基于PR9200 芯片的門禁系統(tǒng)設(shè)計

豐子豪，王趙，洪瑤，周鵬

（安徽工程大學(xué) 電氣工程學(xué)院，安徽蕪湖，241000）

0 引言

隨著時代的發(fā)展，科技的不斷進(jìn)步，人們正享受著高科技所帶來的便利和舒適，智能門禁系統(tǒng)關(guān)乎人們的人身安全、財產(chǎn)安全、系統(tǒng)安全和信息安全等重大問題，它在我們生活中已經(jīng)成為不可缺失的一部分。有關(guān)報告指出，全球門禁系統(tǒng)市場規(guī)模大約為628 億元，預(yù)計到2028 年將達(dá)到1119 億元。2021 年中國門禁系統(tǒng)市場達(dá)到268 億元，預(yù)計到2023 年門禁系統(tǒng)市場規(guī)模有望突破300 億元。由此可以看出，如今，門禁已經(jīng)成為人們生活中必不可少的智能化產(chǎn)品之一，而人們對門禁系統(tǒng)的需求量將會逐年增加。更高效、便捷的門禁系統(tǒng)一直社會關(guān)注的熱點的問題，我們利用PR9200 芯片設(shè)計了一套非接觸式門禁系統(tǒng)可以有效提高上述所說的問題。本文主要是針對醫(yī)院的人流量大的同時又需進(jìn)行自我防護(hù)這一情景設(shè)計的系統(tǒng)，具有重要的應(yīng)用價值。

1 整體系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)在正常工作過程中，當(dāng)標(biāo)簽進(jìn)入到讀寫器的識別范圍內(nèi)，讀寫器會發(fā)射超高頻電磁波（本文硬件的工作頻率在902～928MHz），而當(dāng)標(biāo)簽接收到讀寫器發(fā)射的電磁波后會回傳電磁波給讀寫器，經(jīng)由讀寫器獲取電子標(biāo)簽信息，讀寫器將標(biāo)簽序列號發(fā)送給計算機(jī)后臺應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行權(quán)限比對，只有達(dá)到權(quán)限級別，門禁系統(tǒng)才能控制閘機(jī)的開啟。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。

圖1 方案設(shè)計結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

■2.1 PR9200 芯片

2.1.1 PR9200 芯片的特點

PR9200 微型RFID 的模塊有如下特點：小體積、低成本、低功耗，高性能，可同時讀取多張標(biāo)簽；支持多平臺對接；可自由調(diào)節(jié)發(fā)射功率以控制識別距離；識別速度快等。

2.1.2 PR9200 芯片的介紹

PR9200 芯片是一種集成度極高的芯片，其作為超高頻射頻讀寫核心模塊的核心芯片，內(nèi)部集成強(qiáng)大的ARMCortexTM-M0 處 理 器、 高 效 能 的UHF 射 頻 收 發(fā)器、基帶調(diào)制解調(diào)器、RF/模擬控制器與存儲器（64K 閃存16KSRAM） 以 及 其 他 模 塊 等， 完 全 支 持ISO18000-6C&EPCC1G2 協(xié)議，而且PR9200 芯片上集成了更多的功能，所以外圍電路將更加簡單，開發(fā)難度大大降低，縮短開發(fā)周期。此外，在該芯片的基礎(chǔ)上可增加不同的外設(shè)，可以實現(xiàn)不同的功能，從而很大程度上拓展了超高頻RFID 的應(yīng)用領(lǐng)域。PR9200 芯片內(nèi)部功能框圖如圖2 所示。

圖2 PR9200 芯片內(nèi)部功能框圖

■2.2 HC0900A03 芯片

HC0900A03 是一款先進(jìn)的高性能計算機(jī)芯片。該芯片采用了先進(jìn)的制程技術(shù)，擁有多個處理核心，可以同時執(zhí)行多個任務(wù)，提供出色的計算性能。它還具有高度的集成度和低功耗特性，可以在各種應(yīng)用場景下提供高效的計算能力，它還配備了豐富的存儲器接口和高速緩存，可以實現(xiàn)快速的數(shù)據(jù)讀取和存儲，提高計算效率。

