【正文】 SCLKJ21SDATAJ22SSJ23VCCJ24RSTJ25GNDJ26CTRLJ27BZJ28GNDJ11TX1J12GNDJ13TX2J14GNDJ15RXJ16U4ZLG500ATVCCGNDGNDSCLKSDATASSRSTCTRLBZTX1TX2RXVCCR6330R2GNDQ1NPND1LED1GNDCTRLBZBell 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(shí)鐘信號僅僅由主控制器來產(chǎn)生， ZLG500AT必須釋放時(shí)鐘線。 針對于本課題的設(shè)計(jì)， ZLG500AT 模塊與單片機(jī)的連接及其外圍設(shè)備如圖 35 所示。采用無源蜂鳴器，利用讀寫模塊 BZ端連接一個(gè) NPN 來控制。 目 錄 佳木斯大學(xué)教務(wù)處 19 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。 M C UZ L G 5 0 0 A TP 1 . 0P 1 . 1P 3 . 3 / P 3 . 2P 1 . 2S C L KS D A T AS SR S TC T R LB Z接 發(fā) 光 二極 管接 蜂 鳴 器 電 路 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(biāo)簽 (NETLAB)的形式進(jìn)行連線，標(biāo)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(shí)排線的工作量，使得原理圖整體顯得清爽。 J2 口的具體含義見表 31內(nèi)容 [13]。 Vin1GND2Vout3780512BATTERY1KR32GND3 4LED+5VD3C9C812345VUSBD1D2+E3SW DPDT10uFC1210uFC13C11C7 圖 33 電源電路 ZLG500AT讀寫模塊設(shè)計(jì) ZLG500AT 模塊的硬件概述 本設(shè)計(jì)系統(tǒng)采用的 IC 卡讀寫模塊是廣州周立功單片機(jī)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(jì)，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(shí)間；能讀 RC500 EEPROM；發(fā)光二極管指示目 錄 佳木斯大學(xué)教務(wù)處 18 模塊當(dāng)前狀態(tài)；提供給用戶三線 SPI 用來完成對 Mifare 卡的全部操作。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(fù)載的瞬態(tài)響應(yīng)。 電源模塊設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)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。由于單片機(jī)的晶振與引腳 XTAL XTAL1 構(gòu)成的振蕩電路中會產(chǎn)生諧波，這個(gè)諧波對電路的影響不大，但會降低時(shí)鐘振蕩器的穩(wěn)定性。單片機(jī)的引腳 XTAL XTAL1 外接 的晶目 錄 佳木斯大學(xué)教務(wù)處 17 振時(shí)鐘電路。當(dāng)輸入連續(xù)兩個(gè)機(jī)械周期以上高電平時(shí)為有效，用來完成單片機(jī)的復(fù)位初始化操作，復(fù)位后程序計(jì)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(jī)從頭開始執(zhí)行程序。在 P3 口中， 與 與 MAX232 進(jìn)行串行通信，完成程序的下載與上位機(jī)的通信； ~ 作為輸入口，直接與獨(dú)立式鍵盤連接，利用鍵盤來改變系統(tǒng)的參數(shù)，增強(qiáng)系統(tǒng)的方便性。 、 、 接入實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片 DS1302，用于獲取實(shí)時(shí)時(shí)間與日期。、 、 、 這四個(gè) I/O 口接入的是 ZLG500AT 讀寫模塊，使得它與單片機(jī)之間進(jìn)行交互通訊。 在本次設(shè)計(jì)中，單片機(jī) STC89C54 的接口電路如圖 32 所示，由于單片機(jī) 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(shí)需 要目 錄 佳木斯大學(xué)教務(wù)處 16 外接上拉電阻，一般我們選擇接入 10K MCUZLG50ATP1.P3./SCLKSDATASRSTCTRLBZ接 發(fā) 光 二極 管接 蜂 鳴 器 電 路的上拉電阻。 