【導(dǎo)讀】求，門禁系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。門禁系統(tǒng)集電腦技術(shù)、電子技術(shù)、機(jī)械技術(shù)、磁電技術(shù)。更自動(dòng)化的管理模式，而且也給使用者帶來了極大的方便。為此，本文研究基于。讀卡器主要由射頻天線、讀卡模塊、RS485通信接口及單片機(jī)控制系統(tǒng)組。成，能讀寫Philips公司的Mifare非接觸式智能射頻卡，讀卡距離約10cm。號(hào)信息顯示在液晶顯示器上。生產(chǎn)最被看好的生產(chǎn)基地。將射頻識(shí)別應(yīng)用到門禁系統(tǒng)，具有廣泛的應(yīng)用前景，代RS485聯(lián)網(wǎng)方式，擴(kuò)大系統(tǒng)的規(guī)模。

　　

【正文】 值，在品質(zhì)因素驗(yàn)證后可能需要更改。對(duì)天線的正確調(diào)諧和可行表現(xiàn)來說，天線的品質(zhì)因素是重要的特性。天線的品質(zhì)因素定義為： Q＝ω R Lant / Rant ，ω R＝ 2π fR 受影響，天線 Q 的值通常在 50 到 100。為了合適的數(shù)據(jù)發(fā)送， 該值不得不減小。 MIFARE 的波特率是 ，從到卡的數(shù)據(jù)發(fā)送采用米勒編碼，脈沖寬度 T＝ 3μ s。 帶寬 B 定義為 B＝ fR / Q 定義要求 時(shí)間 帶寬乘積 B T≥ 1 品質(zhì)因素 Q 可計(jì)算為 Q≤ fR T ≤ 3μ s ≤ 由于公差和元件的溫漂，設(shè)置 Q＝ 35。為減小最初的 Q，需要放置附加外部電阻 REXT，見圖 3.。 REXT 的計(jì)算公式為 REXT＝ω R Lant / Q－ Rant＝ω R Lant / 35－ Rant 圖 3 減少天線的品質(zhì)因數(shù)正如上面提到的，提高 天線的電磁兼容性中央抽頭設(shè)計(jì)直接匹配天線線圈。因此，外部電阻的值必須分成兩個(gè)相等的部分。減小天線品質(zhì)因素的完整電路見圖 3.[27][28][29]。 .3 直接匹配電路的阻抗匹配 為設(shè)計(jì)直接匹配電路，使用圖 所示的匹配電路。電容 Cs 和 Cp 的值取決于天線本身和環(huán)境影響。使用表 ，作為調(diào)諧過程的初始值。為了將天線調(diào)諧到最優(yōu)，必須遵循對(duì)直接匹配天線的調(diào)諧過程。初始值取決于天線的自感系數(shù)。 表 電感 Lant[H] 電容 Cs[pF] 電容 Cp[pF] 電容 Cp2[pF] 27 270 330 27 270 270 27 220 270 27 180||22 220 27 180 180||22 27 180 180 27 150 180 27 150 150 27 120||10 150 27 120 150 27 120 120 該表架設(shè)天線線圈帶 15pF 的偏置電容電容 Cs 和 Cp 應(yīng)當(dāng)具備一個(gè) NP0 的電介質(zhì)，容差為177。 2%。 天線自感系數(shù)的實(shí)際值取決于以下不同的參數(shù)。 ?天線構(gòu)造（ PCB 類型） ?導(dǎo)體厚度 ?保護(hù)層 ?附近環(huán)境中的金屬或鐵制 電感耦合式射頻識(shí)別系統(tǒng)的讀寫器天線用于產(chǎn)生磁通量，而磁通量用于向非接觸式 IC 卡提供電源并在讀卡器與非接觸式 IC 卡之間傳輸信息。因此，對(duì)讀卡器天線的構(gòu)造就有三個(gè)基本：首先是使天線線圈的電流最大，用于產(chǎn)生最大的磁通量；其次是功率要匹配，以最大程度的利用產(chǎn)生磁通量的可用能量；最后是要有足夠的帶寬，以無失真地傳送用數(shù)據(jù)調(diào)制的載波信號(hào)。 品質(zhì)因素 Q 和調(diào)諧頻率是電感耦合式射頻識(shí)別系統(tǒng)讀卡器天線的特征值，由于品質(zhì)因素 Q 會(huì)影響天線讀寫距離，所 以是天線設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要參數(shù)，它可以通過電感線圈的電抗與電阻的比值計(jì)算出來，是，較高的品質(zhì)因素，會(huì)得到較高的讀卡器天線電壓，其中可增加應(yīng)答器即 IC 卡的能量傳輸。