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智能IC卡毕业论文
智能IC卡毕业论文
第1章绪论„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„1
1.1IC卡的发展与应用............................................1
1.2非接触IC卡的优点............................................1
1.3射频识别系统读写设备基本原理简介.............................3
1.4射频卡与读写器的通信.........................................3
第2章系统的方案论证................................................5
2.1设计原理.....................................................5
2.2门禁系统的组成...............................................5
2.3门禁系统各组成部件的功能.....................................6
2.4门禁系统的开门方式和管理.....................................6第3章系统硬件设计..................................................8
3.1系统硬件.....................................................8
3.2RS232-RS485/RS422的接口通信.................................8
3.3终端硬件设计.................................................9
3.4读写器硬件结构..............................................12第4章系统软件设计.................................................15
4.1系统的主要功能..............................................15
4.2门禁终端程序流程图..........................................18
4.3系统的安装和调试............................................19第5章总结............................................................20
致谢...............................................错误~未定义书签。
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参考文献............................................................22
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第1章绪论
1.1IC卡的发展与应用
非接触式卡,诞生于90年代初,是世界上最近几年发展起来的一项新技术,它成功地将射频识别技术和IC卡技术结合起来,解决了无源(卡中无电源)和免接触这一难题,是电子器件领域的一大突破。
由于存在着磁卡和接触式IC卡不可比拟的优点,使之一经问世,便立即引起广泛的关注,并以惊人的速度得到推广应用。
非接触IC卡又称射频卡(RF卡,RadioFrequency),由IC芯片、感应天线组成,封装在一个标准的PVC卡片内,芯片及天线无任何外露部分。
是世界上最近几年发展起来的一项新技术,它成功的将射频识别技术和IC卡技术结合起来,结束了无源(卡中无电源)和免接触这一难题,是电子器件领域的一大突破。
卡片在一定距离范围(通常为5—10mm)靠近读写器表面,通过无线电波的传递来完成数据的读写操作。
由于不向外引出触点而是将具有微处理器的集成电路芯片和天线封装与塑料基片之中,因此具有免接触、使用寿命长、使用方便,防水、防尘适应各种恶劣环境等优点。
读写器采用磁感应技术,通过无线方式对卡片中的信息进行读写。
随着射频技术的发展,射频IC卡以其廉价、方便、快速、准确等特点作为公共安全中的身份识别得到越来越广泛的应用。
针对现在市场上广泛使用的EM系列ID卡、Mifare卡,EAR-100、PAR-10、PAR-100等系列感应读写器。
