门禁系统设计与原理

智能卡门禁系统设计11设计要求智能卡的应用并不是简单的读写卡操作，而是一个综合性的工程项目。它不仅包括卡和读写模块的选择，还涉及到读写模块的控制、数据的传输、数据的处理和存储；既需要有硬件应用的知识、也还必须具有软件方面的能力。下面我们以一个完整的应用系统为例，详细地描述了各组成部分的设计要求、完成的功能及具体的实现方法。智能卡门禁系统设计任务：1．智能卡门禁系统——门禁机模块的设计（1）非接触式IC卡读写头部分主要内容：读头部分采用非接触智能卡读写模块，由读卡器读入数据并加以保存，智能卡按常规要具有加密和数据分区存储功能，读写头的读写距离在5-10厘米左右，必须具有掉电保护、精确时间记时和显示，3K—5K的临时数据存储。（2）门禁机主控模块主要内容：智能门禁机主控模块是智能门禁机系统的核心部分，主要包括MCU、键盘、显示、电子时钟、外部数据存储器及掉电保护和看门狗电路，有精确时间记时和显示。2．智能卡门禁系统——系统管理模块的设计（1）系统管理主控模块设计主要内容：设计门禁上层软件的主控模块，其主要实现的功能是最高权限卡对管理员和一般用户发卡，管理员对一般用户发卡。能对丢失的卡进行挂失，对找回的卡进行解挂，同时还要具备查找功能。（2）系统管理的数据库管理软件设计主要内容：运用高级语言编程，制作数据库管理软件。采集下位机的数据并保存，然后管理采集到的数据，具有采集、数据更新、查询统计和报表的打印功能3．智能卡门禁系统——数据传输模块的设计主要内容：完成中央控制电脑与门禁读写器之间的数据传输协议的设计，能实现主、从机的双向数据传输及一对一、一对多的数据传输。2总体方案根据设计要求，整个智能卡门禁系统分为三大部分：其一是读写器部分，包括MCU、复位电路、时钟电路、显示电路、键盘、数据存储等主控模块及非接触IC卡读写模块和电锁驱动部分；其二是中央控制电脑的软件管理系统模块；其三是中央控制电脑与读写器之间的数据传输模块。其总体方案见图5.1。图1非接触式IC卡门禁系统框图3非接触式IC卡门禁机的设计系统采用Philips公司的非接触智能IC卡Mifare1卡，以M1卡作为用户卡，以用户卡的序列号SN（全球唯一）为依据控制门的开启。因为它是一个高频卡（工作频率为13.5MHZ），有较强的抗干扰能力、读写距离远（5MM—10MM）。首先,在发卡系统（中央控制PC机）里把用户的卡号及个人信息输入系统数据库，并将该卡号作为合法卡号下载给所有门禁机。当有一张M1卡在门禁机的有效工作范围内时,系统会自动向卡发出命令,卡接收到命令后向门禁机反馈其SN,门禁机判断收到的卡号是否合法，合法则驱动电磁门锁开门，并实时上传其开门记录；如果是非法卡（未经授权或已挂失的卡）则拒绝开门并上传报警信息。只有最高授权者（掌握授权密码）才可以发管理员卡，管理员必须用管理员卡方可登录发卡系统进行发卡/下传合法卡号、挂失、解挂、下传黑名单等操作。附录二门禁机硬件原理图由于采用了Philips公司的非接触式Mifare1卡，所以卡的读写模块也采用了以Philips公司最新推出的Mifare读写芯片MFRC500为核心开发的ZLG500A读写模块。门禁机模块的硬件原理图见附录二。通过AT89C52对ZLG500A的控制达到对卡的读写。系统结构简单,成本较低且具有信息量大和安全保密性好等特点。外围配有RS232转RS485接口能与PC机互连成网络，可以完成读卡、显示卡号和出入时间、身份识别、开锁以及保存和上传出入记录、下载黑名单、设置开门权限等功能。门禁机模块的主控软件主要完成门禁机模块的初始化、卡的识别、开启门锁及保存有关数据和数据的传输等五大功能。其总体工作流程如图5.2所示：装载权限初始化显示日历寻卡执行开门比较权限开放键盘设置时间设置权限合法吗？执行开门执行报警取时间+卡号+BCC码寻卡计录满否?