與之相反，天線的傳輸帶寬與品質(zhì)因素 Q 值成反比。選擇的品質(zhì)因素過高，會(huì)導(dǎo)致帶寬縮小，從而明顯地減弱應(yīng)答器接收到的調(diào)制邊帶。此外，由于 Mifare 卡是無源非接觸式 IC 卡，其能量是通過天線感應(yīng)來的。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)。 1 天線大小和讀寫距離 由 于 MF RC500 是低功耗設(shè)計(jì)，因此卡與天線之間的耦合系數(shù)必須滿足一定的值，卡與天線之間的耦合系數(shù)不能低于 。天線一般設(shè)計(jì)為三圈，可以設(shè)計(jì)為圓形或者方形天線。天線的直徑必須介于 ～ 之間。表 給出了卡和天線的耦合系數(shù)為 時(shí)的天線大小和讀寫距離關(guān)系表。 表 天線大小與讀寫器距離關(guān)系表 大小 mm 讀寫距離 mm 50 50 7 65 54 10 85 54 12 85 85 8 90 90 5 上述表中的讀寫距離是在非金屬環(huán)境中的測(cè)試值，實(shí)際應(yīng)用中的讀寫距離是此距 離的兩到三倍。本設(shè)計(jì)的讀卡器，天線采用 65mm 54mm，為方形天線。 圖 天線耦合電路 2 天線電感的計(jì)算 天線的電感必須介于 800nH 和 之間。天線的電感通過下列公式計(jì)算： L 2Iln 1/D 其中： L:讀卡器天線電感 單位 cm 。 I:天線導(dǎo)體長度 。 D：天線導(dǎo)體寬度 必須介于 ～ 之間 。 N:天線導(dǎo)體圈數(shù) 三圈 。 3 天線耦合電路圖見圖 。 圖中電容 C2 C2 C2 C27 C2 的值是由天線的電感值決定的，并且需要 根據(jù)天線的形狀進(jìn)行調(diào)整。 C2 電容值的大小嚴(yán)重影響讀卡器的性能，也就是影響讀卡器的讀寫距離。不同類型的卡和不同的使用環(huán)境都將影響讀卡器的性能表現(xiàn)，使讀卡器具有最好的性能表現(xiàn)。 MF RC500 有一個(gè)引腳，當(dāng)讀寫器發(fā)出某一指令時(shí)，可以通過使用示波器觀察該引腳的輸出信號(hào)，不斷改變卡與讀寫器之間的距離和 C2 值，示波器將輸出不同的波形，根據(jù)不同的波形即可確定讀卡器最好性能時(shí)候的 C2 值。 在本設(shè)計(jì)的非接觸式 IC 卡讀卡器中， C2 值見表 ： 表 C2 電容值表 電容 值 pf C23 150 C24 18 C26 150 C27 22 RS485 通訊模塊 RS485 定義了一種平衡通訊接口，它允許在一條平衡線上同時(shí)接多個(gè)接收器。它的數(shù)據(jù)信號(hào)采用差分傳輸方式，也稱作平衡傳輸。它使用一對(duì)雙絞線，將其中一條線定義為 A，另一條定義為 B [13] 。 通常情況下，發(fā)送器 A,B 之間的電壓在－ 6～ 2V 表示邏輯‘ 039。；在 +2～ +6V表示邏輯‘ 139。，另外有一個(gè)信號(hào)地 C。在 RS485 中還有一個(gè)使能端 ENABLE；它用于控制發(fā)送器與傳送線 A, B 斷開與連接。當(dāng) ENABLE 為‘ 0’時(shí)，發(fā)送器處于高阻狀態(tài)并與平衡雙絞線 A, B 斷開；只有當(dāng) ENABLE 為‘ 1’時(shí)， RS485 才工作。接收器通過平衡雙絞線將 A 與 B 分別對(duì)應(yīng)連接，當(dāng)接收器 A, B 之間的電壓在+200mV+6V 之間時(shí)，輸出邏輯 `139。；在 6V ～ 200mV 時(shí)，輸出邏輯‘ 039。 RS485 可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)多通信和多對(duì)多通信，并可同時(shí)接 32 個(gè)發(fā)送器和 32 個(gè)接收器。 