它们釆用先进的射频接收线路及嵌入式微控制器设计,具有接收灵敏度高、工作电流小、性能稳定等特点。
内置的LED指示灯和蜂鸣器可分辨读写器状态;操作电压范围宽,能在+9V,+15V的直流电压下操作;具有电源的防接错、防雷击等保护功能;操作环境可在温度-20?
+55?
和湿度10%,90%内工作,随着IC卡技术的发展,感应式非接触IC卡出现了。
近年来,人们已经成功地将非接触IC卡应用到高速公路收费管理,公交收费,自动门禁管理,物流管理中,在线巡更等各种射频识别应用领域。
1.2非接触IC卡的优点
与接触式IC卡相比较,非接触式卡具有以下优点:
(1)可靠性高
非接触式IC卡与读写器之间无机械接触,避免了由于接触读写而产生的各种故障。
例如:
由于粗暴插卡,非卡外物插入,灰尘或油污导致接触不良造
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成的故障。
此外,非接触式卡表面无裸露芯片,无须担心芯片脱落,静电击穿,弯曲损坏等问题,既便于卡片印刷,又提高了卡片的使用可靠性。
(2)操作方便
由于非接触通讯,读写器在10CM范围内就可以对卡片操作,所以不必插拨卡,非常方便用户使用。
非接触式卡使用时没有方向性,卡片可以在任意方向掠过读写器表面,即可完成操作,这大大提高了每次使用的速度。
(3)防冲突
非接触式卡中有快速防冲突机制,能防止卡片之间出现数据干扰,因此,读写器可以"同时"处理多张非接触式IC卡。
这提高了应用的并行性,无形中提高系统工作速度。
(4)可以适合于多种应用
非接触式卡的序列号是唯一的,制造厂家在产品出厂前已将此序列号固化,不可再更改。
非接触式卡与读写器之间采用双向验证机制,即读写器验证IC卡的合法性,同时IC卡也验证读写器的合法性。
非接触式卡在处理前要与读写器之间进行三次相互认证,而且在通讯过程中所有的数据都加密。
此外,卡中各个扇区都有自己的操作密码和访问条件。
接触式卡的存储器结构特点使它一卡多用,能运用于不同系统,用户可根据不同的应用设定不同的密码和访问条件。
(5)加密性能好
非接触式IC卡由IC芯片,感应天线组成,并完全密封在一个标准PVC卡片中,无外露部分。
非接触式IC卡的读写过程,通常由非接触型IC卡与读写器之间通过无线电波来完成读写操作。
非接触型IC卡本身是无源体,当读写器对卡进行读写操作时,读写器发出的信号由两部分叠加组成:
一部分是电源信号,该信号由卡接收后,与其本身的L/C产生谐振,产生一个瞬间能量来供给芯片工作。
另一部分则是结合数据信号,指挥芯片完成数据、修改、存储等,并返回给读写器。
由非接触式IC卡所形成的读写系统,无论是硬件结构,还是操作过程都得到了很大的简化,同时借助于先进的管理软件,可脱机的操作方式,都使数据读写过程更为简单。
(6)耐高温感应卡
为满足实际应用需求,我们不断开发适应特殊应用环境的高性能感应卡,在抗高温、抗折和采用环保材料方面,我们采用进口耐高温材料复合而成,具抗高温、耐折的优越特性,在车头高温曝晒不易变形,不影响功能特性,配合我们的感应卡读写器,广泛应用在高速公路收费和小区管理。
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1.3射频识别系统读写设备基本原理简介
RFID(RedioFrequencyIDentification)无线射频识别是一种非接触式的自动的无线电射频识别技术,它通过无线射频信号自动识别目标对象并获取相关数据,识别工作无须人工干预,可工作于各种恶劣环境。
RFID技术可识别高速运动物体并可同时识别多个标签,操作快捷方便。
无线射频技术相对于传统的磁卡及IC卡技术具有非接触、阅读速度快、无磨损等特点,在最近几年里得到快速发展。
应用的范围遍及制造、物流、医疗、运输、零售、国防等等。
GartnerGroup认为,RFID是建议企业可考虑引入的十大策略技术之一,然而其成功之关键除了标签(Tag)的价格、天线的设计、波段的标准化、设备的认证之外,最重要的是要有关键的应用软件(KillerApplication),才能迅速推广。
RFID技术利用无线射频方式在阅读器和射频卡之间进行非接触双向数据传输,以达到目标识别和数据交换的目的。
与传统的条型码、磁卡及IC卡相比,射频卡具有非接触、阅读速度快、无磨损、受环境影响、寿命长、便于使用的特点和具有防冲突功能,能同时处理多张卡片(最多时可同时处理200-600张卡片)。
目前,无线射频识别技术已被广泛应用于工业自动化、商业自动化、交通运输控制管理等众多领域。
最基本的RFID系统由三部分组成:
?
标签(Tag,即射频卡):
由耦合元件及芯片组成,标签含有内置天线,用于和射频天线间进行通信;?
阅读器:
读取(在读写卡中还可以写入)标签信息的设备;?