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(jī)控制系統(tǒng)提供了較靈活有效的解決途徑。 P C 機(jī)M A X 23 2主 控 制 器S T C 8 9 C 5 4T X DR X D獨(dú) 立 式 鍵 盤液 晶 顯 示H J 1 2 8 6 4 Z W數(shù) 據(jù) 存 儲A T 2 4 C 0 2復(fù) 位 電 路電 源 模 塊讀 寫 模 塊Z L G 5 0 0 A T非 接 觸 式 I C 卡M I F A R E I C S 5 0時(shí) 鐘 電 路D S 1 3 0 2語 音 電 路I S D 1 7 6 0 圖 31 系統(tǒng)總體方案框圖 微處理器接口設(shè)計(jì) 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(fù)責(zé)對射頻基站部分的初始化工作，對串行通訊部分進(jìn)行初始化，控制通訊部分完成與上位機(jī)進(jìn)行串行數(shù)據(jù)通訊，對單片機(jī)外圍芯片進(jìn)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。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(jī)的 I/O 口較少，節(jié)省資源。單片機(jī)控制ZLG500AT 讀寫模塊，驅(qū)動 ZLG500AT 中自帶的 PCB 天線對 Mifare 卡進(jìn)行讀寫操作 。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(biāo)準(zhǔn)兼容。門鎖與電機(jī)模塊，即門禁機(jī)械動作部分由相應(yīng)的指示模塊進(jìn)行模擬。按鍵配合 LCD(液晶顯示屏 )共同完成人機(jī)交互功能。讀取信息可存儲在擴(kuò)展存儲器中。由單片機(jī)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(shí)現(xiàn)與卡片的交易。要求通過按鍵可以更改系統(tǒng)時(shí)間，查詢記錄訪問信息。主控模塊是門禁系統(tǒng)的核心部分，主要包括單片機(jī)、鍵盤、電子時(shí)鐘以及外部數(shù)據(jù)存儲器等。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(shí)時(shí)性，又要符合實(shí)際需要。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(yùn)作過程。該非接觸 IC 卡的作用距離大約為5~10cm，應(yīng)用比較廣泛。 Mifare1 卡的存儲區(qū)可以分為 16 個(gè)扇區(qū) (64 個(gè)塊 )，每個(gè)扇區(qū)都有相應(yīng)的密碼 和存取控制位，在進(jìn)行操作前要進(jìn)行密碼驗(yàn)證。 射頻識別系統(tǒng)中讀寫器和電子標(biāo)簽之間的數(shù)據(jù)交換方式被劃分為負(fù)載調(diào)制反向散射調(diào)制。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(dāng)開啟時(shí)間達(dá)到某個(gè)設(shè)定值時(shí)，門將目 錄 佳木斯大學(xué)教務(wù)處 12 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(bào)警設(shè)備開始發(fā)出報(bào)警信號，如圖 27 所示。 2．出口處工作流程 當(dāng)持卡人需要離開時(shí)， 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(shí)門鎖打開，人員離開，門自動上鎖。 1．入口處工作流程 持卡人在門外讀寫器處刷卡，讀寫器判別射頻卡片是否合法。如圖 26 所示給出了門禁控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成。 目 錄 佳木斯大學(xué)教務(wù)處 11 門禁控制系統(tǒng)還會在門框上部安裝門磁開關(guān)來檢測門的開關(guān)狀態(tài)，在門內(nèi)還可安裝出門控制按鈕等?？刂破饔脕斫邮盏讓釉O(shè)備發(fā)送來的有關(guān)人員的信息，同自己存儲的信息相比較，判斷后發(fā)出處理信號。 門禁控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成及工作流程 門禁控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成 門禁控制系統(tǒng)一般由三個(gè)層次的設(shè)備構(gòu)成。這就要求讀寫器在 “閑置 ”狀態(tài)時(shí)能在兩種通信方法之間周期地轉(zhuǎn)換 。一張 IC 卡只需兩種通信方法之一來支持。 