RS485需要兩個(gè)終接電阻接在傳送總線的兩端（在傳送距離小于 300 米時(shí)可以不接），其阻值要求等于傳送電纜的特性阻抗。本文中 PC 機(jī)與門禁系統(tǒng)之間采用 RS485接口實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)多通訊，工作于半雙工方式 [15] 。讀卡器在 門禁系統(tǒng)中一般距離PC 管理機(jī)比較遠(yuǎn)，而 RS232 只能用于短距離通信，長距離都用 RS485 串行通信芯片，數(shù)據(jù)傳輸距離一般達(dá)到 1200m。 RS485 是 RS422 的子集，以差分平衡方式傳輸信號(hào)，具有很強(qiáng)的抗共模干擾的能力。 SP485R 芯片管腳及互連電路見圖 3.。 RS485 收發(fā)器以半雙工方式、單一 +5V 電源工作，內(nèi)部一個(gè)接收器 R，一個(gè)驅(qū)動(dòng)器 D。 SP485R 接口芯片是 Sipex 公司的一種 RS485 產(chǎn)品， 8 個(gè)管腳 DIP 封裝[14][15][16] 。 （ 1） A ,B 為 RS485 總線接口。 A 為非反相接收輸入或非反 相驅(qū)動(dòng)輸出， B為反相接收輸入或反相驅(qū)動(dòng)輸出。 A 端電平高于 B 端，代表數(shù)據(jù) 1； A 端電平低于 B 端 ，代表數(shù)據(jù) 0。 （ 2） DI 為發(fā)送器輸入端， RO 為接收器輸出端。分別與單片機(jī)的 TXD,RXD連接，單片機(jī)輸出的信號(hào)從 TXD 發(fā)送，由 DI 輸入經(jīng)過 SP485R 驅(qū)動(dòng)器轉(zhuǎn)變成 A,B信號(hào)傳送出去； 外部輸送進(jìn)來的 A,B 信號(hào)經(jīng)過 SP485R 接收器轉(zhuǎn)變成一個(gè) RO 信號(hào) ，輸出給單片機(jī) RXD。 （ 3） RE, DE 為收發(fā)使能端。 RE 是接收器輸出使能，低電平有效； DE 是驅(qū)動(dòng)器輸出使能 ，高電平有效， SP485R 與單片機(jī)接口時(shí)， DI 接單片 機(jī)的發(fā)送端TXD,RO 接單片機(jī)的接收端 RXD,收發(fā)使能 RE 和 DE 兩個(gè)管腳接單片機(jī)的一個(gè) I/O口線 。 當(dāng) 1,DE 滿足要求， SP485R 處于發(fā)送狀態(tài)，當(dāng) 0, RE滿足要求， SP485R 處于接收狀態(tài)。單片機(jī)通過控制 實(shí)現(xiàn)與 PC 機(jī)數(shù)據(jù)交換的串行通信。 圖 3. SP485R 管腳及互連電路 RS485 總線型網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)連接。數(shù)據(jù)傳輸采用主從站的方式，主機(jī)為 PC 機(jī)，從機(jī)為讀卡器單片機(jī)。每個(gè)從機(jī)擁有自己的固定的地址，由主機(jī)控制完成網(wǎng)上的每一次通信。 R 為平衡電阻，通常取為 120 歐。 開始 所有從機(jī)處于監(jiān)聽狀態(tài)，等待 PC 機(jī)的呼叫。當(dāng) PC 機(jī)向網(wǎng)上發(fā)某一從機(jī)的地址時(shí)，所有從機(jī)接收到該地址并與自己的地址相比較，如果相符說明 PC 機(jī)在呼叫自己，應(yīng)發(fā)回應(yīng)答信號(hào)，表示該從機(jī)已準(zhǔn)備好，可以接收后面的命令和數(shù)據(jù)。不是呼叫自己，則不予理睬，繼續(xù)監(jiān)聽呼叫地址。 PC 機(jī)收到從機(jī)的應(yīng)答后，則開始一次通信。通信完畢，從機(jī)繼續(xù)處于監(jiān)聽狀態(tài)，等待呼叫。 由于 PC 機(jī)只有 RS232 通訊接口，因此必須經(jīng)過 RS232/RS485 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換信號(hào)， PC 機(jī)才能同門禁系統(tǒng)通信。 