門禁系統(tǒng)的非接觸式IC卡讀卡器設(shè)計(jì)

呂中興++黃艷++閔惠芳

摘要：隨著現(xiàn)今安保系統(tǒng)智能化趨勢不斷地發(fā)展，門禁系統(tǒng)的智能化要求也迫在眉睫。為實(shí)現(xiàn)門禁系統(tǒng)的智能化，本文提出了一套針對于門禁系統(tǒng)以MIFARE卡為識別對象，基于PIC16F877單片機(jī)的非接觸式IC卡讀卡器的設(shè)計(jì)方案。首先，該方案以PIC單片機(jī)為控制核心構(gòu)成主控模塊，MFRC500專用芯片為讀寫模塊。其次，RS485通信電路構(gòu)成通信轉(zhuǎn)換模塊，與PC機(jī)構(gòu)成管理系統(tǒng)；LCD顯示電路和矩陣鍵盤電路構(gòu)成人機(jī)接口模塊，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互；7805穩(wěn)壓電路構(gòu)成電源模塊，提供芯片穩(wěn)定直流電源。最后，該方案經(jīng)實(shí)際電路測試顯示，能實(shí)現(xiàn)對MIFARE卡進(jìn)行識別讀寫操作，對門進(jìn)行開關(guān)操作，并能與PC管理機(jī)形成可靠的數(shù)據(jù)庫，同時(shí)能對待通過人員進(jìn)行身份核實(shí)。

關(guān)鍵詞：非接觸式IC卡讀卡器 PIC單片機(jī) 智能化的門禁系統(tǒng) MFRC500

中圖分類號：TN409 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2014）12-0138-03

非接觸式IC卡，由IC芯片、感應(yīng)天線組成，封裝在一個標(biāo)準(zhǔn)的PVC卡片內(nèi)，芯片及天線無任何外露部分。是世界上最近幾年發(fā)展起來的新技術(shù)，它成功地將射頻識別技術(shù)和IC卡技術(shù)結(jié)合起來，解決了無源（卡中無電源）和免接觸這兩個難題，是電子器件領(lǐng)域的一大突破?？ㄆ谝欢ň嚯x范圍靠近讀寫器表面，通過無線電波的傳遞來完成數(shù)據(jù)的讀寫操作[1]。由于非接觸式IC卡具有安全性、智能性、較大存儲容量、更好的應(yīng)用環(huán)境適應(yīng)性、讀寫設(shè)備簡單和操作速度快等優(yōu)點(diǎn)，其技術(shù)發(fā)展十分迅速，應(yīng)用領(lǐng)域愈加廣泛，特別是在學(xué)校一卡通、門禁、公交等場合。非接觸式IC卡技術(shù)的這些特點(diǎn)恰好適用于門禁系統(tǒng)的智能化，故將非接觸式IC卡技術(shù)運(yùn)用于門禁系統(tǒng)中。而非接觸式IC卡技術(shù)的關(guān)鍵是對非接觸式IC卡讀卡器的設(shè)計(jì)，所以本文圍繞對門禁系統(tǒng)中非接觸式IC卡讀卡器的設(shè)計(jì)展開，簡要介紹其工作原理，詳細(xì)描述硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。該讀卡器系統(tǒng)包含單片機(jī)芯片PIC16F877、讀寫芯片MFRC500、穩(wěn)壓芯片7805和通信芯片MAX491等常用芯片，這些芯片的一般性保證了系統(tǒng)二次開發(fā)的可行性。該方案能夠穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)預(yù)期的門禁功能，且易于制作、成本較低。除此之外，可以通過改變外圍電路，滿足其他多種自動識別系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)組成

通用讀卡器功能較為簡單，通過執(zhí)行上位PC機(jī)的命令，對卡片進(jìn)行簡單的讀寫操作。故這類讀卡器的系統(tǒng)組成也較為簡單，由主控制單片機(jī)、通訊芯片、讀卡芯片、終端驗(yàn)證這四部分組成。