此外，HC0900A03 芯片還支持多種外設(shè)接口，如USB、Ethernet、HDMI 等，可以與其他設(shè)備進(jìn)行高速數(shù)據(jù)傳輸和通信。它還具有良好的可擴(kuò)展性和兼容性，可以與各種操作系統(tǒng)和軟件平臺完美配合使用。

■2.3 RFID READER 硬件電路設(shè)計

RFID READER 是一個超低功耗的超高頻射頻天線一體化的開發(fā)模塊，由于PR9200 芯片本身的高效能，高集成度，使得RFID READER 開發(fā)模塊不需要太過繁雜的外圍電路與外部設(shè)備，僅僅需要一些維持模塊正常運轉(zhuǎn)的基本元器件，其中包括高性能的PR9200 芯片、圓極化陶瓷天線、LED指示電路、PC 端通信模塊接口等。RFID READER 開發(fā)模塊如圖3 所示。

■2.4 接口及其他電路

PR9200 芯片內(nèi)部集成了ARMCortexTM-M0 處理器，對外接口包括：使能接口、復(fù)位接口、UART、SPI、I2C 等。

ARMCortexTM-M0 復(fù)位的觸發(fā)由持續(xù)的低電平信號來控制，為了保持芯片的正常工作，需要持續(xù)給復(fù)位接口穩(wěn)定的高電平信號，本文采用上拉電阻電路維持高電平，利用軟件系統(tǒng)實現(xiàn)復(fù)位功能。

使能控制芯片處的輸入輸出信號，可以用來調(diào)整芯片當(dāng)前的工作狀態(tài)，可以大大減少功耗，以達(dá)到節(jié)能的目的，其工作狀態(tài)與復(fù)位類似，也是需要給芯片持續(xù)的高電平來維持正常的工作。

4.2.1 華法林。華法林是臨床應(yīng)用最廣泛的抗凝藥物，其作用機(jī)制是通過干擾維生素K參與的凝血因子Ⅱ、Ⅶ、Ⅸ、X在肝臟的合成過程而起到抗凝血作用。房顫病人應(yīng)用華法林抗凝治療可使發(fā)生卒中的相對危險度降低50%以上，死亡發(fā)生率降低1/3左右。在嚴(yán)格檢測INR的前提下，華法林并不增加出血風(fēng)險[17]。

PR9200 芯片包含四個正極引腳，它們分別為數(shù)字調(diào)制解調(diào)器、模擬電路、內(nèi)部集成PA 和MCU 提供電源，輸入為3.3V。去耦電容的設(shè)計用來提供穩(wěn)定的電源，應(yīng)讓其盡可能靠近PR9200 芯片。此電容的作用是消除電源中的噪聲信號，以達(dá)到穩(wěn)定電源。與此同時，為了優(yōu)化線路，減小線路對電源產(chǎn)生的影響，去耦電容應(yīng)當(dāng)離核心芯片較近。

■2.5 讀寫器天線的選擇

在無線通信的領(lǐng)域中，天線是其中不可缺少的重要組成部分。RFID 的信息傳遞是通過無線電波來實現(xiàn)的，要想使信息在空間中進(jìn)行傳播，需要通過天線來實現(xiàn)無線電波的產(chǎn)生和接受。同時，再通過無線電波進(jìn)行能量傳輸時，也需要通過天線來完成非信號的能量傳送。天線對RFID 系統(tǒng)是非常重要的，其是無線通信系統(tǒng)中第一個也是最后一個器件，其一定程度上能夠決定RFID 系統(tǒng)的性能。天線的種類非常多，本設(shè)計中讀寫器的天線選擇使用陶瓷天線。