這項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)主要包括四個(gè)部分：物理特性；射頻接口；初始化和反碰撞；傳輸協(xié)議。國際標(biāo)準(zhǔn)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)。 整流電路穩(wěn)壓電路保 護(hù) 電 路上 電 復(fù) 位 電 路檢 波 電 路 比 較 電 路調(diào) 制 電 路 數(shù)字邏輯電路V D DG N DV D DG N DV D DG N DV D DV D D1 3 . 5 6 M H zG N D圖 24 Mifare1 卡工作電路原理圖 目 錄 佳木斯大學(xué)教務(wù)處 10 非接觸式 IC 卡的國際標(biāo)準(zhǔn) ISO/IEC 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了 IC 卡的技術(shù)特性、技術(shù)參數(shù)和技術(shù)規(guī)范等，是國際標(biāo)準(zhǔn)化組織 (ISO)/國際電工委員會 (IEC)針對于 IC 卡制定的專業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn) [11]，主要組成見圖 25 所示。Access Control模塊。解調(diào)電路的兩個(gè)功能模塊分別是檢波電路和比較電路 。射頻接口電路包括電源產(chǎn)生、調(diào)制與解調(diào)電路，原理見圖 24 所示。 表 21 Mifare1 卡片的存儲結(jié)構(gòu) 扇區(qū) 塊 內(nèi)容 類型 編號 扇區(qū) 0 塊 0 卡片序列號及生產(chǎn)廠商信息 數(shù)據(jù)塊 0 塊 1 DATA 數(shù)據(jù)塊 1 塊 2 DATA 數(shù)據(jù)塊 2 塊 3 密碼 A 存取控制 密碼 B 控制塊 3 塊 0 DATA 數(shù)據(jù)塊 4 塊 1 DATA 數(shù)據(jù)塊 5 目 錄 佳木斯大學(xué)教務(wù)處 9 扇區(qū) 1 塊 2 DATA 數(shù)據(jù)塊 6 塊 3 密碼 A 存取控制 密碼 B 控制塊 7 如果知道相關(guān)的密鑰，并且當(dāng)前讀寫條件允許，讀寫條件是可以更改的。每個(gè)數(shù)據(jù)塊和尾塊的讀寫條件均由 3 個(gè) bit 定義，并以非取反和取反形式保存在各個(gè)區(qū)的尾塊中?？ㄆ拇鎯卧偣灿?64 個(gè)塊，分別編號為 0~63。 MF1 卡的存儲結(jié)構(gòu) Mifare1 卡片的存儲容量為 1K8 位字長，采用 2E PROM 作為存儲介質(zhì)，分為 16 個(gè)扇區(qū) (Sector),編號為 0~15。 2． EEPROM 目 錄 佳木斯大學(xué)教務(wù)處 8 1 Kbyte，分為 16 個(gè)區(qū)，每區(qū) 4 個(gè)塊，每塊 16 字節(jié)； 用戶可定義內(nèi)存塊的讀寫條件； 數(shù)據(jù)耐久性 10 年； 寫入耐久性 100000 次。其通訊層 (MIFARE RF 接口 )符合 ISO/IEC 14443A 標(biāo)準(zhǔn)的第 2和第 3 部分 [9]。整個(gè)認(rèn)證過程如圖 23 所示。此時(shí)讀寫器將可以對剛剛認(rèn)證通過的卡片上的這個(gè)扇區(qū)進(jìn)行下一步的操作。 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(rèn)證令牌機(jī)制，其步驟如下： A 環(huán)： M1 卡向讀寫器發(fā)送數(shù)據(jù) RB(隨機(jī) )； B 環(huán)：讀寫器收到 RB 后向 M1 卡發(fā)送數(shù)據(jù) TOKEN AB(令牌 )，包含讀卡器發(fā)出數(shù)據(jù) 目 錄 佳木斯大學(xué)教務(wù)處 7 RA(隨機(jī) )； C 環(huán)： M1 卡收到 TOKEN AB 后，對 TOKEN AB 的加密部分進(jìn)行解密，檢查 B 環(huán)中接收到的 TOKEN AB 中的 RB 與 A 環(huán)中 M1 卡發(fā)送的 RB 是否一樣； D 環(huán)：在 C 環(huán)校驗(yàn)正確的前提， M1 卡向讀寫器發(fā)送令牌 TOKEN BA； E 環(huán)：讀寫器收到令牌 TOKEN BA 后，讀寫器對令牌 TOKEN BA 中的 RB 解密；檢驗(yàn)由 D環(huán) 中接收到的 TOKEN BA中的 RA與第一次 B環(huán)中讀寫器發(fā)出去的 RA是否一致。射頻識別通信網(wǎng)絡(luò)也是一種無線通信網(wǎng)絡(luò)。這樣一來，從標(biāo)簽返回的數(shù)據(jù)就被調(diào)制到了返回的電磁波幅度