非接触式ic卡门禁控制系统的设计论文(编辑修改稿)

非接触式ic卡门禁控制系统的设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

数据读写和存储，它是由控制单元、高频通讯模块和天线组成。 而 RFID卡则是一种无源的应答器，主要是 由一块集成电路 IC芯片及其外接天线组成 ，其中 RFID卡芯片通常集成有射频前端、逻辑北京化工大学北方学院毕业设计（论文） 7 控制、存储器等电路，有的甚至将天线一起集成在同一芯片上。 读 写 器计 算 机射 频 前 端逻 辑 控 制存 储 器应 答 器 图 射频识别系统原理图 RFID 应用系统的基本工作原理是 RFID 卡进入读写器的射频场后，由其天线获得的感应电流经升压电路作为芯片的电源，同时将带信息的感应电流通过射频前端电路检得数字信号送入逻辑控制电路进行信息处理，所需回复的信息则从存储器中获取经由逻辑控制电路送回射频前端电路，最后通过天线发回给读写器。 可见， RFID 卡与读写器实现数据通讯过程中起关键的作用是天线。 一方面，无源的 RFID 卡芯片要启动电路工作需要通过天线在读写器天线产生的电磁场中获得足够的能量；另一方面，天线决定了 RFID 卡与读写器之间的通讯信道和通讯方式。 目 前 RFID 已经得到了广泛应用，且有国际标准： ISO1053 ISO1444 ISO1569ISO18000等几种。 这些标准除规定了通讯数据帧协议外， 还着重对工作距离、频率、耦合方式等与天线物理特性相关的技术规格进行了规范。 RFID 应用系统的标准制定 决定了 RFID 天线的选择 ， 下面将分别介绍已广泛应用的各种类型的 RFID 天线及其性能 [5]。 射频识别系统的典型结构见图 ，主要是由两部份组成：读写器和射频卡。 读写器同射频卡之间 通过无线方式通讯，因此它们都有无线收发模块及天线（或感应线圈）。 射频卡中有存储器，内存容量为几个比特到几十千比特。 可以存储永久性数据和非永久性数据。 永久性数据可以是射频卡序列号，它是用来作为射频卡的唯一身份标识不能更改。 非永久性数据写在 E2PROM等可重写的存储器内 用以存储用户数据 ，射频 卡可以根据读写器发出的指令对这些数据进行相应的实时读写操作。 控制模块完成北京化工大学北方学院毕业设计（论文） 8 接收、译码及执行读写器的命令，控制读写 数据，负责数据安全等功能。 射频卡分无源卡和有源卡两种，有源卡内置天线和电池，而无源卡只有内置天线没有电池，其能量由读写器提供，由于无源卡无需电池因此其尺寸较小且使用寿命长，应用越来越广泛。 读写器内的控制模块往往具有很强的处理功能，除了完成控制射频卡工作的任务，还要实现相互认证、数据加解密、数据纠错、出错报警及与计算机通信等功能。 计算机的功能是向读写器发送指令，并与读写器之间进行数据交换。 收 发 模 块天 线天 线控 制 模 块接 口 模 块计 算 机存 储 器控 制 模 块收 发 模 块数 据能 量射 频 卡读 写 器 图 RFID 系统典型结构 图 RFID系统的工作过程，这是一个无源系统，即射频卡内不含电池，射频卡工作的能量是由射频读写模块发出的射频脉冲提供。 射频读写模块在一个区域内发射能量形成电磁场，区域大小取决于发射功率、工作频率和天线尺寸。 射频卡进入这个区域时，接收到射频读写模块的射频脉冲，经过桥式整流后给电容充电。 电容电压经过稳压后作为工作电压。 数据解调部分从接收到的射频脉冲中解调出命令和数据并送到逻辑控制部分。 逻辑控制部分接收指令完成存储、发送数据或其它操作。 如果需要发送数据，则将数据调制然后从收发模块发送出去。 读写模块接收到返回的数据后 ，解码并进行错误校验来决定数据的有效性，然后北京化工大学北方学院毕业设计（论文） 9 进行处理，必要时可以通过 RS232 或 RS422 或 RS485 或 RJ45 或无线接口将数据传送到计算机。 读写器发送的射频信号除提供能量外，通常还提供时钟信号，使数据同步，从而简化了系统的设计。 有源系统的工作原理与此大致相同，不同处只是卡的工作电源由电池提供的 [6][7]。 控制逻辑E E P R O M数 据解 调数 据解 调稳 压读 写模 块控 制模 块数 据 管 理 读 写 器 射 频 卡V c c串 行 接 口 图 射频识别系统原理图 第 节 介绍 I2C 总线规范 I2C（ Inter－ Integrated Circuit） 总线是一种由 PHILIPS 公司开发的两线式串行总线，用于连接微控制器及其外围设备。 I2C 总线产生于八十年代，最初为音频和视频设备开发，如今主要在服务器管理中使用。 可随时监控内存、硬盘、网络、系统温度等多个参数，增加了系统的安全性，方便了管理。 对于面向 8位的数字控制应用，譬如那些要求用微控制器的，要建立一些设计标准 ：一 个整体的系统通常由至少一个微控制器和其他外围器件例如存储器和 I/O 扩展器组成；系统中不同器件的连接成本必须最小；执行控制功能的系统不要求高速的数据传输；总的效益由选择的器件和互连总线结构的种类决定。 产生一个满足这些标准的系统需要一个串行的总线结构，尽管串行总线没有并行总线的数据吞吐能力，但它们只要很少的配置和 IC 连接管脚。 然而，总线不仅仅是北京化工大学北方学院毕业设计（论文） 10 互连的线，还包含系统通讯的所有格式和过程。 串行总线的器件间通讯必须有某种形式的协议避免所有混乱、数据丢失和妨碍信息的可能性。 