而門禁讀卡器是專用讀卡器，是通用讀卡器的一種擴(kuò)展運(yùn)用，是門禁控制系統(tǒng)中十分關(guān)鍵的組成部分，它的功能就是對待通過人員進(jìn)行身份核實(shí)，從而決定各重要場所出入的大門的開關(guān)。每個被門禁讀卡器所控制的門上都安裝有電子鎖，門禁讀卡器就是通過給輸出繼電器發(fā)送信號來控制電子鎖對重要場所的門進(jìn)行開關(guān)。當(dāng)用戶需要通過門禁讀卡器控制的大門時(shí)，需要通過讀卡器對所持卡片的信息核實(shí)才可以通過大門，或者采用直接輸入密碼的方式出入。

該門禁讀卡器系統(tǒng)以PIC16F877控制模塊、MFRC500讀寫模塊為核心，RS485通信模塊、存儲模塊、時(shí)鐘模塊、天線模塊、電源模塊、人機(jī)接口模塊（LCD顯示電路和矩陣鍵盤電路）和蜂鳴器報(bào)警模塊等組成輔助模塊，系統(tǒng)組成框圖如圖1所示[2]。讀寫器與非接觸式IC卡的數(shù)據(jù)交換，通過在射頻場中天線線圈之間的耦合，建立無線鏈接完成。

2 工作原理

本設(shè)計(jì)方案采用的非接觸式IC卡是MIFARE1 IC射頻卡，以Philips公司的S50系列芯片為核心，并采用了國際上常用的ISO14443 TYPE A非接觸式接口標(biāo)準(zhǔn)[1]。S50上內(nèi)建有8K存儲容量的E2PROM并劃分為16個扇區(qū)，每個扇區(qū)劃分為4個數(shù)據(jù)存儲塊，每塊16個字節(jié)，以塊為存取單位，每個扇區(qū)可由多種方式的密碼管理。每張射頻卡都有唯一的序列號，字節(jié)數(shù)為32位[1]。除此之外，該系列芯片具有防沖突機(jī)制，支持多卡操作。其主要電路包括RF射頻接口電路和數(shù)字電路這兩部分，其功能框圖如圖2所示。片內(nèi)無源，工作的電源能量由IC卡讀卡器天線發(fā)射無線載波信號，耦合到卡片上的天線而產(chǎn)生。

當(dāng)MIFARE卡進(jìn)入讀卡器的射頻場時(shí)，單片機(jī)PIC16F877發(fā)出請求，通過對讀寫模塊中MFRC500芯片特殊內(nèi)存寄存器的讀寫來控制讀寫模塊與MIFARE卡建立連接，進(jìn)行讀寫操作。MFRC500 實(shí)際上是PIC16F877與射頻卡之間進(jìn)行信息交換的“中間人”。任何卡片上數(shù)據(jù)讀寫均須通過MFRC500來傳遞。傳送不同類型的指令給MFRC500，就能實(shí)現(xiàn)對MFRC500的控制。讀卡器發(fā)給卡的數(shù)據(jù)信息在調(diào)制前采用的是米勒編碼，而卡發(fā)給讀卡器的數(shù)據(jù)信息采用的是曼切斯特編碼[7]。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 控制芯片的選擇

此讀卡器系統(tǒng)選擇的控制芯片為Microchip公司的PIC16FXX系列中的PIC16F877芯片。由Microchip公司推出的PIC16FXX系列單片機(jī)，采用了精簡指令集RISC結(jié)構(gòu)，具有高速度、低功耗、低電壓、大電流LCD驅(qū)動能力等優(yōu)點(diǎn)。其次，這個系列的單片機(jī)采用的是雙總線結(jié)構(gòu)，也稱為哈佛結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)將程序總線和數(shù)據(jù)總線分開，使得取指令和取數(shù)據(jù)同時(shí)進(jìn)行。由于哈佛結(jié)構(gòu)將指令空間和數(shù)據(jù)空間分開，使得單片機(jī)能在取指令的同時(shí)執(zhí)行另一條指令，從而實(shí)現(xiàn)流水作業(yè)[3]。

