基于mfrc500的ic卡讀卡技術(shù)

基于mfrc500的ic卡讀卡技術(shù)

0智能門(mén)禁系統(tǒng)隨著自動(dòng)識(shí)別技術(shù)的發(fā)展，門(mén)禁系統(tǒng)迅速發(fā)展。目前,不論是國(guó)內(nèi)還是國(guó)外,研制和使用的門(mén)禁系統(tǒng)都主要集中在感應(yīng)門(mén)禁系統(tǒng)和生物識(shí)別門(mén)禁系統(tǒng)。在感應(yīng)門(mén)禁系統(tǒng)中主導(dǎo)的類(lèi)型是非接觸式IC芯片卡;而在生物識(shí)別門(mén)禁系統(tǒng)中,使用最為廣泛的則是指紋門(mén)禁系統(tǒng)。它的可拓展性及其廣泛,可以有效的應(yīng)用于智能車(chē)庫(kù)、小區(qū)安保、學(xué)校及單位考勤等諸多領(lǐng)域。深入研究門(mén)禁控制技術(shù)、大力發(fā)展綜合門(mén)禁產(chǎn)業(yè)對(duì)于提升社會(huì)信息化的水平、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展、降低和節(jié)約安保成本、提高人民群眾生活質(zhì)量、維護(hù)社會(huì)穩(wěn)定、增強(qiáng)公共安全與國(guó)防安全等方面都會(huì)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響,具有戰(zhàn)略性的重大意義。借助于計(jì)算機(jī)與電子技術(shù),智能門(mén)禁系統(tǒng)以用戶的RFID卡號(hào)為依據(jù),以此來(lái)控制門(mén)的開(kāi)啟,同時(shí),中央PC機(jī)也可收到門(mén)控器上傳的開(kāi)門(mén)記錄。此類(lèi)系統(tǒng)可自主設(shè)置密碼和黑名單,實(shí)現(xiàn)分級(jí)、分時(shí)控制,可通過(guò)有線網(wǎng)絡(luò)的使用來(lái)實(shí)現(xiàn)各門(mén)禁系統(tǒng)終端的集中管理。智能門(mén)禁系統(tǒng)管理的可靠性、安全性、靈活性等方面與傳統(tǒng)的機(jī)械類(lèi)門(mén)鎖相比都有明顯的提高。因此,不論是在智能樓宇、酒店還是政府機(jī)關(guān)等部門(mén),智能門(mén)禁系統(tǒng)都有著廣泛的應(yīng)用。1關(guān)鍵技術(shù)1.1rfid技術(shù)射頻識(shí)別技術(shù)的基本原理是利用無(wú)線射頻信號(hào)的空間耦合(電磁感應(yīng)或電磁傳播)實(shí)現(xiàn)對(duì)被識(shí)別物體的自動(dòng)識(shí)別。RFID系統(tǒng)的基本工作方式是將RFID標(biāo)簽安裝在被識(shí)別物體上(粘貼、嵌入、佩掛或植入等),當(dāng)被識(shí)別物體進(jìn)入RFID范圍內(nèi)即可建立聯(lián)系,標(biāo)簽向讀寫(xiě)器傳送信息等。其優(yōu)點(diǎn)主要是不怕油漬、灰塵污染等惡劣的環(huán)境,且可以穿透非金屬物體進(jìn)行識(shí)別、抗干擾能力強(qiáng)、無(wú)需人工干預(yù),可以與互聯(lián)網(wǎng)、通訊等技術(shù)相結(jié)合等。因此,RFID技術(shù)已經(jīng)在世界各地得到廣泛的應(yīng)用。所以將射頻識(shí)別和門(mén)禁系統(tǒng)有機(jī)的結(jié)合的研究,具有深遠(yuǎn)的理論意義。1.2非接觸式ic卡非接觸IC卡是通過(guò)無(wú)線方式實(shí)現(xiàn)與讀寫(xiě)設(shè)備通訊的,因其沒(méi)有機(jī)械觸點(diǎn)的特點(diǎn),與接觸式IC卡相較具有如下特點(diǎn)。(1)感應(yīng)范圍內(nèi)卡的操作操作方便、快捷。