門禁系統(tǒng)非接觸式 IC 卡讀卡器的設(shè)計(jì)

1、第30卷第3期2003年北京化工大學(xué)學(xué)報(bào)JOURNAL OF BEI J IN G UN IV ERSIT Y OF CHEMICAL TECHNOLO GYVol.30,No.32003門禁系統(tǒng)非接觸式IC 卡讀卡器的設(shè)計(jì)吳剛劉麗麗莫德舉(北京化工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,北京100029摘要:非接觸式IC 卡讀卡器是非接觸式IC 卡技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵之一。文中給出了門禁系統(tǒng)非接觸式IC 卡讀卡器的設(shè)計(jì)方法,具體闡述了門禁系統(tǒng)非接觸式IC 卡讀卡器的硬件電路設(shè)計(jì)和軟件開發(fā):給出了硬件電路原理圖并對(duì)其作了詳細(xì)的闡述,結(jié)合實(shí)例給出了非接觸式IC 卡讀卡器設(shè)計(jì)的軟件開發(fā)方法;簡要介紹了門禁系統(tǒng)。關(guān)鍵詞:

2、非接觸;IC 卡;讀卡器;微控制器;天線中圖分類號(hào):TP368.2收稿日期:2002207216非接觸式IC 卡技術(shù)是最近幾年發(fā)展起來的一項(xiàng)新技術(shù),具有操作快捷方便、安全性好、抗干擾能力強(qiáng)和一卡多用等優(yōu)點(diǎn),可廣泛應(yīng)用于各種身份識(shí)別、收費(fèi)系統(tǒng)中。應(yīng)實(shí)際工程項(xiàng)目的需要,筆者獨(dú)立設(shè)計(jì)完成了應(yīng)用于門禁系統(tǒng)的非接觸式IC 卡讀卡器。該讀卡器具有小巧、利于二次開發(fā)等特點(diǎn)。1門禁系統(tǒng)1門禁系統(tǒng)主要由IC 卡接口設(shè)備、上位管理計(jì)算機(jī)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)三部分組成,具體涉及到非接觸式IC 卡讀卡器、非接觸卡、電磁鎖、門磁開關(guān)、閉門器、控制器、手動(dòng)按鈕、計(jì)算機(jī)及系統(tǒng)軟件等。而這些設(shè)備中非接觸式IC 卡讀卡器是關(guān)鍵設(shè)備之一。

3、2硬件電路設(shè)計(jì)2.1MIFARE1卡片2M IFARE1卡的核心是Philips 公司的M I 2FARE1IC S50(201,202,203,204系列微模塊?？ㄆ蟽?nèi)建8K (bit EEPROM 存儲(chǔ)容量并劃分為16個(gè)扇區(qū),每個(gè)扇區(qū)劃分為4個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)塊,每個(gè)扇區(qū)可由多種方式的密碼管理?？ㄆ线€內(nèi)建有增值/減值的專項(xiàng)的數(shù)學(xué)運(yùn)算電路,非常適合于各種收費(fèi)場合。212硬件電路設(shè)計(jì)非接觸式IC 讀卡器以射頻識(shí)別技術(shù)為核心,讀卡器內(nèi)主要使用一片M IFARE 卡專用的讀寫處理芯片SB201。SB201是Univision EngineeringLimited (聯(lián)視工程有限公司專門為M IFARE

4、 系列非接觸式IC 卡研制的讀寫模塊,是整個(gè)讀卡器的核心部分,它完成讀寫非接觸式IC 卡的所有必須功能,包括RF 信號(hào)的產(chǎn)生、調(diào)制、解調(diào)、安全認(rèn)證和防重疊等。SB201的典型讀寫距離為25mm 。非接觸式IC 卡讀卡器的硬件電路包括以下幾個(gè)部分:單片機(jī)系統(tǒng)、鍵盤電路、EEPROM 存儲(chǔ)器、顯示電路、非接觸式IC 卡讀寫模塊、通信電路、讀卡器天線電路和各種指示信號(hào)電路。在各種不同的應(yīng)用系統(tǒng)中可以根據(jù)實(shí)際需要增刪相應(yīng)的電路。在本門禁系統(tǒng)非接觸式IC 卡讀卡器中包括主電路板和天線電路板。主電路板包括以下幾個(gè)部分:單片機(jī)系統(tǒng)、非接觸式IC 卡讀寫模塊、RS232通信電路、各種指示信號(hào)和報(bào)警信號(hào)電路。天

5、線電路板包括用于信號(hào)傳遞的圓形天線線圈以及用于信號(hào)調(diào)理的電容。在主電路板中,MCU 采用Atmel 公司的A T89C52芯片3,其P0端口與讀寫模塊的D0D7端口相連,用作MCU 和讀寫模塊之間的數(shù)據(jù)線;P20用于讀寫模塊SB201的片選線,和SB201的NCS 腳相連;P21用于SB201的軟復(fù)位信號(hào)線,與SB201的NRST 腳相連;IN T0與SB201的N IRQ腳相連,引入SB201的中斷請求;NRD 和NWR 分別與SB201的讀寫控制線NRD 和NWR 相連,用于對(duì)SB201的讀寫控制;AL E 和SB201的AL E 相連,使用SB201內(nèi)部的鎖存器鎖存地址;P22、P23分