陶瓷天線有如下優(yōu)點：耐高溫（100℃以上），耐高溫性好于一般的金屬材質(zhì)的天線。一般金屬材質(zhì)的天線最高溫度不超過80℃，而采用特殊處理的陶瓷天線可承受200℃～300℃高溫，天線在此高溫環(huán)境下沒有形變或形變極?。痪哂辛己玫膶?dǎo)電性，進(jìn)而實現(xiàn)天線的輻射；具有良好的抗干擾性；制作成本較低，貼片陶瓷天線的制作工藝相對簡單，成本低廉，可以滿足大規(guī)模的生產(chǎn)。陶瓷材料對酸、堿、鹽等化學(xué)物質(zhì)具有較好的抗腐蝕性能，能夠在惡劣的環(huán)境下長期穩(wěn)定工作；陶瓷材料的介電常數(shù)較低，能夠減少信號傳輸過程中的能量損耗，提高天線的傳輸效率。基于上述優(yōu)點，本次設(shè)計中我們選擇使用3dbi 的圓極化陶瓷天線來發(fā)射電磁波，用來讀取標(biāo)簽，最遠(yuǎn)的有效距離在2m 左右，在3.5V供電的前提下持續(xù)電流＜200mA，能夠有效解決讀寫板的發(fā)熱問題。陶瓷天線如圖4 所示。

圖4 陶瓷天線圖

圖5 貼片式電子標(biāo)簽

■2.6 電子標(biāo)簽

電子標(biāo)簽（Tag）又被稱為射頻標(biāo)簽、應(yīng)答器或是射頻卡。電子標(biāo)簽是射頻識別系統(tǒng)中真正的數(shù)據(jù)載體，從專業(yè)技術(shù)的角度來說，電子標(biāo)簽才是射頻識別的核心，讀寫器的設(shè)計是由電子標(biāo)簽的性能決定的。電子標(biāo)簽主要由標(biāo)簽專用芯片以及標(biāo)簽天線所組成，芯片主要用來存儲數(shù)據(jù)，而收發(fā)電磁波由天線來完成。對電子標(biāo)簽的選擇，這里選取貼片式電子標(biāo)簽，這類電子標(biāo)簽可以粘貼在物體表面甚至鑲嵌到物體內(nèi)部。對電子標(biāo)簽的天線選取本文使用對稱振子天線，用印刷法制作工藝來生產(chǎn)天線，這種設(shè)計降低生產(chǎn)成本的同時能夠大大減少天線的長度，可以進(jìn)行量產(chǎn)實現(xiàn)電子標(biāo)簽的普及。

3 軟件設(shè)計

■3.1 終端監(jiān)控

本設(shè)計基于PR9200 芯片的門禁系統(tǒng)設(shè)計，在RFID READER 硬件模塊進(jìn)行讀卡操作，可進(jìn)行多目標(biāo)讀取、遠(yuǎn)距離讀取、快速讀取。在PC 端使用Reader Utility，進(jìn)入界面，PR9200 芯片內(nèi)已經(jīng)處理完成的信息將通過串口將信息傳輸?shù)絇C 端，最后在PC終端Reader Utility 內(nèi)顯示。PC 終端監(jiān)控圖如圖6 所示，該讀寫模塊同時讀取三張標(biāo)簽卡，可迅速對進(jìn)入指定范圍內(nèi)的人進(jìn)行身份識別。

圖6 PC 終端監(jiān)控圖

■3.2 軟件介紹

Reader Utility 軟件界面主要分為兩個板塊，一部分是控制區(qū)，一部分是接收區(qū)，控制區(qū)又分為五個小區(qū)，分別是EPC/TID 讀取、預(yù)處理設(shè)定、標(biāo)簽讀寫操作、標(biāo)簽記憶區(qū)保護(hù)設(shè)定、標(biāo)簽銷毀；接收區(qū)又分為兩個小區(qū)，分別為標(biāo)簽統(tǒng)計、通信訊息，下面具體對每個小模塊進(jìn)行解釋說明。

（1）EPC/TID 讀取

（2）預(yù)處理設(shè)定

由于讀卡器可以多目標(biāo)連續(xù)識別，當(dāng)處于存在多張卡的狀態(tài)時，需要選擇某張標(biāo)簽做其操作標(biāo)簽讀寫操作，我們需要用到該模塊，勾選Set Select to pre-command，在相應(yīng)的地方填入對應(yīng)的地址、數(shù)據(jù)長度，還有指定的標(biāo)簽的編碼，最后輸入所選定的卡片的密碼，即選定該標(biāo)簽。

