或接收讀寫器的數據。 非接觸式 IC卡又稱射頻卡，由 IC 芯片、感應天線組成，封裝在一個標準的 PVC卡片內，芯片及天線無任何外露部分。是世界上最近幾年發(fā)展起來的一項新技術 , 它成功的將射頻識別技術和 IC 卡技術結合起來 ， 結束了無源 （ 卡中無電源 ） 和免接 觸這一難題 ,是電子器件領域的一大突破 。 卡片在一定距離范圍 （ 通常為 5—10mm）靠近讀寫器表面， 通過無線電波的傳遞來完成數據的讀寫操作。 （ 1） 非接觸性 IC 卡與讀卡器之間通過無線電波來完成讀寫操作。 二者之間的通訊頻為 。非接觸性 IC 卡本身是無源卡，當讀寫器對卡進行讀寫操作是，讀寫器發(fā)出的信號由兩部分疊加組成 ： 一部分是電源信號，該信號由卡接收后，與本身的 L/C 產生一個瞬間能量來供給芯片工作。另一部分則是指令和數據信號，指揮芯片完成數據的讀取、修改、儲存等，并返回信號給讀寫器 ， 完成一次讀寫操作。讀寫器則一般由單片機，專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，以便應用于不同的領域。 （ 2） 非接觸性智能卡內部分區(qū) 非接觸性智能卡內部分為兩部分 ： 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)開發(fā)商及發(fā)卡機構使用。 用戶區(qū) ： 用于存放持卡人的有關數據信息。 （ 3） 與接觸式 IC 卡相比較 ,非接觸式卡具有以下優(yōu)點 : ① 可靠性高 非接觸式 IC 卡與讀寫器之間無機械接觸，避免了由于接觸讀寫而產生的各種故障 。 例如 ： 由于粗暴插卡，非卡外物插入，灰塵或油污導致接觸不良造成的故障 。 此外 ， 非接觸式卡表面無裸露芯片，無須擔心芯片脫落，靜電擊穿，彎曲損壞等問題，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，讀寫器在 10CM 范圍內就可以對卡片操作，所以不必插撥卡，非常方便用戶使用。非接觸式卡使用時沒有方向性，卡片可以在任意方向掠過讀寫器表面，既可完成操作，這大大提高了每次使用的速度。 北京化工大學北方學院畢業(yè)設計（論文） 12 ③ 防沖突 非接觸式卡中有快速防沖突機制 ，能防止卡片之間出現數據干擾，因此， 讀寫器可以“同時”處理多張非接觸式 IC 卡。這提高了應用的并行性， 無形中提高系統(tǒng)工作速度。 ④ 可以適合于多種應用 非接觸式卡的序列號是唯一的，制造廠家在產品出廠前已將此序列號固化 ， 不可再更改。非接觸式卡與讀寫器之間采用雙向驗證機制，即讀寫器驗證 IC卡的合法性 ，同時 IC 卡也驗證 讀寫器的合法性。 非接觸式卡在處理前要與讀寫器之間進行三次相互認證，而且在通訊過程中所有的數據都加密。此外，卡中各個扇區(qū)都有自己的操作密碼和訪問條件。 接觸式卡的存儲器結構特點使它一卡多用，能運用于不同系統(tǒng)，用戶可根據不同的應用設定不同的密碼和訪問條件。 ⑤ 加密性能好 非接觸式 IC卡由 IC芯片，感應天線組成， 并完全密封在一個標準 PVC 卡片中， 無外露部分。非接觸式 IC 卡的讀寫過程，通常由非接觸型 IC卡與讀寫器之間通過無線電波來完成讀寫操作。 非接觸型 IC 卡本身是無源體， 當讀寫器對卡進行讀寫操作時，讀寫器發(fā)出的信號由兩部分疊加組成 ： 一部分是電源信號，該信號由卡接收后，與其本身的 L/C 產生諧振，產生一個瞬間能量來供給芯片工作。另一部分則是結合數據信號，指揮芯片完成數據、修改、存儲等，并返回給讀寫器。由非接觸式 IC 卡所形成的讀寫系統(tǒng)，無論是硬件結構，還是操作過程都得到了很大的簡化，同時借助于先進的管理軟件，可脫機的操作方式，都使數據讀寫過程更為簡單。 北京化工大學北方學院畢業(yè)設計（論文） 13 第３ 章 門禁系統(tǒng)的硬件選擇與設計 第 節(jié) 門禁系統(tǒng)方案設計 門禁控制系統(tǒng)是許多設備的組合，一般有以下部分組成 ： 入口硬件設備、控制器、許可證、上位機管理系統(tǒng)。本課題采用非接觸式 IC卡作為許可證。 門禁系統(tǒng)作為一項先進的高科技技術防范手段，在早期，一些經濟發(fā)達的國家就已經應用于科研、工業(yè)、博物館、酒館、商場、醫(yī)療監(jiān)護、銀行、監(jiān)獄等，特別是由于系統(tǒng)本身具有隱蔽性、及時性等特點，在許多領域的應用越來越廣泛。門禁系統(tǒng)既要處于技術的尖端，具有智能性、高可靠性、實時性，又要能符合實際需要。本設計為面向實驗室管理的小型門禁系統(tǒng)。 （ 1） 系統(tǒng)的實用性 門禁系統(tǒng)的內容應符合實際要求 ， 不能華而不實。如果片面追求系統(tǒng)的超前性，勢必造成投資過大，離實際需求偏離太遠。 （ 2） 系統(tǒng)的實時性 如果門禁系統(tǒng)中任何一個關鍵系統(tǒng)出現錯誤或停機將直接影響到整個系統(tǒng)的運作情況，因此，門禁系統(tǒng)各子系統(tǒng)應盡可能屬于 Nonstop（不停機）系統(tǒng)，以保證工作正常運行。 （ 3） 系統(tǒng)的完整性 一個完整的門禁系統(tǒng)是建筑整體形象的重要標志。功能完善，設備齊全，管理方便是設計應考慮的一個因素。 （ 4） 系統(tǒng)的安全性 門禁系統(tǒng)中的所有設備及配件在性能安全可靠運轉的同時，還應符合中國 或國際有關的安 全標準，并可在非理想環(huán)境下有效工作。另外，系統(tǒng)安全性還應 體現在信息傳輸及使用過程中不易被劫取等方面。 （ 5） 系統(tǒng)的可擴展性 北京化工大學北方學院畢業(yè)設計（論文） 14 門禁系統(tǒng)的技術不斷向前發(fā)展，用戶需求也在發(fā)生變化，因此門禁系統(tǒng)的設 計與實施 應考慮到將來可擴展的實際需要，即：可靈活增減或更