??? 摘 要：介紹了基于智能卡讀寫模塊ZLG500的門禁系統(tǒng)設計的原理與方法，主要分析了該智能卡門禁系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)存儲與傳輸模塊、系統(tǒng)主模塊和系統(tǒng)時鐘模塊的工作原理，同時給出了智能卡讀寫模塊ZLG500與主模塊MCU的硬件接口及部分軟件代碼。本系統(tǒng)經(jīng)過實際運行，具有穩(wěn)定可靠和操作簡便等特點。
??? 關鍵詞：ZLG500；智能卡；門禁系統(tǒng)
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??? 目前智能卡的應用越來越廣泛，如校園一卡通系統(tǒng)、城市公交系統(tǒng)、大型會議簽到系統(tǒng)、消費系統(tǒng)、考勤系統(tǒng)、門禁系統(tǒng)等都使用了智能卡。本文以ZLG500讀寫模塊作為卡與門禁機交換數(shù)據(jù)的接口模塊為例，介紹了ZLG500在智能卡門禁系統(tǒng)中的應用。
1 讀寫模塊ZLG500
1.1 ZLG500與MCU的接口原理
??? ZLG500模塊采用Philips公司最新推出的高集成ISO14443讀卡芯片MF RC500該芯片。該芯片能讀寫RC500內(nèi)EEPROM，提供三線制SPI接口，并具有控制線輸出端口，能與任何MCU連接。ZLG500與MCS51單片機的接口原理圖如圖1所示。ZLG500模塊的EMC性能優(yōu)良，并且自帶無源蜂鳴器信號輸出，還能用軟件控制輸出頻率及輸出持續(xù)時間。
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??? 圖1中，SS、SCLK、SDATA為ZLG500與MCU相連接的控制線，分別為片選線SS、時鐘線SCLK和數(shù)據(jù)線SDATA。主控制器的MCU和讀卡模塊內(nèi)的MCU通過此三線相連。接口空閑時，主機的SS=1、SCLK=0、SDATA=0，而從機的SS=1、SCLK=1、SDATA=0。其中，SS和SDATA都是雙向的，而時鐘線SCLK是單向的，即時鐘只能由主控制器產(chǎn)生，該信號必須嚴格遵守時序規(guī)范，否則將出現(xiàn)通信錯誤，此時讀卡模塊必須釋放該線。
??? 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線為低電平，并在發(fā)送結束后將該線置高電平，接收數(shù)據(jù)方不得控制該線，雙方必須遵守該通信協(xié)議，不得同時控制該線。
??? SDATA為數(shù)據(jù)線，由數(shù)據(jù)發(fā)送端控制數(shù)據(jù)，接收端必須釋放該線。SDATA在一次傳輸開始時還同時作為數(shù)據(jù)接收端的響應信號。
1.2? ZLG500與MCU接口的時序及通信協(xié)議
??? ZLG500與MCU無論數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较蛉绾危琒PI 線上信號的波形總是如圖2所示。由圖中可以看出，在SS為低時，時鐘和數(shù)據(jù)線上的信號才有效；且在SCLK為低時，SDATA才變化，在SCLK為高時，SDATA應保持穩(wěn)定。
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??? 以上傳輸中，從數(shù)據(jù)發(fā)送器請求開始至數(shù)據(jù)接收器響應的時間是不確定的，取決于接收器內(nèi)的MCU是否忙。因此，有必要設置看門狗定時器對數(shù)據(jù)接收器的響應進行監(jiān)視，一旦接收器響應，則MCU必須根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸方向，嚴格控制以下幾個時間，以確保數(shù)據(jù)傳輸無誤。
??? t1：數(shù)據(jù)接收器響應至MCU產(chǎn)生第1個SCLK上升沿的時間。
??? t2：2個字節(jié)傳輸之間SCLK低電平的持續(xù)時間。
??? t3：傳輸最后1個字節(jié)的最后1位的SCLK信號的上升沿至SS上升沿的時間。
??? tH：SCLK信號的高電平持續(xù)時間。
??? tL：SCLK信號的低電平持續(xù)時間。
??? 數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较虿煌瑫r，對時間t1、t2、t3、tH、tL都有各自不同的要求。
??? 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)和響應數(shù)據(jù)發(fā)回給MCU。
??? 開始通信前，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，然后等待ZLG500在SDATA線上的響應，若在50 ms內(nèi)未檢測到此信號，則退出本次傳輸。若正確響應，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)和響應數(shù)據(jù)，即等待SS線上的下降沿信號，若在50 ms內(nèi)未檢測到此信號，則退出本次傳輸；若正確檢測到SS信號，則可以接收狀態(tài)和數(shù)據(jù)。
2? 智能卡門禁系統(tǒng)設計
2.1 智能卡門禁系統(tǒng)的總體結構
??? 系統(tǒng)采用Philips公司的非接觸智能IC卡Mifare 1卡，以M1卡作為用戶卡，以用戶卡的序列號SN(全球唯一)為依據(jù)控制門的開啟。由于它是一個高頻卡(工作頻率為13.5 MHz)，有較強的抗干擾能力且讀寫距離遠(2.5 cm～10 cm)。