（3）標(biāo)簽讀寫操作

標(biāo)簽中分為多個分區(qū)，該模塊就是用來對不同區(qū)的不同位置，不同長度進(jìn)行選定，然后對相對應(yīng)的扇區(qū)進(jìn)行讀與寫的操作；首先選擇相應(yīng)的扇區(qū)，其次在該扇區(qū)內(nèi)選擇地址與要進(jìn)行讀取的數(shù)據(jù)長度，最后進(jìn)行讀操作或者寫操作（不同的扇區(qū)擁有的可寫區(qū)域大小不同，進(jìn)行寫操作時應(yīng)注意數(shù)據(jù)長度）。

（4）標(biāo)簽記憶區(qū)保護(hù)設(shè)定

對標(biāo)簽的各個區(qū)域的保護(hù)設(shè)定，對分區(qū)密碼、進(jìn)入密碼、EPC 區(qū)塊、TID 區(qū)塊、用戶區(qū)塊等進(jìn)行保護(hù)等級設(shè)定，該設(shè)定分為四個等級分別為，略過，可寫、永久可寫、永久密碼才能寫。

（5）標(biāo)簽銷毀

當(dāng)我們不需要該卡片或者該卡片需要銷毀時，我們在該模塊輸入待銷毀卡片的密碼，按下kill 按鈕，此操作會將TAG 標(biāo)簽刪除無法再使用。

（6）標(biāo)簽統(tǒng)計

在進(jìn)行多標(biāo)簽讀取時，所讀取的每一張標(biāo)簽卡片的信息都會保存在此，比如卡片EPC 號、讀卡次數(shù)等，當(dāng)我們需要這些卡片的信息時可以一鍵導(dǎo)出，存放在需要的地方。

（7）通信訊息

該區(qū)域用于顯示相關(guān)操作底層指令，比如，當(dāng)我們進(jìn)行讀卡操作時，讀取標(biāo)簽的底層代碼都會顯示，當(dāng)讀取失敗時，或?qū)憯?shù)據(jù)失敗時，可以根據(jù)底層代碼指令來判斷是何種原因，提高效率。

■3.3 RFID READER 通信模塊

PR9200 芯片 支 持GPIO、I2C、UART 等對外接 口，本文的通信接口選擇使用UART 接口，為TTL 電平，與計算機(jī)系統(tǒng)通信中則需要將TTL 電平轉(zhuǎn)換為RS232 電平。計算機(jī)系統(tǒng)使用UART 接口向芯片發(fā)送相關(guān)的控制命令、接收返回信息和寫入程序等操作。PR9200 的GPIO 接口是可編程的通用輸入輸出端口，可以通過內(nèi)部程序來控制輸入輸出以到達(dá)實現(xiàn)其他附加功能的目的。

4 結(jié)論

本文使用PR9200 芯片設(shè)計開發(fā)了一種微型的RFID 射頻模塊，使用PR9200 芯片設(shè)計讀寫器，使用抗干擾性能強(qiáng)、散熱較好的3dBi 圓極化陶瓷天線，以及半波對稱振子天線組成的便捷式貼片標(biāo)簽，可以實現(xiàn)對電子標(biāo)簽進(jìn)行2m 范圍內(nèi)的信息讀取。該系統(tǒng)利用自身高靈敏度、低功耗等優(yōu)勢性能，提高了識別速率，實現(xiàn)了遠(yuǎn)距離快速識別，從而減少在某些特殊場所人們的停留時間，避免人與人之間的間接接觸。本次設(shè)計中，實現(xiàn)的功能較為單一，在成本、環(huán)境的處理等方面仍有進(jìn)步的空間。在今后的學(xué)習(xí)生活中，我們將繼續(xù)對該模塊進(jìn)入深入研究，擴(kuò)展其更多的模塊，完善功能，將其應(yīng)用在更加廣闊的領(lǐng)域。