6、別用于指示燈和蜂鳴器的控制,其中P22用于控制指示燈,P23用于控制蜂鳴器;P1端口用于將來擴(kuò)展;晶體震蕩器(Y 的頻率為1110592MHz ,便于通信速度的計(jì)算;讀寫模塊采用SB201,其BP 腳必須接5V 后備鋰電池,防止讀寫器掉電時(shí)SB201內(nèi)的信息丟失,AN T 、NAN T 、RX 接天線板;直接用變壓器將市電轉(zhuǎn)化為5V 電源供電,用一片78L05芯片組成穩(wěn)壓電路,保證持續(xù)穩(wěn)定的電壓供應(yīng);此外電路中還有兩個(gè)L ED 指示信號(hào)燈(D1、D2和一個(gè)報(bào)警蜂鳴器(SPEA KER ,由MCU 通過控制三極管(Q1、Q2的開關(guān)來進(jìn)行控制,其中D2(綠燈是電源指示信號(hào),當(dāng)讀卡器在對(duì)卡片操作過程

7、中出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)D1(紅燈將亮,如果讀卡器對(duì)卡片進(jìn)行認(rèn)證操作沒有通過,蜂鳴器將發(fā)出報(bào)警信號(hào);通信電路采用MAX232A 芯片,以實(shí)現(xiàn)讀卡器和上位機(jī)的通信。簡化的主電路板電路圖如圖1所示 。圖1讀卡器電路圖Fig.1Schematic circuit diagram of a contactless IC card reader3軟件開發(fā)軟件開發(fā)主要分為兩部分,即對(duì)SB201的應(yīng)用程序的開發(fā)和對(duì)讀卡器其他輔助電路的應(yīng)用程序開發(fā)。311工作流程讀卡器對(duì)IC 卡的操作流程如圖2所示。31111復(fù)位應(yīng)答復(fù)位應(yīng)答操作將通知SB201在天線的有效工作范圍(距離內(nèi)尋找M IFARE 卡片。如果有M IFARE

8、卡片存在,這一操作將分別與M I 2FARE 卡片進(jìn)行通信,讀取M IFARE 卡片上的卡片97第3期吳剛等:門禁系統(tǒng)非接觸式IC 卡讀卡器的設(shè)計(jì)類型號(hào)TA GT YPE(兩個(gè)字節(jié),由SB201傳遞給MCU,進(jìn)行識(shí)別處理。程序員可以根據(jù)TA GT YPE 來區(qū)別卡片的不同類型。31112防重疊操作如果有多余一張的M IFARE 卡片在讀卡器天線的有效工作范圍(距離內(nèi),必須執(zhí)行防重疊操作,返回一張卡片的序列號(hào),使讀卡器能夠根據(jù)返回的序列號(hào)在這一疊M IFARE卡片中選擇一張卡片。31113選擇卡片操作在成功執(zhí)行防重疊操作之后,或在任何時(shí)候當(dāng)程序員想實(shí)際地與已知序列號(hào)的卡片進(jìn)行通信時(shí),必須執(zhí)行選擇

9、卡片操作,以建立與所選卡片的通信,同時(shí)返回該卡片的size字節(jié)。31114認(rèn)證操作為了保證對(duì)卡片操作的合法性,在對(duì)卡片進(jìn)行操作之前必須在卡片和讀卡器之間進(jìn)行認(rèn)證操作。在經(jīng)過上述幾個(gè)步驟之后就可以具體地對(duì)卡片進(jìn)行相應(yīng)的讀、寫、增值、減值、重儲(chǔ)和傳送等操作。下面以讀出卡中的數(shù)據(jù)為例介紹程序的具體設(shè)計(jì)方法。312讀數(shù)據(jù)程序采用基于Keil C的C語言編制,在模塊化程序設(shè)計(jì)將上述每一個(gè)步驟分成一個(gè)模塊,分別設(shè)計(jì)相應(yīng)的子程序,具體讀數(shù)據(jù)程序及子函數(shù)說明如下:poweroninitial(void開機(jī)后初始化操作;set control bit(unsigned char b讀卡器讀寫模塊控制位設(shè)置;re

10、quest(unsigned char mode,unsigned int3tt復(fù)位應(yīng)答操作,返回卡片的TA GT YPE;anticoll(unsigned char bcnt,unsigned char3snr抗重疊操作,返回卡的序列號(hào);select(unsigned long snr,unsigned char3size由給定的序列號(hào)選擇卡片,返回卡片的size字節(jié); authentication(unsigned char mode,unsigned char key nr,unsigned char adr認(rèn)證操作;read(unsigned char adr,unsigned ch

