基于ZLG500的智能卡門(mén)禁系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1 讀寫(xiě)模塊ZLG500簡(jiǎn)介
1．1 ZLG500與MCU的接口原理
    ZLG500模塊采用Philips公司最新的高集成ISO14443讀卡芯片MF RC500，它能讀寫(xiě)RC500內(nèi)EEPROM，提供三線(xiàn)制SPI接口，并具有控制線(xiàn)輸出端口，能與任何MCU連接。ZLG500與MCS51單片機(jī)的接口原理圖如圖1所示。此外該模塊的EMC性能優(yōu)良，并且自帶無(wú)源蜂鳴器信號(hào)輸出，能用軟件控制其輸出頻率及輸出持續(xù)時(shí)間。

    圖中SCLK、SDATA、SS為ZLG500與MCU相連接的控制線(xiàn)，分別為時(shí)鐘線(xiàn)、數(shù)據(jù)線(xiàn)和片選。主控制器的MCU和讀卡模塊內(nèi)的MCU通過(guò)此三線(xiàn)相連。接口空閑時(shí)，主機(jī)的SS=1，SCLK=O，SDATA=0，而從機(jī)的SS=1，SCLK=1，SDATA=O。其中SS和DATA都是雙向的，而時(shí)鐘線(xiàn)SCLK是單向的，即時(shí)鐘只能由主控制器產(chǎn)生，該信號(hào)必須嚴(yán)格遵守時(shí)序規(guī)范，否則將出現(xiàn)通信錯(cuò)誤，此時(shí)讀卡模塊必須釋放該線(xiàn)。
    SS還作為數(shù)據(jù)發(fā)送使能端。若一方有數(shù)據(jù)要發(fā)送給另一方，則該方控制SS線(xiàn)為低電平，并在發(fā)送結(jié)束后將該線(xiàn)置高電平。接收數(shù)據(jù)方不得控制該線(xiàn)，雙方必須遵守通信協(xié)議，不得同時(shí)控制該線(xiàn)。SDATA為數(shù)據(jù)線(xiàn)，由數(shù)據(jù)發(fā)送端控制數(shù)據(jù)，接收端必須釋放該線(xiàn)。該線(xiàn)在一次傳輸開(kāi)始時(shí)還同時(shí)作為數(shù)據(jù)接收端的響應(yīng)信號(hào)。
1．2 ZLG500與MCU接口的時(shí)序及通信協(xié)議
    ZLG500與MCU無(wú)論數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较蛉绾?，SPI線(xiàn)上信號(hào)的波形總是如圖2所示。由圖中可以看出，在SS為低時(shí)，時(shí)鐘和數(shù)據(jù)線(xiàn)上的信號(hào)才有效；在SCLK為低時(shí)SDATA變化，在SCLK為高時(shí)SDATA應(yīng)保持穩(wěn)定。

    以上傳輸中，從數(shù)據(jù)發(fā)送器請(qǐng)求開(kāi)始至數(shù)據(jù)接收器響應(yīng)的時(shí)間是不確定的，取決于接收器內(nèi)的MCU是否忙，因此有必要設(shè)置看門(mén)狗定時(shí)器對(duì)數(shù)據(jù)接收器的響應(yīng)進(jìn)行監(jiān)視。一旦接收器響應(yīng)，則MCU必須根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸方向，嚴(yán)格控制以下幾個(gè)時(shí)間，以確保數(shù)據(jù)傳輸無(wú)誤。
    t1：數(shù)據(jù)接收器響應(yīng)至MCU產(chǎn)生第一個(gè)SCLK上升沿的時(shí)間。
    t2：2個(gè)字節(jié)傳輸之間SCLK低電平的持續(xù)時(shí)間。
    t3：傳輸最后1個(gè)字節(jié)的最后1位的SCLK信號(hào)的上升沿至SS上升沿的時(shí)間。
    tH：SCLK信號(hào)的高電平持續(xù)時(shí)間。
    tL：SCLK信號(hào)的低電平持續(xù)時(shí)間。
    在數(shù)據(jù)傳輸方向不同時(shí)，對(duì)時(shí)間t1、t2、t3、tH和tL都有不同的要求。
    MCU與ZLG500的通信必須先由MCU發(fā)送命令和數(shù)據(jù)給ZLG500，ZLG500執(zhí)行命令完畢后，將命令執(zhí)行的狀態(tài)和響應(yīng)數(shù)據(jù)發(fā)回MCU。
    開(kāi)始通信前，收發(fā)雙方必須處于空閑狀態(tài)。首先由MCU發(fā)出SS下降沿信號(hào)，然后等待ZLG500在SDATA線(xiàn)上的響應(yīng)，若在50 ms內(nèi)未檢測(cè)到此信號(hào)，則退出本次傳輸。若正確響應(yīng)，則MCU可將命令和數(shù)據(jù)發(fā)送出去。
    然后MCU等待ZLG500發(fā)回的狀態(tài)和響應(yīng)數(shù)據(jù)，即等待SS線(xiàn)上的下降沿信號(hào)。若在50 ms內(nèi)未檢測(cè)到此信號(hào)，則退出本次傳輸；若正確檢測(cè)到SS信號(hào)，則可以接收狀態(tài)和數(shù)據(jù)。