相比之下，PIC單片機(jī)芯片要優(yōu)于MCS-51單片機(jī)芯片，可體現(xiàn)在如下三個方面[3]：

（1）總線結(jié)構(gòu)。MCS-51單片機(jī)的總線結(jié)構(gòu)是馮-諾依曼型，計(jì)算機(jī)在同一個存儲空間取指令和數(shù)據(jù)，兩者不能同時(shí)進(jìn)行；而PIC單片機(jī)的總線結(jié)構(gòu)是哈佛結(jié)構(gòu)，指令空間和數(shù)據(jù)空間是完全分開的，一個用于指令，一個用于數(shù)據(jù)，由于可以對程序和數(shù)據(jù)同時(shí)進(jìn)行訪問，所以提高了數(shù)據(jù)吞吐率。PIC單片機(jī)的程序和數(shù)據(jù)總線可以采用不同的寬度。數(shù)據(jù)總線是8位，但指令總線分別為12、14、16位。（2）流水線結(jié)構(gòu)。 MCS-51單片機(jī)的取指和執(zhí)行采用單指令流水線結(jié)構(gòu)，兩種操作不能同時(shí)進(jìn)行；而PIC單片機(jī)的取指和執(zhí)行采用雙指令流水線結(jié)構(gòu)，也就是可以同時(shí)進(jìn)行取指和執(zhí)行兩種操作。（3）寄存器組。 PIC單片機(jī)的所有寄存器，包括I/O口、定時(shí)器和程序計(jì)數(shù)器等都采用RAM結(jié)構(gòu)形式，而且都只需要一個指令周期就可以完成訪問和操作；而MCS-51單片機(jī)需要兩個或兩個以上的周期才能改變寄存器的內(nèi)容。

綜上所述，PIC16F877單片機(jī)運(yùn)行處理效率高、數(shù)據(jù)吞吐率大，故本設(shè)計(jì)方案選擇了PIC16F877芯片作為主控制芯片。

3.2 MFRC500模塊

MFRC500是應(yīng)用于13.56MHZ非接觸式通信中高集成讀卡系列，內(nèi)嵌ISO14443協(xié)議解釋器，它支持ISO14443中TYPEA通信標(biāo)準(zhǔn)，支持使用MIFARE高波特率的非接觸式通信。該讀卡芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)由并行微控制器接口、雙向FIFO緩沖區(qū)、中斷、數(shù)據(jù)處理單元、狀態(tài)控制單元、安全和密碼控制單元、模擬電路接口及天線接口組成；MFRC500外部接口則包括數(shù)據(jù)總線、地址總線、控制總線、電源等[4]。MFRC500的并行微控制器接口自動檢測連接的8位并行接口的類型[5]。它包含了一個雙向FIFO緩沖區(qū)和一個可配置的中斷輸出，這樣就連接各種單片機(jī)提供了很大的靈活性。數(shù)據(jù)處理部分執(zhí)行數(shù)據(jù)的并行—串行轉(zhuǎn)換。狀態(tài)和控制部分允許對器件進(jìn)行配置以使性能調(diào)節(jié)到最佳狀態(tài)。模擬電路包含一個具有非常低阻抗橋驅(qū)動器輸出的發(fā)送部分，這得最大操作距離可達(dá)10cm，接收器可以檢測到非常弱的應(yīng)答信號[6]。