由于采用了非接觸式無(wú)線通訊,在使用時(shí)無(wú)需固定方向以及插拔卡,讀卡器可以就感應(yīng)范圍內(nèi)的卡進(jìn)行操作。操作時(shí)可以使得使用速度得以提高,因?yàn)榭軌蚍旁谝路诖?、錢(qián)包或公文包中而無(wú)需拿出。同時(shí),基于卡與讀卡器通訊時(shí)載波頻率較高的特點(diǎn),卡內(nèi)芯片可以在較高的系統(tǒng)時(shí)鐘下工作。這使得二者的通訊速率很高,極大的提高了每次的使用速度,一次操作的完成僅需要0.1s。(2)多張rfid卡的運(yùn)行RFID卡具有防沖突機(jī)制。即在讀卡器工作范圍內(nèi)出現(xiàn)多張RFID卡的時(shí)候,可以單獨(dú)對(duì)某張卡進(jìn)行操作,而不會(huì)影響到其他卡的數(shù)據(jù),相對(duì)于電子芯片IC卡一次只能讀寫(xiě)一張卡,它能夠并行處理多張卡的數(shù)據(jù)。(3)不同的應(yīng)用對(duì)象非接觸式IC卡系統(tǒng)能夠做到不同的作用距離,完美的適配由于環(huán)境與具體應(yīng)用對(duì)象的差異而導(dǎo)致的不同需求。非接觸式IC卡中不但有作用距離為幾米的遠(yuǎn)距離卡(適用于高速公路的收費(fèi)系統(tǒng)等),還有作用距離僅為幾厘米的近距離卡(適用于電子錢(qián)包等),這使系統(tǒng)配置更加靈活多樣。(4)和應(yīng)激天線的密封無(wú)須擔(dān)心因?yàn)橛|點(diǎn)脫落或損壞導(dǎo)致的卡片失效,提高了應(yīng)用的可靠性及設(shè)備的壽命?？ㄆ械腎C芯片和感應(yīng)天線被完全密封在了標(biāo)準(zhǔn)PVC中,提高了應(yīng)用的可靠性和卡的使用壽命。而且,非接觸式IC卡可以在惡劣的環(huán)境中使用,因?yàn)闊o(wú)線電波能夠不受到塵土、水汽和震動(dòng)的影響。同時(shí),由于讀卡器與卡的通訊不受其放置于障礙物后方的影響,可以有效防止在使用中對(duì)讀卡器進(jìn)行蓄意破壞的現(xiàn)象的產(chǎn)生。(5)校園一卡通的應(yīng)用非接觸式IC卡因其存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)保證了它可以適配不同的系統(tǒng),達(dá)到一卡多用的效果。例如機(jī)關(guān)或企業(yè)員工使用的“一卡通”,可擁有食堂就餐、查勤、停車(chē)場(chǎng)、電話管理、門(mén)禁等用途;學(xué)生的校園“一卡通”,可擁有門(mén)禁、學(xué)生證、消費(fèi)卡、借書(shū)證等用途。在這些情況下,用戶可以設(shè)置不同的訪問(wèn)權(quán)限和密碼來(lái)適應(yīng)不同的應(yīng)用。(6)卡內(nèi)所有芯片的運(yùn)行條件這是因?yàn)榉墙佑|式IC卡有唯一的序列號(hào)。在產(chǎn)品出廠前,制造商就將此唯一的序列號(hào)在卡內(nèi)芯片中固化,因此具有不可更改的特點(diǎn)。此外,卡內(nèi)的各個(gè)扇區(qū)都有屬于自己的訪問(wèn)條件和操作密碼。這些條件都能夠保證其高安全性。1.3技術(shù)難點(diǎn)分析非接觸式IC卡在設(shè)計(jì)與制造過(guò)程中存在很多技術(shù)難點(diǎn),這是由它的工作特點(diǎn)決定的。這些技術(shù)難點(diǎn)主要集中在卡片封裝和芯片制造上,主要為以下三種技術(shù)。(1)卡內(nèi)的電源要求IC卡技術(shù)和射頻技術(shù)相結(jié)合產(chǎn)生了非接觸式IC卡。由于IC卡的尺寸限制,非接觸式IC卡在射頻技術(shù)方面有如下特殊要求。(1)需要通過(guò)讀寫(xiě)設(shè)備以無(wú)線方式供電,經(jīng)由卡內(nèi)的穩(wěn)壓電路來(lái)產(chǎn)生芯片正常工作所需要的直流電壓,這是因?yàn)榇蟛糠值姆墙佑|式IC卡的尺寸決定其內(nèi)部沒(méi)有電池。