基于STM32工業(yè)級(jí)IC刷卡機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

于韶東，解品星，李聰

（上汽通用東岳汽車有限公司，山東煙臺(tái)，264010）

0 引言

現(xiàn)代汽車廠有許多叉車、電瓶車、物料運(yùn)輸車等特種車輛，為了安全起見(jiàn)，需要針對(duì)這些特種車輛進(jìn)行權(quán)限管理，掌握車輛運(yùn)行狀態(tài)，駕駛?cè)说男畔ⅰ；赟TM32開(kāi)發(fā)的工廠級(jí)IC刷卡機(jī)，從應(yīng)用安全入手，通過(guò)原理分析，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)搭載無(wú)線射頻技術(shù)與紅外傳感器的刷卡機(jī)，安裝在各特種車輛上，使工廠管理人員對(duì)各特種車輛進(jìn)行權(quán)限管理、信息數(shù)據(jù)收集等得到高效利用，同時(shí)對(duì)操作特種車輛增加雙重安全保護(hù)。

1 IC刷卡機(jī)系統(tǒng)原理分析

■1.1 權(quán)限卡類別

本系統(tǒng)將工卡分為超級(jí)卡、管理卡、會(huì)員卡三種。

超級(jí)卡：直接將卡號(hào)寫再單片機(jī)內(nèi)部，掉電不會(huì)丟失，每個(gè)系統(tǒng)僅有一張，作用是授權(quán)管理卡。

管理卡：授權(quán)會(huì)員卡，將讀取的卡號(hào)會(huì)寫在存儲(chǔ)器，完成授權(quán)，可授權(quán)2張管理卡，授權(quán)完成的2張管理卡可獨(dú)立對(duì)會(huì)員卡授權(quán)。

會(huì)員卡：由管理卡授權(quán)，將新刷入的卡將被依次記憶在地址1-16中（可以擴(kuò)展到256，增加EEPROM單元），完成授權(quán)，具有DRIVER功能，即具有操作特種車輛的權(quán)限。

只有在人體感應(yīng)開(kāi)關(guān)感應(yīng)狀態(tài)下，會(huì)員卡操作才能使特種車輛上電；操作完成后，人體感應(yīng)開(kāi)關(guān)沒(méi)被感應(yīng)超過(guò)10秒，特種車輛自動(dòng)斷電。

■1.2 刷卡機(jī)系統(tǒng)邏輯

刷卡機(jī)系統(tǒng)邏輯圖如圖1所示。

2 IC刷卡機(jī)硬件設(shè)計(jì)

■2.1 RC522射頻技術(shù)電路設(shè)計(jì)

2.1.1 重要參考參數(shù)

EEPROM： 8K位；

扇區(qū)：16個(gè)扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)有4個(gè)塊，每塊16個(gè)字節(jié)，塊是其基本存儲(chǔ)單位；

工作頻率：13.56MHZ；

讀寫距離：10 cm以內(nèi)；

讀寫次數(shù)：寫10萬(wàn)次，可改寫10萬(wàn)次，讀無(wú)限次；

工作溫度：-20℃～50℃(濕度為90%)。

圖1 刷卡機(jī)系統(tǒng)邏輯圖

2.1.2 組成及功能

卡片組成：天線和ASIC。

天線：卡片的天線是只有幾組繞線的線圈，很適于封裝到IS0卡片中。

ASIC：卡片的ASIC由一個(gè)高速（106KB波特率）的RF接口，一個(gè)控制單元和一個(gè) 8K位EEPROM組成。電氣原理圖如圖2所示。

工作原理：讀寫器向M1卡發(fā)一組固定頻率的電磁波，卡片內(nèi)有一個(gè)LC串聯(lián)諧振電路，其頻率與讀寫器發(fā)射的頻率相同，在電磁波的激勵(lì)下，LC諧振電路產(chǎn)生共振，從而使電容內(nèi)有了電荷，在這個(gè)電容的另一端，接有一個(gè)單向?qū)ǖ碾娮颖?，將電容?nèi)的電荷送到另一個(gè)電容內(nèi)儲(chǔ)存，當(dāng)所積累的電荷達(dá)到2V時(shí)，此電容可做為電源為其它電路提供工作電壓，將卡內(nèi)數(shù)據(jù)發(fā)射出去或接取讀寫器的數(shù)據(jù)。

功能：具有防沖突機(jī)制，支持多卡操作；無(wú)電源，自帶天線；內(nèi)含加密控制邏輯和通訊邏輯電路。

圖2 RC522原理圖

每個(gè)扇區(qū)有4個(gè)塊，塊0、塊1、塊2是數(shù)據(jù)塊，塊3是控制塊。每個(gè)扇區(qū)的密碼和存取控制是獨(dú)立的，可根據(jù)需求進(jìn)行設(shè)定。