3.3 電源模塊

該讀卡器系統(tǒng)內(nèi)所有芯片的工作電壓均為 5V，而讀卡器是通過電源插頭直接接入電壓為220V、頻率為50HZ的市電，故該系統(tǒng)需要一個降壓穩(wěn)壓電路為芯片提供穩(wěn)定在5V的直流電。在仔細(xì)考慮后，決定采用常用的降壓穩(wěn)壓電路7805電路。該電路結(jié)構(gòu)簡單，易于實(shí)現(xiàn)，成本較低，且功能較為穩(wěn)定，故非常符合讀卡器系統(tǒng)的要求。由于具體電路比較常見，這里不再贅述。當(dāng)所需電流超過穩(wěn)壓器標(biāo)定值時(shí)，可采用外接功率管的方法來進(jìn)行擴(kuò)流。

3.4 單片機(jī)與MFRC500模塊接口電路

PIC16F877單片機(jī)與MFRC500模塊的數(shù)據(jù)通信是通過SPI三線串行總線實(shí)現(xiàn)的，其中三線分別為片選線SS ，時(shí)鐘線SCLK和數(shù)據(jù)線SDATA ，SS和SDATA是雙向的，而SCLK是單向的。時(shí)鐘只能由主控制器PIC16F877單片機(jī)產(chǎn)生；SS為數(shù)據(jù)發(fā)送使能，若一方有數(shù)據(jù)要發(fā)送給另一方，則該方控制SS線為低電平，并在發(fā)送結(jié)束后將該線置高電平，接受方不得控制該線，雙方必須遵守通信協(xié)議，不得同時(shí)控制該線；SDATA為數(shù)據(jù)線，由數(shù)據(jù)發(fā)送端控制，數(shù)據(jù)接受端必須釋放該線。該線在一次傳輸開始時(shí)還同時(shí)為數(shù)據(jù)接受端的響應(yīng)信號。

通信的起始者是PIC16F877單片機(jī)，應(yīng)答者是MFRC500讀寫模塊。完整的通信過程應(yīng)該是，先由單片機(jī)向讀寫模塊發(fā)送控制和數(shù)據(jù)信號，讀寫模塊執(zhí)行完單片機(jī)所要求的命令后，將命令執(zhí)行的狀態(tài)和響應(yīng)數(shù)據(jù)反饋給單片機(jī)。開始通信前，單片機(jī)和讀寫模塊必須都處于空閑狀態(tài)。讀寫模塊的RST接外部PIC16F877的I/O口，這樣在讀寫模塊出現(xiàn)異常時(shí)可由單片機(jī)強(qiáng)制復(fù)位。之后，單片機(jī)向SS控制線發(fā)送下降沿信號，等待讀寫模塊在SDATA數(shù)據(jù)線上的響應(yīng)。若在規(guī)定時(shí)間內(nèi)SDATA數(shù)據(jù)線未響應(yīng)，則單片機(jī)終止本次傳輸，將錯誤代碼返回給主程序，由主程序進(jìn)行錯誤處理。若SDATA數(shù)據(jù)線正確響應(yīng)，則單片機(jī)可將命令和數(shù)據(jù)發(fā)送至讀寫模塊。PIC16F877等待讀寫模塊發(fā)回的狀態(tài)和響應(yīng)數(shù)據(jù)，若在規(guī)定時(shí)間內(nèi)未響應(yīng)，則終止本次傳輸，且向主程序報(bào)告錯誤。若SS控制線信號正確響應(yīng)，則單片機(jī)可接收狀態(tài)和數(shù)據(jù)[7]。

3.5 人機(jī)交互模塊

該人機(jī)交互模塊包括LCD顯示和矩陣鍵盤電路，通過讀卡器的識別功能達(dá)到對IC卡進(jìn)行讀寫和系統(tǒng)設(shè)置的功能，使得能自動識別待通過人員的身份并進(jìn)行對重要場所門的開關(guān)操作。LCD采用ACM1602A芯片，基控制器大部分為HD44780，1602液晶模塊內(nèi)部的字符發(fā)生存儲器（CGROM）已經(jīng)存儲了160個不同的點(diǎn)陣字符圖形，這些字符有：阿拉伯?dāng)?shù)字、英文字母的大小寫和常用的符號，能有效顯示人員信息和反饋?zhàn)x卡信息。鍵盤電路由2*8的矩陣鍵盤所構(gòu)成，該矩陣鍵盤直接插接在電路主板上的一個10針擴(kuò)展插槽上[8]。