11、ar3data讀數(shù)據(jù);halt(void將卡片設(shè)置為halt模式;exit(void退出;led on(sbit p n控制讀卡器指示燈亮;beep(sbit p n,unsigned char count,unsigned char soundlong,unsigned char toen根據(jù)參數(shù)驅(qū)動(dòng)蜂鳴器發(fā)出不同音長和音調(diào)的報(bào)警信號(hào)。下面的程序選擇一張卡,讀出卡中第0塊0區(qū)的內(nèi)容,然后將卡片設(shè)置為halt模式。/Read Operationvoid main(voidunsigned char idata status;unsigned int idata tagtype=0;unsign

12、ed long idata snr=0;unsigned char idata data16;unsigned char idata size=0;poweroninitial(;while(1while(1/request operationset control bit(0x0c;status=request(ALL,&tagtype;/ALL:復(fù)位應(yīng)答模式選擇,返回的卡片類型號(hào)存于變量tagtype;if(status!=O Kled on(P22;break;/Anticollision operation.set control bit(0x0c;status=anticol

13、l(0,&snr;/操作返回的卡片序列號(hào)存于變量snr;if(status!=O Kled on(P22;break;/Select operation.status=select(snr,&size;/根據(jù)序列號(hào)snr選擇卡片,返回卡片的size字節(jié);if(status!=O K8北京化工大學(xué)學(xué)報(bào)2003年 led on (P22;break ;/Authentication operationstatus =authentication (KEYSET0|KEYA ,0,0;/選取響應(yīng)的密碼組和密碼認(rèn)證0塊0區(qū);if (status !=O K led on (P22;be

14、ep (P23,1000,5000,500;break ;/Read operation.status =read (0,data ;/讀取0塊0區(qū)的內(nèi)容存于data ;if (status !=O K led on (P22;break ;halt (;break ;break ;/End of Read Operation4結(jié)論在本門禁系統(tǒng)非接觸式IC 卡讀寫器設(shè)計(jì)中,在讀卡器執(zhí)行完成上述幾步后,如果認(rèn)證通過將讀出卡中的持卡人信息,如證明持卡人身份的信息,進(jìn)出時(shí)間等,通過RS232總線將這些信息上傳上位機(jī)進(jìn)行保存,然后發(fā)出信息給驅(qū)動(dòng)伺服機(jī)構(gòu),驅(qū)動(dòng)門的開或者關(guān);如果認(rèn)證沒有通過則發(fā)出報(bào)警信號(hào)

15、,阻止非法人員的進(jìn)入。本讀卡器是應(yīng)實(shí)際工程項(xiàng)目的需求而專門設(shè)計(jì),由于筆者所在的學(xué)院以前沒有人從事過與此相關(guān)項(xiàng)目的設(shè)計(jì),筆者在參考了市場上現(xiàn)有讀卡器性能參數(shù)的基礎(chǔ)上獨(dú)立設(shè)計(jì)完成了該讀卡器,經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)證明,設(shè)計(jì)完全符合實(shí)際應(yīng)用的要求,能夠讀取25mm 內(nèi)的所有符合ISO/IEC14443T YPEA 標(biāo)準(zhǔn)的卡片,具有自動(dòng)選擇通信波特率、運(yùn)行穩(wěn)定、準(zhǔn)確、價(jià)格低廉、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn),能夠應(yīng)用在大多數(shù)門禁控制系統(tǒng)中。本讀卡器同一般讀卡器相比,在設(shè)計(jì)中將天線電路板和主電路板分離,有利于更合理地進(jìn)行讀寫器內(nèi)部空間布置,使讀寫器更小巧;本讀卡器留有多個(gè)擴(kuò)展口,利于將來對(duì)其進(jìn)行二次開發(fā)。本讀卡器現(xiàn)已在大慶石油管

16、理局服務(wù)公司停車場管理系統(tǒng)中得到實(shí)際應(yīng)用,經(jīng)客戶半年來的使用,客戶反映良好,具有很好的市場前景。在針對(duì)該讀寫器的改進(jìn)中,作者準(zhǔn)備根據(jù)實(shí)際需要給讀寫器增加LCD 顯示和鍵盤,并將RS232通信改為RS485通信以適應(yīng)長距離通信的需求。參考文獻(xiàn)1黨宏澤.IC 卡門禁考勤系統(tǒng)J .信息技術(shù),2002(1:56-582K laus Finkenzeller.射頻識(shí)別(RFID 技術(shù)M .陳大才,王卓人譯.北京:電子工業(yè)出版社,2001.193-2043余永權(quán),A TMEL89系列Flash 單片機(jī)原理與應(yīng)用M .北京:電子工業(yè)出版社,2000.196-211Development of a conta

17、ctless IC card readerWU Gang L IU Li 2li MO De 2ju(College of Information Science and Technology ,Beijing University of Chemical Technology ,Beijing 100029,China Abstract :The contactless IC card reader is one of keys for application of contactless IC cards.In this paper ,the development of a contactless IC ca