2 智能卡門(mén)禁系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2．1 總體結(jié)構(gòu)
    系統(tǒng)采用Philips公司的非接觸智能IC卡Mifare 1(M1)卡。以M1卡作為用戶(hù)卡，以其全球唯一的序列號(hào)SN為依據(jù)控制門(mén)的開(kāi)啟。由于它是一個(gè)高頻卡，工作頻率為13．5 MHz，因而具有較強(qiáng)的抗干擾能力且讀寫(xiě)距離遠(yuǎn)(2．5～10 cm)。
    整個(gè)智能卡門(mén)禁系統(tǒng)分為三大部分：其一是讀寫(xiě)器部分，包括MCU、復(fù)位電路、時(shí)鐘電路、顯示電路、鍵盤(pán)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等主控模塊及非接觸IC卡讀寫(xiě)模塊和電鎖驅(qū)動(dòng)部分；其二是中央控制電腦的軟件管理系統(tǒng)模塊；其三是中央控制電腦與讀寫(xiě)器之間的數(shù)據(jù)傳輸模塊?？傮w系統(tǒng)框圖如圖3所示。

    首先，在發(fā)卡系統(tǒng)(中央控制PC機(jī))里把用戶(hù)的卡號(hào)及個(gè)人信息輸入系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)，并將該卡號(hào)作為合法卡號(hào)下載給所有門(mén)禁機(jī)。當(dāng)有1張M1卡在門(mén)禁機(jī)的有效工作范圍內(nèi)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)向卡發(fā)出命令，卡接收到命令后向門(mén)禁機(jī)反饋其SN。門(mén)禁機(jī)判斷收到的卡號(hào)是否合法，合法則驅(qū)動(dòng)電磁門(mén)鎖開(kāi)門(mén)，并實(shí)時(shí)上傳其開(kāi)門(mén)記錄；如果是非法卡(未經(jīng)授權(quán)或已掛失的卡)則拒絕開(kāi)門(mén)并上傳報(bào)警信息。只有最高授權(quán)者(掌握授權(quán)密碼)才可以發(fā)管理員卡，管理員必須用管理員卡方可登錄發(fā)卡系統(tǒng)進(jìn)行發(fā)卡及下傳合法卡號(hào)、掛失、解掛、下傳黑名單等操作。
    通過(guò)AT89C52對(duì)ZLG500的控制完成對(duì)卡的讀寫(xiě)。系統(tǒng)外圍配有RS232轉(zhuǎn)RS485接口能與PC機(jī)互連成網(wǎng)絡(luò)，可以完成讀卡、顯示卡號(hào)和出入時(shí)間、身份識(shí)別、開(kāi)鎖以及保存和上傳出入記錄、下載黑名單、設(shè)置開(kāi)門(mén)權(quán)限等功能。
    門(mén)禁機(jī)模塊的主控軟件主要完成門(mén)禁機(jī)模塊的初始化、卡的識(shí)別、開(kāi)啟門(mén)鎖及保存有關(guān)數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)傳輸?shù)任宕蠊δ?。其總體工作流程如圖4所示。

2．2 主控模塊
    由圖3可以看出，智能卡門(mén)禁系統(tǒng)中主控模塊主要由MCU(AT89C52)、ZLG500、復(fù)位電路、時(shí)鐘電路、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)接口電路、鍵盤(pán)與顯示接口電路及電鎖等幾部分組成?？梢钥闯鯩CU除了完成對(duì)ZLG500讀寫(xiě)模塊的控制外，還要承擔(dān)其他功能的控制，主要包括4部分：數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)傳輸部分、實(shí)時(shí)時(shí)鐘和掉電保護(hù)部分、鍵盤(pán)和顯示部分、驅(qū)動(dòng)控制部分。
2．2．1 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)傳輸模塊
    各門(mén)禁點(diǎn)的出入記錄可采用實(shí)時(shí)上傳或定時(shí)采集的方式從門(mén)禁機(jī)傳輸給中央數(shù)據(jù)庫(kù)，前者對(duì)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)速度要求較高，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)堵塞時(shí)有丟失數(shù)據(jù)的可能。本系統(tǒng)采用出入記錄暫時(shí)存儲(chǔ)在門(mén)禁機(jī)中，每隔一段時(shí)間(例如每周一次)上傳給中央數(shù)據(jù)庫(kù)的方式。為此要求門(mén)禁機(jī)具備一定容量的存儲(chǔ)器，用于暫存門(mén)禁數(shù)據(jù)以及由中央數(shù)據(jù)庫(kù)下載的授權(quán)卡號(hào)。門(mén)禁機(jī)存儲(chǔ)器的容量取決于一個(gè)門(mén)禁記錄的長(zhǎng)度、系統(tǒng)的卡容量以及定時(shí)上傳周期內(nèi)最大的刷卡次數(shù)等，通常應(yīng)留有一定的余量以免由于超出存儲(chǔ)容量而丟失數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)采用AT24c256作為門(mén)禁機(jī)的存儲(chǔ)器，其存儲(chǔ)容量達(dá)64 KB，劃分成2個(gè)區(qū)：一個(gè)區(qū)用來(lái)存儲(chǔ)所讀取的記錄，另一個(gè)區(qū)用來(lái)存儲(chǔ)上位機(jī)下載的授權(quán)卡號(hào)。門(mén)禁機(jī)存儲(chǔ)器模塊的電路原理如圖5所示。