存取控制有4個(gè)字節(jié)，共32位。每個(gè)塊有三個(gè)控制位，以正和反兩種形式存在于存取控制字節(jié)中，決定了該塊的訪問(wèn)權(quán)限。

2.1.4 通訊邏輯

射頻卡與讀寫器的通訊：通過(guò)復(fù)位應(yīng)答、防沖突機(jī)制的判斷、選擇卡片和進(jìn)行三次相互確認(rèn)后進(jìn)行數(shù)據(jù)操作。

對(duì)數(shù)據(jù)塊的操作： 讀、寫、加、減、存儲(chǔ)、傳輸、中止。RC522通訊邏輯如圖3所示。

圖3 RC522通訊邏輯圖

■2.2 EEPROM存儲(chǔ)電路設(shè)計(jì)

選用AT24C02作為 EEPROM存儲(chǔ)電路的芯片，增加卡號(hào)存儲(chǔ)需用。原理圖如圖4所示。

特點(diǎn)：低壓和標(biāo)準(zhǔn)電壓操作-2.7(VCC=2.7V至5.5V)-1.8(VCC=1.8V至5.5V)；兩線串行接口，施密特觸發(fā)器、濾波輸入以抑制噪聲；雙向數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，100k Hz(1.8V)和400k Hz(2.7V，5V)兼容性；為硬件數(shù)據(jù)保護(hù)編寫保護(hù)銷；自動(dòng)計(jì)時(shí)寫周期(5msmax)，100萬(wàn)寫周期。

圖4 AT24C02原理圖

■2.3 電源電路設(shè)計(jì)

刷卡機(jī)電路板有DC 5V和DC 3.3V電壓的需求，而工廠中電動(dòng)叉車、電瓶車、物流運(yùn)輸車具有不同的電壓等級(jí)，有輸入DC 24V、DC 36V、DC 48V等，為了滿足各類車輛對(duì)不同輸入電壓的需求，在設(shè)計(jì)電源電路時(shí)，選用型號(hào)：LM2576HV-5.0V穩(wěn)壓芯片，設(shè)計(jì)電路將輸入轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的DC 5V；選用型號(hào)：AMS1117-3.3V穩(wěn)壓芯片，同樣設(shè)計(jì)電路獲得所需的DC 3.3V。

2.3.1 穩(wěn)壓芯片LM2576HV-5.0特點(diǎn)

能提供降壓開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的各種功能，優(yōu)異的線性和負(fù)載調(diào)整能力；內(nèi)部有頻率補(bǔ)償器和固定頻率振蕩器，減少外部元件的數(shù)量，不需要加外部散熱片使用方便；TTL關(guān)斷能力，低功耗待機(jī)模式；能驅(qū)動(dòng)3A的負(fù)載，熱關(guān)斷及電流限制保護(hù)；輸入范圍廣，最高可達(dá)DC 60V，滿足各電壓等級(jí)的特種車輛使。

2.3.2 穩(wěn)壓芯片AMS1117-3.3V特點(diǎn)

低dropout電壓調(diào)節(jié)器，可提供高達(dá)1A的輸出電流；優(yōu)異的過(guò)載及過(guò)熱保護(hù)能力，防止環(huán)境影響；最大負(fù)載調(diào)整率:0.5%；高效的線性調(diào)節(jié)，優(yōu)化電壓輸出。

3 IC刷卡機(jī)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

（1）超級(jí)卡的卡號(hào)已經(jīng)寫進(jìn)單片機(jī)，掉電不會(huì)丟失，用來(lái)授權(quán)管理卡。當(dāng)滿足授權(quán)條件，刷一次超級(jí)卡，便可以對(duì)管理卡進(jìn)行授權(quán)。

//檢測(cè)到超級(jí)卡

if((SN[0]==admin[0])&&(SN[1]==admin[1])&&(S N[2]==admin[2])&&(SN[3]==admin[3])&&(newcard_bit==1)&&(card_id[0]==88))

{ count[0]=count[1]=count[2]=count[3]=0;

AT24CXX_Write(200,count,4);

admin_bit=1; admincard_bit=1;card_id[0]=99;newcard_bit=0;

（2）將需要授權(quán)的管理卡，寫進(jìn)EEPROM中定義的地址。

//管理卡寫入2402地址0

if((newcard_bit==1)&&(card_id[0]==99)&&(SN[0]!=199))//寫管理卡

{ AT24CXX_Read(232,datatemp,4); delay_ms(100);