(2)卡內(nèi)需要經(jīng)過(guò)特殊設(shè)計(jì)的天線。由于允許同時(shí)操作多張卡,要求卡內(nèi)的射頻部分能夠具有高抗干擾性。為了解決多卡片相互干擾問(wèn)題,卡內(nèi)應(yīng)設(shè)有“防沖突”電路。(2)降低功耗技術(shù)一般在工作原理卡的設(shè)計(jì)中發(fā)揮得好對(duì)于非接觸式IC卡,不管是有源卡片還是無(wú)緣卡片,都需要在保證工作距離的情況下盡可能降低工作時(shí)的耗能,一般方式主要是降低卡內(nèi)芯片功耗以及設(shè)計(jì)休眠電路等技術(shù)來(lái)降低功耗。(3)密封技術(shù)由于RFID卡工作時(shí)需要使用芯片、封裝天線和片外電容等部件,為了確保卡片的厚度、柔韌性以及大小,需要使用特殊的封裝技術(shù)。1.4非接觸式ic卡的類(lèi)型非接觸式IC卡具有很多不同種類(lèi),通過(guò)不同標(biāo)準(zhǔn)又有多種不同的分類(lèi),非接觸式IC卡的種類(lèi)如表1所示。2門(mén)禁系統(tǒng)的全球規(guī)劃2.1硬件設(shè)計(jì)2.1.1上位計(jì)算機(jī)配置MCU控制負(fù)責(zé)對(duì)射頻芯片和串行通信芯片進(jìn)行初始化,是非接觸式IC卡讀卡器的控制中心。它能夠通過(guò)控制射頻芯片來(lái)獲取工作范圍內(nèi)的非接觸式IC卡的卡序列號(hào),通過(guò)控制串行通訊芯片來(lái)完成與上位計(jì)算機(jī)的串行通訊。MCU單片機(jī)的選擇是STC89S54RD+。因?yàn)榇藛纹瑱C(jī)是由STC推出的具有超強(qiáng)抗干擾、高速、低功耗特性的單片機(jī),指令代碼完全兼容51系列單片機(jī)。他支持ISP(在系統(tǒng)編程)/IAP(在應(yīng)用可編程),無(wú)需專(zhuān)用的編程器、仿真器,可通過(guò)串口(P3.0、P3.1)直接下載程序到單片機(jī)內(nèi),用于做實(shí)驗(yàn)以及條件惡劣的工業(yè)環(huán)境下。它的經(jīng)濟(jì)方便可以節(jié)省高昂的仿真器費(fèi)用。STC89S54RD+單片機(jī)采用的是PQFP-44封裝,該封裝模式的優(yōu)點(diǎn)主要為運(yùn)行可靠、穩(wěn)定,因?yàn)樗扇〉馁N片方式為封裝后焊接。2.1.2基本的數(shù)據(jù)通訊射頻部分是硬件部分的重點(diǎn),是實(shí)現(xiàn)本設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容,本設(shè)計(jì)選擇的是NXPMFRC500。其功能框圖如圖1所示。MFRC500支持ISO14443TypeA所有的層。利用了先進(jìn)的調(diào)制解調(diào)概念,完全繼承了在13.56MHz下所有類(lèi)型的被動(dòng)非接觸式協(xié)議和通信方式。內(nèi)部的發(fā)射器部分能夠直接驅(qū)動(dòng)近距離的天線(可達(dá)100mm)而不需要增加有源電路。接收器部分提供一個(gè)堅(jiān)固而有效的解調(diào)解碼電路,用于ISO14443TypeA兼容的應(yīng)答器信號(hào)。除錯(cuò)部分處理ISO14443TypeA幀和錯(cuò)誤檢測(cè)(奇偶&CRC)。此外,它還支持快速CRYPTO1加密算法用于驗(yàn)證Mifare系列產(chǎn)品。為讀卡器的設(shè)計(jì)提供了極大的靈活性,因?yàn)槠浞奖愕牟⑿薪涌诳芍苯舆B接到任何8位微處理器。2.1.3ch治療和通訊接口設(shè)計(jì)在本系統(tǒng)中,上位控制計(jì)算機(jī)與89C54RD+之間的通信是近距離串行通信,采用的是CH341芯片。