3.6 通信模塊

PIC單片機(jī)與PC上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換時(shí)，采用RS485串行通信，通信接口采用RS485總線。電路設(shè)計(jì)時(shí)采用MAX491芯片將單片機(jī)的串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為RS485信號輸出。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

由于C語言具有編程效率高、軟件調(diào)試直觀、維護(hù)升級方便、程序重復(fù)利用率高和程序跨平臺移植性高，所以本設(shè)計(jì)方案采用C語言來進(jìn)行軟件開發(fā)。該系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)是在MPLAB IDE開發(fā)環(huán)境中進(jìn)行開發(fā)，可以分為兩個部分：對MFRC500讀寫模塊應(yīng)用程序的開發(fā)和對讀卡器其他輔助電路的應(yīng)用程序開發(fā)[9]。前者包括：主控程序、PIC單片機(jī)初始化程序、讀卡器核心模塊MFRC500子程序、防沖突子程序和數(shù)據(jù)塊操作子程序等；后者包括：LCD顯示子程序、鍵盤驅(qū)動子程序和蜂鳴器驅(qū)動子程序等。門禁讀卡器的軟件設(shè)計(jì)流程，見圖3。門禁讀卡器的軟件設(shè)計(jì)需要依據(jù)其工作處理的過程，具體步驟如下所述。讀卡器系統(tǒng)啟動后，先對單片機(jī)和MFRC500讀寫芯片進(jìn)行初始化處理，初始化主要目的是清空芯片中各種標(biāo)志位和數(shù)據(jù)寄存器，防止之前的數(shù)據(jù)對以后判斷產(chǎn)生影響，打開PIC單片機(jī)中斷。初始化后，讀取時(shí)鐘芯片第一個RAM空間內(nèi)的數(shù)據(jù)。判斷讀卡器系統(tǒng)內(nèi)的日志信息是否己經(jīng)存滿，如果存滿，就與上位機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程通信，發(fā)送錯誤信息，請求上位機(jī)提取所有日志信息。提取完成后，清空RAM中的所有數(shù)據(jù)信息，然后開始正常工作。如果RAM中的數(shù)據(jù)未存滿，讀卡器則等待卡片。當(dāng)有MIFARE卡進(jìn)入讀卡器的射頻范圍，關(guān)閉PIC單片機(jī)中斷，這使得讀卡器在工作時(shí)不接收上位機(jī)的任何指令。關(guān)閉中斷后便開始通過PSAM卡和該卡片鑒權(quán)，如果不通過則在LCD顯示屏上顯示相應(yīng)的錯誤信息。通過讀取卡片的序列號和帶通過人員的信息，檢查卡片是否在黑名單中。如果在，則在液晶顯示屏上顯示相應(yīng)的錯誤信息；如果不在，蜂鳴器長響一聲后開門并將所有信息存在存儲模塊中，將時(shí)鐘芯片內(nèi)的日志數(shù)量加l。

5 結(jié)語

本文提出并驗(yàn)證了一種針對門禁系統(tǒng)、基于PIC單片機(jī)的非接觸式IC卡讀卡器的設(shè)計(jì)方案，能實(shí)現(xiàn)對待通過人員的身份識別，對大門進(jìn)行自動開關(guān)，性能穩(wěn)定可靠。除此之外，制作較為簡單，成本較低。但是在應(yīng)用中，還有可改進(jìn)之處，例如：讀寫芯片可改為采用遵守ISO14443 TYPE B標(biāo)準(zhǔn)的MFRC531芯片，這樣可以提高通信效率、更易于實(shí)現(xiàn)軟件編碼、形成電路更簡單。

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