快速器件必须可以和慢速器件通讯。 系统必须不能基于所连接的器件，否则不可能进行修改或改造。 应当设计一个过程决定哪些器件何时可以控制总线。 而且，如果不同时钟速度的器件连接到总线，必须定义总线的时钟源。 所有这些标准都在 I2C总线的规范中。 I2C 总线支持任何 IC生产过程（ NMOS、 CMOS、 双极性）。 两线 串行数据（ SDA）和串行时钟（ SCL）线在连接到总线的器件间传递信息。 每个器件都有一个唯一的地址识别（无论是微控制器、 LCD 驱动器、存储器或键盘接口），而且都可以作为一个发送器（由器件的功能决定）。 很明显， LCD 驱动器只是一个接收器，而存储器则既可以接收又可以发送数据。 除了发送器和接收器外，器件在执行数据传输时也可以看作是主机或从机。 主 机是初始化总线的数据并产生允许传输的时钟信号的器件。 此时，任何被寻址的器件都被认为是从机。 I2C 总线是一 个多主机的总线。 这就是说可以连接多于一个能控制总线的器件到总线。 在 I2C 总线上产生时钟信号通常是主机器件的责任：当在总线上传输数据时，每个主机产生自己的时钟信号。 主机发出的总线时钟信号只有在以下情况才能改变：慢速的从机器件控制时钟线并延长时钟信号，或者在发生仲裁时被另一个主机改变。 第 节 非接触式 IC 卡的选择与介绍 射频卡或感应卡就是非接触式 IC 卡，它成功地将射频识别技术结合起来，解决了无源和免接触这一难题，是电子器件领域的一大突破。 非接触卡内含有唯一的独立的卡号，使用时 在读卡器有效读区内将卡片轻晃一 下，便将卡内信息输入读器内，实现考勤、收费管理等功能。 卡片由一个元件、 AISC 和封套组成，没有其他的外部器件，卡片中的天线是只有线圈，很适合封状到 ISO 卡片中。 ASIC 由一个高速（ 106KB 波特率）的接口，一个控制单元和一个 EEPROM 组成。 读卡器向 IC发一组固定频率的电磁波，卡内有一个 IC串联谐振电路，其频率与北京化工大学北方学院毕业设计（论文） 11 读写器的频率相同，这样便产生电磁共振，从而使电容内有了电荷，在电容的另一端接有一个单向通的电子泵，将电容内的电荷送到另一个电容内储存，当储存积累的电荷达到 2V 时， 此电源可作电源为其他电路提供工作电压，将卡内数据发射出去或接收读写器的数据。 非接触式 IC卡又称射频卡，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。 （ 1） 非接触性 IC 卡与读卡器之间通过无线电波来完成读写操作。 二者之间的通讯频为。 非接触性 IC 卡本身是无源卡，当读写器对卡进行读写操作是，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，与本身的 L/C 产生一个瞬间能量来供给芯片工作。 另一部分则是指令和数据信号，指挥芯片完成数据的读取、修改、储存等，并返回信号给读写器 ， 完成一次读写操作。 读写器则一般由单片机，专用智能模块和天线组成，并配有与 PC 的通讯接口，打印口， I/O 口等，以便应用于不同的领域。 （ 2） 非接触性智能卡内部分区 非接触性智能卡内部分为两部分 ： 系统区 （ CDF）、 用户区 （ ADF） 系统区 ： 由卡片制造商和系统开发商及发卡机构使用。 用户区 ： 用于存放持卡人的有关数据信息。 （ 3） 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，既可完成操作，这大大提高了每次使用的速度。 北京化工大学北方学院毕业设计（论文） 12 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。 北京化工大学北方学院毕业设计（论文） 13 第３ 章 门禁系统的硬件选择与设计 第 节 门禁系统方案设计 门禁控制系统是许多设备的组合，一般有以下部分组成 ： 入口硬件设备、控制器、许可证、上位机管理系统。 本课题采用非接触式 IC卡作为许可证。 门禁系统作为一项先进的高科技技术防范手段，在早期，一些经济发达的国家就已经应用于科研、工业、博物馆、酒馆、商场、医疗监护、银行、监狱等，特别是由于系统本身具有隐蔽性、及时性等特点，在许多领域的应用越来越广泛。 门禁系统既要处于技术的尖端，具有智能性、高可靠性、实时性，又要能符合实际需要。 本设计为面向实验室管理的小型门禁系统。 （ 1） 系统的实用性 门禁系统的内容应符合实际要求 ， 不能华而不实。 如果片面追求系统的超前性，势必造成投资过大，离实际需求偏离太远。 （ 2） 系统的实时性 如果门禁系统中任何一个关键系统出现错误或停机将直接影响到整个系统的运作情况，因此，门禁系统各子系统应尽可能属于 Nonstop（不停机）系统，以保证工作正常运行。 （ 3） 系统的完整性 一个完整的门禁系统是建筑整体形象的重要标志。 功能完善，设备齐全，管理方便是设计应考虑的一个因素。 （ 4） 系统的安全性 门禁系统中的所有设备及配件在性能安全可靠运转的同时，还应符合中国 或国际有关的安 全标准，并可在非理想环境下有效工作。 另外，系统安全性还应 体现在信息传输及使用过程中不易被劫取等方面。 （ 5） 系统的可扩展性 北京化工大学北方学院毕业设计（论文） 14 门禁系统的技术不断向前发展，用户需求也在发生变化，因此门禁系统的设 计与实施 应考虑到将来可扩展的实际需要，即：可灵活增减或更。