單片機(jī)串口的輸入輸出均為T(mén)TL電平,而PC機(jī)的USB接口采用的是串行通訊。所以要實(shí)現(xiàn)上位控制計(jì)算機(jī)和單片機(jī)之間的通信,其接口必須經(jīng)過(guò)電平轉(zhuǎn)換。選用CH341芯片可以實(shí)現(xiàn)這兩種電平之間的轉(zhuǎn)換。CH341是一個(gè)USB總線的轉(zhuǎn)接芯片,通過(guò)USB總線提供異步串口、打印口、并口及常用的2線和4線等同步串行接口。CH341通過(guò)不同的連接方式可以實(shí)現(xiàn)不同的功能,本設(shè)計(jì)主要使用USB轉(zhuǎn)TTL異步串口連接模式與單片機(jī)連接以通訊。如果串口通訊波特率較高或者單片機(jī)來(lái)不及接收,那么可以用單片機(jī)任意一個(gè)輸出引腳控制CH341的TEN#引腳,當(dāng)單片機(jī)空閑而可以接收串口數(shù)據(jù)時(shí)置TEN#為低電平,當(dāng)單片機(jī)較忙或者不便于接收串口數(shù)據(jù)時(shí)置TEN#為高電平,使CH341暫停發(fā)送下一個(gè)字節(jié),實(shí)現(xiàn)速率控制。2.1.4u3000mc的工作原理根據(jù)設(shè)計(jì)要求及MFRC500芯片手冊(cè),可以設(shè)計(jì)如圖2所示電路。電路說(shuō)明:該電路包含一個(gè)EMC低通濾波器、接收電路、天線匹配電路和天線。該系統(tǒng)工作在13.56MHz頻率下,所以選擇石英晶振來(lái)產(chǎn)生用于驅(qū)動(dòng)MFRC500及13.56MHz的能量載波基頻的驅(qū)動(dòng)天線,這樣可產(chǎn)生更高諧波。EMC國(guó)際條例中定義了在廣播頻段中發(fā)射頻率的幅值,因此必須對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波。2.1.5聲音和顯示模塊蜂鳴器用于提示掃描狀態(tài)(與上位機(jī)通訊、卡掃描等),LED用于指示非接觸式IC卡工作狀態(tài),讀卡狀態(tài),電路圖如圖3所示。2.2上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)上位機(jī)控制軟件是門(mén)禁控制系統(tǒng)的核心內(nèi)容,它用于驅(qū)動(dòng)非接觸式IC卡讀卡器、記錄非接觸式IC卡讀卡器返回的數(shù)據(jù)、進(jìn)行權(quán)限判斷、權(quán)限管理、驅(qū)動(dòng)執(zhí)行板卡等的操作,通過(guò)對(duì)控制軟件進(jìn)行修改也可以實(shí)現(xiàn)門(mén)禁功能的擴(kuò)展。軟件設(shè)計(jì)包括MFRC500的控制設(shè)計(jì)、RFID標(biāo)簽的讀取設(shè)計(jì)、讀卡器與上位控制計(jì)算機(jī)之間通信程序設(shè)計(jì)以及上位機(jī)軟件等的編寫(xiě),其中上位機(jī)軟件包括數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)與鏈接。該控制系統(tǒng)采用OOP(ObjectOrientedProgramming,面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì))設(shè)計(jì)思想,將各個(gè)功能封裝為不同函數(shù)于DLL(DynamicLinkLibrary,動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù))文件中,該DLL文件包括rf_init_com(端口初始化)、rf_antenna_sta(天線操作)、rf_request(尋卡)、rf_anticoll(防沖突)、rf_select(選卡)等函數(shù),同時(shí)