天线:
在标签和读取器间传递射频信号。
有些系统还通过阅读器的RS232或RS485接口与外部计算机(上位机主系统)连接,进行数据交换。
系统的基本工作流程是:
阅读器通过发射天线发送一定频率的射频信号,当射频卡进入发射天线工作区域时产生感应电流,射频卡获得能量被激活;射频卡将自身编码等信息通过卡内置发送天线发送出去;系统接收天线接收到从射频卡发送来的载波信号,经天线调节器传送到阅读器,阅读器对接收的信号进行解调和解码然后送到后台主系统进行相关处理;主系统根据逻辑运算判断该卡的合法性,针对不同的设定做出相应的处理和控制,发出指令信号控制执行机构动作。
1.4射频卡与读写器的通信
本系统用感应式技术,或称作射频(RF)技术,是一种在卡片或读写器装置之间,无需直接接触的情况下对卡片信息进行读写的方法。
使用感应式读写器,不在因为接触摩擦而引起卡片和读卡设备的摩损,也无需将卡插入空内或
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在刷卡槽内刷卡,卡片只需在读写器的读卡范围内晃动即可,兼有使用方便、使用寿命长等优点。
发射电磁波
读写器射频卡
返回芯片存储信息
图1-1射频卡与读写器之间的外部通信简图
图1-1所示系统的基本刚作流程:
读写器通过发射天线发送一定频率的射频信号,当射频卡进入发射天线工作区域是产生感应电流,射频卡获得能量贝激活;射频卡将自身编码等信息通过卡内置天线发射出去;系统接受天线接受到从射频卡发送来的调制信号,经天线调节器传送到读写器,读写器对接受的信号进行解调和解码然后送到后台主系统进行相关处理;主系统根据逻辑运算判断该卡的合法性,针对不同的设定做出相应的处理和控制,发出指令信号控制执行机构动作。
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第2章系统的方案论证
2.1设计原理
2.1.1门禁系统按设计原理可分为两类:
(1)控制器自带读写器(识别仪)
这种设计的缺陷是控制器须安装在门外,因此部分控制线必须露在门外,内行人无须卡片或密码可以轻松开门。
(2)控制器与读写器(识别仪)分体的
这类系统控制器安装在室内,只有读写器输入线露在室外,其它所有控制线均在室内,而读写器传递的是数字信号,因此,若无有效卡片或密码任何人都无法进门。
这类系统应是用户的首选。
2.1.2门禁系统按与微机通讯方式可分为两类:
(1)单机控制型
这类产品是最常见的,适用与小系统或安装位置集中的单位。
通常采用RS485通讯方式。
它的优点是投资小,通讯线路专用。
缺点是一旦安装好就不能方便地更换管理中心的位置,不易实现网络控制和异地控制。
(2)网络型
这类产品的技术含量高,目前还不多见,只有少数几个公司的产品成型。
它的通讯方式采用的是网络常用的TCP/IP协议。
这类系统的优点是控制器与管理中心是通过局域网传递数据的,管理中心位置可以随时变更,不需重新布线,很容易实现网络控制或异地控制。
适用于大系统或安装位置分散的单位使用。
这类系统的缺点是系统的通讯部分的稳定需要依赖于局域网的稳定。
2.2门禁系统的组成
门禁系统主要有由门禁读写器、控制器、电磁锁、开门按钮、开关电源、通讯转换器、识别卡和计算机组成。
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管理员计算机数据采集器读写器
电子门锁
门禁控制器出门按钮
门磁
门禁卡控制
器
图2-1门禁系统组成图
2.3门禁系统各组成部件的功能
识别卡:
可分为接触式和非接触式两种,其中在非接触式卡中有EM卡,HID卡,MIFARE卡,LEGIC卡,TEMIC卡等多个种类,现如今在国内的办公大楼中大多采用EM卡,HID卡,也有采用MIFARE,TEMIC卡的。
门禁读写器:
根据卡的不同类型,读写器也有多种类型,在一些高级的和机要的出入口,采用指纹仪和掌型仪来作为终端识别装置是未来的发展趋势。
门锁:
电磁锁根据不同的应用场合,可分为电插锁,磁力锁,阴极锁等几大类型。
控制器:
控制器门禁系统的核心,它由一台微处理机和相应的外围电路组成。
如果将读写器比作系统的眼睛,将电磁锁比作系统的手,那么控制器就是系统的大脑,由它来决定某一张卡是否为本系统已注册的有效卡,该卡是否符合所限定的时间段,从而控制电磁锁是否打开。
2.4门禁系统的开门方式和管理
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刷卡开门:
若卡号不对或属黑名单将闭门并报警
手动按钮开门:
门内人员出门用
钥匙开门:
门禁系统管理员使用
上位机指令开关门:
在特殊情况下由上位机指令门的开关门的状态及被控信息记录到上位机中,可方便的进行查询上位机负责卡片的管理,发放卡片及登陆黑名单