{if((datatemp[0]==8)&&(datatemp[1]==8)&&(datate mp[2]==8)&&(datatemp[3]==8))

{ LED0=LED1=1; AT24CXX_Write(248,SN,4); delay_ms(100);

LED0=0;admin_bit=99;newcard_bit=99;admincard_bit=99;newcard_bit=0; card_id[0]=77; LED0=0;LED1=1;}

if((datatemp[0]!=8)&&(datatemp[1]!=8)&&(datatem p[2]!=8)&&(datatemp[3]!=8))

{ AT24CXX_Write(240,SN,4); delay_ms(100);

LED0=0;admin_bit=99;newcard_bit=99;admincard_bit=99;newcard_bit=0;

card_id[0]=11; LED0=0;LED1=1;

AT24CXX_Write(232,NEXT,4); delay_ms(100);// Main Number of Card } }

（3）經(jīng)過(guò)授權(quán)后的管理卡，在滿足條件的情況解便可以對(duì)會(huì)員卡進(jìn)行授權(quán)。

//檢測(cè)到管理卡

AT24CXX_Read(240,datatemp,4); delay_ms(100);

if((SN[0]==datatemp[0])&&(SN[1]==datatemp[1])&&(SN[2]==datatemp[2])&&(SN[3]==datatemp[3])&&(newc ard_bit==1))//檢測(cè)管理卡

{ LED0=LED1=1; admin1_bit=1; newcard_bit=0;card_id[0]=66; LED1=0;}

AT24CXX_Read(248,datatemp,4); delay_ms(100);

if((SN[0]==datatemp[0])&&(SN[1]==datatemp[1])&&(SN[2]==datatemp[2])&&(SN[3]==datatemp[3])&&(newc ard_bit==1))//檢測(cè)管理卡

{LED0=LED1=1; admin1_bit=2; newcard_bit=0;card_id[0]=33; LED1=0;}

（4）授權(quán)的管理卡號(hào)會(huì)被依次寫進(jìn)EEPROM相對(duì)應(yīng)的地址，完成會(huì)員卡的授權(quán)。

//授權(quán)DRIVER

if((newcard_bit==1)&&(admin1_bit==1)&&(card_id[0]==66)&&(SN[0]!=199))

{ AT24CXX_Read(200,count,4);

j=count[2]; j++;

AT24CXX_Write(member[j],SN,4); delay_ms(10);

count[0]=count[1]=count[2]=count[3]=j;

AT24CXX_Write(200,count,4);delay_ms(10);

card_id[0]=55; admin1_bit=0;newcard_bit=0;

for(i=1;i<16;i++) }

（5）授權(quán)完成的會(huì)員卡，具有DRIVER功能，即具有操作特種車輛的權(quán)限。

//判斷是不是會(huì)員

if(newcard_bit==1)

{ LED0=LED1=1; for(i=0;i<20;i++)

{LED1=!LED1; AT24CXX_Read(member[i],datatemp,4);

if((SN[0]==datatemp[0])&&(SN[1]==datatemp[1])&&(SN[2]==datatemp[2])&&(SN[3]==datatemp[3]))//檢測(cè)到會(huì)員卡

{ f=1;} }

if(f==1){newcard_bit=0;Car_in_ok=!

Car_in_ok;delay_ms(2000);f=0;SystemInit();}

if(f!=1){ newcard_bit=0; f=0; } LED0=newcard_bit; }

（6）紅外感應(yīng)開(kāi)關(guān)的作用是：只有在感應(yīng)的狀態(tài)下，會(huì)員卡才具有DRIVER功能；當(dāng)操作特種車輛時(shí)，紅外為被感應(yīng)超過(guò)5秒便會(huì)被斷電，需要被感應(yīng)重新刷一次會(huì)員卡。

//紅外感應(yīng)

if(KEY0==0) {delay_ms(2000);delay_ms(2000);delay_ms(1000);if(KEY0==0){Car_in_ok=1; newcard_bit=0;LED0=LED1=1;SystemInit();} }

}}

4 總結(jié)

本文通過(guò)對(duì)工廠特種車輛使用權(quán)限管理的調(diào)研，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于STM32工業(yè)級(jí)刷卡器，通過(guò)紅外技術(shù)實(shí)現(xiàn)了雙重安全保護(hù)，并且采用性價(jià)比高的芯片等電子元器件，可以批量應(yīng)用于工廠內(nèi)不同輸入電壓等級(jí)的特種車輛、具有可管控的特種設(shè)備等。此款工業(yè)級(jí)刷卡器制作成本低，安全可靠性強(qiáng)，應(yīng)用實(shí)效簡(jiǎn)單，可推廣使用，助力安全生產(chǎn)。