    AT24C256是Atmel公司的具有I2C總線(xiàn)結(jié)構(gòu)，可電擦寫(xiě)與編程的只讀存儲(chǔ)芯片(EEPROM)。MCU對(duì)AT24C256的讀寫(xiě)必須遵循I2C總線(xiàn)傳輸?shù)臅r(shí)序要求，與AT24C01基本一致，在此不再贅述。
    對(duì)于1個(gè)單一的讀寫(xiě)器來(lái)講，自身的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)是有限的。讀寫(xiě)器外帶的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器主要作為數(shù)據(jù)的臨時(shí)存儲(chǔ)，對(duì)于大量的、需要長(zhǎng)期保存的數(shù)據(jù)，一般是通過(guò)有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)，甚至是網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)傳輸?shù)街骺赜?jì)算機(jī)中進(jìn)行保存。
2．2．2主模塊的軟接口
    下面以主模塊中ZLG500與MCU(AT89C52)的通信為例來(lái)介紹智能卡門(mén)禁系統(tǒng)中主模塊的軟接口。ZLG500初始化的子程序如下：

    上述程序中CONFIG子程序?yàn)镽C500的復(fù)位和配置子程序，是由MCU向ZLG500發(fā)出的不帶數(shù)據(jù)的命令程序；REQUEST子程序是MCU向ZLG500發(fā)出的帶1個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)的命令程序，主要是檢查有效范圍內(nèi)是否有卡存在；ANTICOLL子程序是防沖突操作，必須在執(zhí)行RE—QUEST命令后立即執(zhí)行。
2．2．3 時(shí)鐘控制
    在門(mén)禁系統(tǒng)中，需要實(shí)時(shí)記錄出入數(shù)據(jù)(開(kāi)門(mén)的卡號(hào)及其出現(xiàn)的時(shí)間)。若采用單片機(jī)軟件計(jì)時(shí)，一方面要占用硬件計(jì)數(shù)器資源，另一方面需要設(shè)置中斷、查詢(xún)等，耗費(fèi)單片機(jī)的CPU資源。而在系統(tǒng)中采用芯片DSl302則能很好地解決這個(gè)問(wèn)題。DSl302是美國(guó)Dallas公司推出的高性能、低功耗、帶RAM的實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片，它可以對(duì)年、月、日、周末、時(shí)、分、秒進(jìn)行計(jì)時(shí)，且具有閏年補(bǔ)償功能，工作電壓2．5～5．5 V。圖6所示是實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片DSl302與MCU連接電路原理圖，DSl302采用三線(xiàn)接口與MCU進(jìn)行同步通信，并可采用突發(fā)方式一次傳送多個(gè)字節(jié)的時(shí)鐘信號(hào)或RAM數(shù)據(jù)。

    MCU對(duì)DSl302的讀寫(xiě)控制主要包括DSl302的初始化和讀取DSl302的時(shí)間和日期，初始化過(guò)程就是給DSl302賦予初始的時(shí)間和日期。當(dāng)實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片被啟動(dòng)后，在沒(méi)有接收到新的初始化指令的情況下，其內(nèi)部的時(shí)鐘將一直不停地運(yùn)行，從而保證時(shí)間的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性；MCU在任何時(shí)候都可以通過(guò)讀取DSl302內(nèi)部時(shí)間和日期寄存器中的值而獲得準(zhǔn)確的時(shí)間和日期。關(guān)于實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片的使用可參見(jiàn)參考文獻(xiàn)。

3 與上位機(jī)的通信軟件接口設(shè)計(jì)
    上位機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)采用Visual FoxPro編寫(xiě)。本系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)的通信控件communications進(jìn)行通信程序的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)掛失數(shù)據(jù)的發(fā)送、用戶(hù)卡號(hào)的發(fā)送、發(fā)卡和門(mén)禁模塊數(shù)據(jù)的接收。每次通信時(shí)，首先在上位機(jī)的init事件中初始化通信控件olecontroll，初始化設(shè)置為：

結(jié) 語(yǔ)
    智能卡的應(yīng)用并不是簡(jiǎn)單的讀寫(xiě)卡操作，而是一個(gè)綜合性的工程項(xiàng)目。它不僅包括卡和讀寫(xiě)模塊的選擇，還涉及讀寫(xiě)模塊的控制、數(shù)據(jù)的傳輸、數(shù)據(jù)的處理和存儲(chǔ)；既需要有硬件應(yīng)用的知識(shí)，還必須具有軟件方面的能力。本系統(tǒng)經(jīng)過(guò)實(shí)際應(yīng)用的驗(yàn)證，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，操作簡(jiǎn)單方便，因而具有較好的應(yīng)用前景。