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第3章系统硬件设计
3.1系统硬件
系统监控电路时钟电路存储电路
ZLG500液晶显示器
AT89C51
电磁锁
键盘
开门按钮
图3-1无线IC卡门禁机硬件电路框图
无线IC卡门禁机硬件电路主要由MIFARE卡读写模块ZLG500A及天线、主控制器AT89C51、键盘、显示器、门禁记录与授权卡号存储器、时钟电路、监控电路、NRF903无线通信接口电路以及电磁门锁等部分组成,其硬件电路框图见图3-1。
PC机端的无线数据收发器硬件结构与无线IC卡门禁机类似,由MIFARE卡读写模块ZLG500A及天线、主控制器AT89C51、以及与PC机通信的RS232接口电路组成。
3.2RS232-RS485/RS422的接口通信
RS232接口是一种用于近距离(最大30,60米)、慢速度、点对点通讯的通讯协议,在RS232中一个信号只用到一条信号线,采取与地电压参考的方式,因而在长距离传输后,发送端和接收端地电压有出入,容易造成通讯出错或速度降低。
RS-485采用平衡发送和差分接收,因此具有抑制共模干扰的能力。
加上总
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线收发器具有高灵敏度,能检测低至200mV的电压,故传输信号能在千米以外得到恢复。
RS-485采用半双工工作方式,任何时候只能有一点处于发送状态,因此,发送电路须由使能信号加以控制。
RS-485用于多点互连时非常方便,可以省掉许多信号线。
应用RS-485可以联网构成分布式系统,其允许最多并联32台驱动器和32台接收器。
RS422总线,RS485和RS422电路原理基本相同,都是以差动方式发送和接受,不需要数字地线。
差动工作是同速率条件下传输距离远的根本原因,这正是二者与RS232的根本区别,因为RS232是单端输入输出,双工工作时至少需要数字地线。
发送线和接受线三条线(异步传输),还可以加其它控制线完成同步等功能。
RS422通过两对双绞线可以全双工工作收发互不影响,而RS485只能半双工工作,发收不能同时进行,但它只需要一对双绞线。
RS422和RS485在19kpbs下能传输1200米。
用新型收发器线路上可连接台设备。
RS485/422接口采用不同的方式:
每个信号都采用双绞线(两根信号线)传送,两条线间的电压差用于表示数字信号。
例如把双绞线中的一根标为A(正),另一根标为B(负),当A为正电压(通常为+5V),B为负电压时(通常为0),表示信号“1”;反之,A为负电压,B为正电压时表示信号“0”。
RS485/422允许通讯距离可达到1200米,采用合适的电路可达到2.5MB/s的传输速率。
RS422与RS485采用相同的通讯协议,但有所不同:
RS422通常作为RS232通讯的扩展,它采用两根双绞线,数据可以同时双向传递(全双工)。
RS485则采用一根双绞线,输入输出信号不能同时进行(半双工),RS485可用于多点通讯,一条信号线上可连接多个设备,它通常采用主/从结构。
3.3终端硬件设计
终端主要以单片机89C51为核心设计而成,其中包括GSM模块、数据存储器、继电器、读写器、门磁开关、温度传感器、水浸传感器、烟雾探测器和电子报警器等。
下面介绍一下主要器件是如何选择的:
GSM模块选择主要是考虑到性能是否稳定,开发是否方便。
GSM模块选用的是索爱(SonyERICSSON)的GR47模块,一个真正工业级模块。
GR47是带有GSM,GPRS全套语音和数据功能的先进无线模块,是900,1800MHz双波段GSM
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产品。
内嵌TCP,IP协议栈,开发方便。
13MHz32位CPU;44kB闪存;25kB快存内存,9个I,O口,4个O口,1个I口,1个ISP,1个I2C,5组8位ADC,DAC。
模块功能由AT命令通过串口实现,使用户可以最大程度地缩短GSM产品的研发周期。
工业级模块比普通模块更稳定,能够在恶劣的条件下稳定工作,且GR47模块还具有GPRS功能,内嵌TCP,IP协议,具有很强的升级能力。
图3-2门禁终端组成示意图
微控制器选用的是AT89C51单片机,AT89C5l是美国ATMEL公司的低电压,高性能CMOS8位单片机,片内4kB可重擦写的只读程序存储器(PEROM)和128B的随机存取数据存储器(RAM),兼容标准MCS-51产品指令系统,32个可编程I,O口,2个16位定时、计数器,6个中断源,可编程串行UART通道。
非接触lC卡是采用Philips公司的非接触智能IC卡Mifare1卡。
以用户卡的序列号SN(全球惟一)为依据控制门的开启,安全保证,三次下互认(ISO,IECDIS9798-0)、RF通讯过程数据加密处理、存储器中每一扇区可设置相互独立的密码、每张卡有32位惟一序列号、传输密码保护、存储器加、减运算处理,具有很强的安全保证。