写入24C64中数据指针加12计录数加1发送数据发送记录数清空24C64数据指针=0计录数=0图3非接触式IC卡门禁机总体工作流程在完成整个门禁机模块的设计和制作前，首先必须明确非接触式IC卡读写模块的功能特性、接口规范和控制方式。本系统选用MIFARE1卡作为门禁钥匙，相应地，选用广州周立功公司的ZLG500A读写模块作为卡与门禁机交换数据的接口模块。1.ZLG500A读写模块特性1）功能特性图5.3为ZLG500A非接触式IC卡读写模块，该模块采用最新PHILIPS高集成ISO14443读卡芯片—MFRC500，能读写RC500内EEPROM，提供三线SPI接口，并具有控制线输出口，能与任何MCU接口。此外，该模块四层电路板设计，双面表贴，EMC性能优良；并自带无源蜂鸣器信号输出，能用软件控制输出频率及持续时间。J1J2图4ZLG500A模块实物图如图5.3所示J1为与天线的接口J2为与MCU的接口,J1、J2的管脚排列和功能说明见表5.1：表5.1ZLG500A非接触式IC卡读写模块管脚说明(一)管脚符号描述J1-1GND地J1-2TX1天线发送1J1-3GND地J1-4TX2天线发送2J1-5GND地J1-6RX天线接收表5.1ZLG500A非接触式IC卡读写模块管脚说明(二)管脚符号类型描述J2-1SCLK输入三线SPI接口时钟线总是由外部MCU产生J2-2SDATA双向数据线可双向传输J2-3SS双向传输启动线接MCU外部中断J2-4VCCPWR电源正端J2-5RST复位内部MCU复位端高电平有效J2-6GNDPWR电源负端J2-7CTRL输出控制线输出J2-8BZ输出蜂鸣器信号输出ZLG500模块可方便地与任何MCU进行接口，如图5.4所示为ZLG500与MCS-51单片机图5.4ZLG500与MCS-51单片机接口图的典型接口。SCLK、SDATA、SS为ZLG500A与MCU相联接的控制线，分别为片选SS、时钟线P1.0P1.1P3.3P1.2MCS51SCLKSDATASSRSTCTRLBZZLG500SCLK和数据线SDATA。主控制器的MCU和读卡模块内的MCU通过此三线相连，三根线上的实际电平是双方口线状态逻辑线与的结果。2）ZLG500三线串行读卡模块接口规范（1）接口原理接口空闲时主机SS=1SCLK=0SDATA=0从机SS=1SCLK=1SDATA=0。其中SS和DATA是双向的而时钟线SCLK是单向的，即时钟只能由主控制器产生，该信号必须严格遵守时序规范，否则将出现通信错误读卡模块必须释放该线。SS为数据发送使能，若一方有数据要发送给另一方，则该方控制SS线为低并在发送结束后将该线置高，接收数据方不得控制该线，双方必须遵守通信协议不得同时控制该线。SDATA为数据线，由数据发送端控制数据，接收端必须释放该线。该线在一次传输开始时还同时作为数据接收端的响应信号。（2）时序图如图5.5所示，无论数据传输的方向如何，SPI线上信号的波形总是如下；图5ZLG500时序图由图中可以看出，在SS为低的情况时，时钟和数据线上的信号才有效。且在SCLK为低时SDATA变化，在SCLK为高时SDATA应保持稳定。以上传输中从数据发送器请求开始至数据接收器响应的时间是不确定的，取决接收器内的MCU是否忙，有必要设置一个看门狗定时器对数据接收器的响应进行监视，一旦接收器响应，则MCU必须根据数据传输的方向，严格控制以下几个时间，以确保数据传输无误。t1—数据接收器响应至MCU产生第一个SCLK上升沿的时间。t2—两个字节传输之间SCLK低电平的持续时间。t3—传输最后一个字节的最后一位的SCLK信号的上升沿至SS上升沿的时间。tH—SCLK信号的高电平持续时间。tL—SCLK信号的低电平持续时间。在数据传输的方向不同时，对时间t1—t3tH和tL都有各自不同的要求。（3）通信协议MCU与ZLG500的通信必须先由MCU发送命令和数据给ZLG500，ZLG500执行命令完毕后，将命令执行的状态和响应数据发回MCU。开始通信前，收发双方必须处于空闲状态。