RS232/RS485 轉(zhuǎn)換器原理見圖 3.。 圖 PC機(jī)的串口通訊接口經(jīng)過 SP232芯片變成 TTL電平，然后使用 SP485R將 TTL電平變成 RS485 電平。在 SP232 和 SP485 之間采用了高速光電隔離器 PS2501 以提高抗干擾能力。 SP485R 是低功耗、半雙工 RS485 收發(fā)器，它包含 1 個(gè)發(fā)送器和 1 個(gè)接收器。 SP485R 芯片與單片機(jī)的接口原理圖見圖 3.。在電路設(shè)計(jì)時(shí)，注意 A 和 B 端要接一個(gè)終端電阻，本系統(tǒng)接的是 120 歐姆。 SP485R 芯片有 8 個(gè)引腳，其中需要一個(gè) I/O 口（本系統(tǒng)采用 ） 來控制 SP485R 的發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)該 I/O 口為 ‘ 1’時(shí)， SP485R 能發(fā)送數(shù)據(jù)，當(dāng)為‘ 0’時(shí)， SP485R 處于監(jiān)聽狀態(tài)，只能接收數(shù)據(jù)。 圖 3. SP485R 芯片與單片機(jī)的接口原理圖 RS485 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 網(wǎng)絡(luò)中一個(gè)或多個(gè)功能與傳輸線路互連的點(diǎn)稱為節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)可以定義為網(wǎng)絡(luò)中通向任何一個(gè)分支的端點(diǎn)，或通向兩個(gè)或兩個(gè)以上分支的公共點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)間的物理連接結(jié)構(gòu)稱為拓?fù)?，分布式系統(tǒng)中有以下三種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) : 星形是中央控制型結(jié)構(gòu)，一切通信經(jīng)由中央控制節(jié)點(diǎn)。這種結(jié)構(gòu)的控制方式簡(jiǎn)單、便宜，缺點(diǎn)是中央控制點(diǎn)有故障時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)就會(huì)癱瘓，當(dāng)通信量增加并要求高速通信時(shí)，中央控 制單元的功能必須擴(kuò)充，以克服“瓶頸阻塞”問題如果采用冗余裝置和自動(dòng)切換技術(shù)來改善可靠性，又會(huì)大大增加系統(tǒng)的復(fù)雜程度和成本總線形所有節(jié)點(diǎn)共享一個(gè)公共物理通道― 總線。這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是 :網(wǎng)絡(luò)不封閉，容易加擴(kuò)新節(jié)點(diǎn)，甚至用中繼器連接多個(gè)總線，形成無根樹結(jié)構(gòu) 。節(jié)點(diǎn)間通過總線直接通信，速度快、延遲和開銷小 。某個(gè)節(jié)點(diǎn)故障對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響相對(duì)較小 。若采用令牌 Token 傳遞的控制協(xié)議，則可保證該網(wǎng)絡(luò)有確定的較好的實(shí)時(shí)響應(yīng)性環(huán)形相鄰節(jié)點(diǎn)順序連接形成的環(huán)路結(jié)構(gòu)，信息一般僅以一個(gè)方向在環(huán)上從源節(jié)點(diǎn)傳送到目的節(jié)點(diǎn)，控制方式簡(jiǎn)單 ，節(jié)點(diǎn)間可采用不同傳輸介質(zhì)，速度也不同，缺點(diǎn)是某個(gè)環(huán)節(jié)故障會(huì)阻塞信息通路，可靠性差。 