数据存储器选用铁电存储器(ferroelectricRAM-FRAM)FM1608,FRAM的核心技术是铁电晶体材料,这使得铁电存储产品同时拥有随机存取存储器(RAM)和非易失性存储产品的特性。
FRAM能以与RAM一样的速度读写,且所存数据掉电后不丢失。
为解决AT89C51单片机与GR47模块之间的电平接口不一致的问题,AT89C5l的TXD经过2.7V稳压管,将高电平嵌位在2.7V后连接到GR47的RXD;GR47的TXD经过电压比较器将0,3V信号变成0,5V的信号后接至
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河南机电高等专科学校毕业设计论文AT89C51的RXD。
温度传感器、水浸传感器、门磁开关、烟雾探测器、电子报
警器分别接到P2.0,P2.4口上。
下面介绍一下AT89C51:
图3-3AT89C51管脚图
简介:
AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器
(FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory)的低电压,
高性能CMOS8位微处理器,俗称单片机。
主要特性:
与MCS-51兼容
4K字节可编程闪烁存储器
寿命:
1000写/擦循环
数据保留时间:
10年
全静态工作:
0Hz-24MHz
三级程序存储器锁定
128×8位内部RAM
32可编程I/O线
两个16位定时器/计数器
5个中断源
可编程串行通道
低功耗的闲置和掉电模式
片内振荡器和时钟电路
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3.4读写器硬件结构
3.4.1主控模块设计
读写器主控模块由MCU及其外围电路组成。
可参考MCU的工作电压和所提供的低功耗模式,并结合设计的需要选择集成所需外围芯片的MCU。
依据以上三个原则,选择了超强抗干扰、高速、低功耗的MCUSTC89LE58,其内部有16KB的EEPROM。
此外,由于其工作电压范围较宽(2,3.8V),功耗低,特别适合用于电池供电系统。
图3-4是主控模块电路原理图,USB接口芯片CH375与读写器芯片FM1702N与MCU通信都采用并口通信方式,直接挂接到MCU的系统总线上。
图3-4主控模块电路原理图
3.4.2射频模块设计
读写模块是射频IC卡与外界通信的媒介,读写模块连接着的天线与IC卡线圈产生共振,进行数据传递,完成读写模块与卡之间的通信。
本设计使用的FM1702N支持13.56MHz频率下TYPEA非接触通信协议,它是与非接触式IC卡实
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现无线通信的核心模块,也是关键接口芯片。
它根据寄存器的设计对发送缓冲区中的数据进行调制得到发送的信号,通过由TX1、TX2引脚驱动的天线以电磁波的形式发出去,IC卡采用RF场的负载调制进行响应。
天线拾取IC卡的响应信号经过天线匹配电路送到RX引脚,FM1702N内部接收缓冲器对信号进行检测和解调并根据寄存器的设定进行处理。
处理后的数据发送到并行接口由MCU读取。
3.4.3天线设计
为了与非接触式IC卡进行通信,读写器必须有能发射和接受射频信号的天线。
可以针对不同的应用设计不同大小和形状的天线。
天线设计具体步骤为:
设定读写器工作环境,优化读写器与应答器之间的耦合系数,确定天线线圈和电容。
非接触式IC卡天线利用电感耦合产生磁通,磁通用来向应答器提供电源,并且在两者间传输数据。
因此对读写器天线的构造有以下几个基本要求:
使天线线圈的电流最大,用于产生最大的磁通量Φ;功率匹配,以最大程度地利用产生磁通量的可用能量;足够的带宽以无失真地传送数据调制的载波信号。
3.4.4蜂鸣器驱动电路设计
蜂鸣器是在每次读卡操作不成功的时候发出报警指示音。
由于MCU的I/O口驱动能力有限,一般不能直接驱动压电式蜂鸣器,因此选用一PNP型晶体管组成晶体管驱动电路,MCUI/O口(P3.4)输出经驱动电路放大后即可驱动蜂鸣器。
本设计选用蜂鸣器的工作电流为10mA,其驱动电路如图3-5所示。
图3-5蜂鸣器驱动电路
3.4.5时钟电路设计
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如图3-6所示,实时时钟采用低功耗的CMOS实时时钟/日历芯片PCF8563实现,PCF8563提供一个可编程时钟输出,一个中断输出和掉电检测器,其所有地址和数据通过I2C总
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