首先由MCU发出SS下降沿信号，然后等待ZLG500载SDATA线上的响应，若在50ms内为检测到此信号，则退出本次传输。若正确响应，则MCU可将命令和数据发送出去。然后MCU等待ZLG500发回的状态和响应数据。也即等待SS线上的下降沿信号，若在50ms内为检测到此信号，则退出本次传输，若正确检测到SS信号，则可以接收状态和数据。ZLG500初始化的子程序如下：SCLKBITP1.0SSSCLKSDATAStartfromsendert1tHtLt2t3StopfromsenderAckfromreceiverSenderandreceiverSDATABITP1.1SSBITP1.2RSTBITP3.3Zlg500:SETBRST;ZLG500内部复位LCALLDELAY_50MSCLRRSTLCALLDELAY_50MSSETBSS;处于空闲状态CLRSDATACLRSCLKMOV58H,#11HMOV59H,#11HMOV5AH,#11HMOV5BH,#11HLCALLCONFIG;配置LCALLREQUEST;发送请求LCALLANTICOLL;防碰撞；***********IFHAVECARD***********MOVA,52HCJNEA,#04H,SA123;A=04ISNOCARDLJMPSA234SA123:RETSA234:LCALLREAD_BLOCK;从存储器中读取数据LCALLDELAY_100MSMOVR2,#20MOVR0,#58HMOVR1,#80HLCALLCOMPARE;进行卡号的比较和验证REL13:SETBFLAGLCALLREL123JBFLAG,REL13RET上述程序中CONFIG子程序为RC500的复位和配置子程序，是由MCU向ZLG500发出的不带数据的命令程序；REQUEST子程序是MCU向ZLG500发出的带一个字节数据的命令程序，主要是检查在有效范围内是否有卡存在；ANTICOLL子程序是防冲突操作，必须在执行了REQUEST命令后立即执行。MCU与ZLG500之间的通信一般遵循如下的数据格式MCU向ZLG500发出的命令模式的格式如下：SeqNrCommandLenData[0…N]BCCINFO[0]INFO[n]其中:SeqNr:1Byte是数据交换包的序号Command:1Byte是命令字符Len:1Byte是数据的长度Data[…]LenByte是数据字节BCC:1Byte是一个字节的BCC效验SeqNrStatusLenData[0…N]BCCINFO[0]INFO[n]其中：SeqNr:1Byte是数据交换包的序号status:1Byte是状态字符Len:1Byte是数据的长度Data[…]LenByte是数据字节BCC:1Byte是一个字节的BCC效验按照上述数据格式传输编制的CONFIG、REQUEST和ANTICOLL子程序清单如下：；**************CONFIG***********************CONFIG:MOV60H,#00H；数据交换包的序号MOV61H,#52H；配置命令字符代码MOV62H,#00H；数据的长度为0LCALLBCC_SUM0；BCC效验子程序MOV63H,A；BCC_SUMMOVA,#00HMOVR2,#04HMOVR0,#60H；发送首地址LCALLSPI_SENDMOVR0,#30H；接收起始地址LCALL_SPI_RCVRET；***************REQUEST***********************REQUEST:MOV60H,#00H；数据交换包的序号MOV61H,#41H；请求命令字符代码MOV62H,#01H；数据的长度为1MOV63H,#01H；请求模式的数据mode=01HLCALLBCC_SUMMOV64H,AMOVA,#00HMOVR2,#05H；发送5个字节数MOVR0,#60H；60H_64H的数据发送LCALLSPI_SEND；M