RS485 的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟话阒荒懿捎媒K端匹配的總線型結(jié)構(gòu)，它不支持環(huán)形或星形網(wǎng)絡(luò)并且在構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)時(shí)，應(yīng)注意如下幾點(diǎn)從總線到每個(gè)節(jié)點(diǎn)的引出線長度應(yīng)盡量短，以便使引出線中的反射信號(hào)對(duì)總線信號(hào)的影響最低。因?yàn)樾盘?hào)在各支路末端反射后與原信號(hào)疊加，會(huì)造成信號(hào)質(zhì)量下降并且隨著通信距離的延長或通信速率的提高，其不良影響會(huì)越來越嚴(yán)重。應(yīng)注意總線特性阻抗的連續(xù)性，在阻抗不連續(xù)點(diǎn)就會(huì)發(fā)生信號(hào)的反射。下列幾種情況易產(chǎn)生這種不連續(xù)性 :總線的不同區(qū)段采 用了不同電纜，或某一段總線上有過多收發(fā)器緊靠在一起安裝，再者是過長的分支線引出到總線?？傊?RS485 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該提供一條單一、連續(xù)的信號(hào)通道作為總線。 門禁控制上位機(jī)與讀卡器的底層控制結(jié)構(gòu)采用了基于 RS485 小型局域網(wǎng)的分布式結(jié)構(gòu)。由于要進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸數(shù)據(jù)，所以線路應(yīng)接終端電阻進(jìn)行阻抗匹配，以抑制數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕K端反射，避免信號(hào)失真。結(jié)構(gòu) 圖 上位機(jī)與讀卡器的底層控制 由于沖突檢測(cè)和同步通信功能無法由軟件實(shí)現(xiàn)，因而 RS485 總線通常采用二線制主從、異步通信方式。物理層采用帶有屏蔽層的雙絞線，通信方式為半雙 工方式，要經(jīng)過 RS232/RS485 轉(zhuǎn)換器才能實(shí)現(xiàn) RS232 和 RS485 之間的通信規(guī)約以及相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳輸。 RS485 總線可以連接若干個(gè)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)，取決于所選用的 RS485接口芯片的驅(qū)動(dòng)器能驅(qū)動(dòng)多少個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的 RS485 負(fù)載。根據(jù)規(guī)定，標(biāo)準(zhǔn) RS485 接口的輸入阻抗為大于等于 12 千歐 ,相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)節(jié)點(diǎn)數(shù)為 32。為適應(yīng)更多節(jié)點(diǎn)的通信場(chǎng)合，有些芯片的輸入阻抗設(shè)計(jì)成 1/2 負(fù)載大于等于 24 千歐， 1/4 負(fù)載大于等于 48 千歐，甚至 1/8 負(fù)載大于等于 96 千歐，相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)數(shù)可增加到 6128 和 256。 在 RS485 網(wǎng)絡(luò)中，信號(hào)在傳輸線上傳送，若遇到阻抗不連續(xù)的情況時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)反射現(xiàn)象，從而影響信號(hào)的遠(yuǎn)距離傳送。因此必須采用阻抗匹配的方法來消除反射。為了與電纜特性阻抗進(jìn)行匹配，通常在總線的開始和末端都并接 120歐電阻。此