??? 整個智能卡門禁系統(tǒng)分為3部分：(1)讀寫器部分，包括MCU、復位電路、時鐘電路、顯示電路、鍵盤、數(shù)據(jù)存儲等主控模塊及非接觸IC卡讀寫模塊和電鎖驅(qū)動部分；(2)中央控制電腦的軟件管理系統(tǒng)模塊；(3)中央控制電腦與讀寫器之間的數(shù)據(jù)傳輸模塊。其總體系統(tǒng)框圖如圖3所示。
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??? 首先,在發(fā)卡系統(tǒng)(中央控制PC機)里把用戶的卡號及個人信息輸入系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，并將該卡號作為合法卡號下載給所有門禁機。當有1張M1卡在門禁機的有效工作范圍內(nèi)時,系統(tǒng)會自動向卡發(fā)出命令,卡接收到命令后向門禁機反饋其SN，門禁機判斷收到的卡號是否合法，合法則驅(qū)動電磁門鎖開門，并實時上傳其開門記錄；如果是非法卡(未經(jīng)授權或已掛失的卡)則拒絕開門并上傳報警信息。只有最高授權者(掌握授權密碼)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)進行發(fā)卡/下傳合法卡號、掛失、解掛、下傳黑名單等操作。
??? 通過AT89C52對ZLG500的控制達到對卡的讀寫。系統(tǒng)外圍配有RS232轉RS485的接口并能與PC機互連成網(wǎng)絡，可以完成讀卡、顯示卡號和出入時間、身份識別、開鎖以及保存和上傳出入記錄、下載黑名單、設置開門權限等功能。
??? 門禁機模塊的主控軟件主要完成門禁機模塊的初始化、卡的識別、開啟門鎖及保存有關數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)的傳輸?shù)?大功能。其總體工作流程如圖4所示。
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2.2 主控模塊
??? 如圖3所示，智能卡門禁系統(tǒng)中主控模塊主要由MCU(AT89C52)、ZLG500、復位電路、時鐘電路、數(shù)據(jù)存儲接口電路、鍵盤與顯示接口電路及電鎖等幾個部分組成。MCU除了完成對ZLG500讀寫模塊的控制外，還要承擔其他功能的控制，主要包括4大部分：數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)傳輸、實時時鐘和掉電保護、鍵盤和顯示、驅(qū)動控制。
2.2.1 數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)傳輸模塊
??? 各門禁點的出入記錄可采用實時上傳或定時采集的方式從門禁機傳輸給中央數(shù)據(jù)庫，前者對系統(tǒng)網(wǎng)絡速度要求較高，當網(wǎng)絡堵塞時有丟失數(shù)據(jù)的可能。本系統(tǒng)采用了出入記錄暫時存儲在門禁機中、每隔一段時間(例如每周1次)上傳給中央數(shù)據(jù)庫的方式，為此要求門禁機具備一定容量的存儲器，用于暫存門禁數(shù)據(jù)以及由中央數(shù)據(jù)庫下載的授權卡號。門禁機存儲器的容量取決于一個門禁記錄的長度、系統(tǒng)的卡容量以及定時上傳周期內(nèi)最大的刷卡次數(shù)等，通常應留有一定的余量以免由于超出存儲容量而丟失數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)采用了AT24C256作為門禁機的存儲器，其存儲容量達64 KB，劃分成2個區(qū)，一個區(qū)用來存儲所讀取的記錄，另一個區(qū)用來存儲上位機下載的授權卡號。門禁機存儲器模塊的電路原理圖如圖5所示。
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??? AT24C256是ATMEL公司具有I2C總線結構、可電擦寫與編程的只讀存儲芯片(EEPROM)，MCU對AT24C256的讀寫必須遵循I2C總線傳輸?shù)臅r序要求，且向AT24C256寫入和讀出數(shù)據(jù)的時序和格式要求與AT24C01基本一致。
??? 單一的讀寫器，自身的數(shù)據(jù)存儲是有限的，讀寫器外帶的數(shù)據(jù)存儲器主要作為數(shù)據(jù)的臨時存儲，對于大量的、需要長期保存的數(shù)據(jù)，一般是通過有線或無線、甚至網(wǎng)絡系統(tǒng)傳輸?shù)街骺赜嬎銠C中進行保存。
2.2.2 主模塊的軟接口
??? 以主模塊中ZLG500與MCU(AT89C52)通信為例介紹智能卡門禁系統(tǒng)中主模塊的軟接口。ZLG500初始化的子程序如下：
??? SCLK? BIT? P1.0
??? SDATA? BIT? P1.1
??? SS? BIT? P1.2
??? RST? BIT? P3.3
??? Zlg500:?? SETB??? RST?????????? ; ZLG500內(nèi)部復位
??????????????LCALL? DELAY_50MS
??????? ???? ?CLR? RST
??????? ????? LCALL? DELAY_50MS
???????????? ?SETB? SS???????????? ; 處于空閑狀態(tài)
??????????? ??CLR? SDATA
??????????? ??CLR? SCLK
??????????????MOV 58H,#11H
??? ??????? ??MOV 59H,#11H
??? ??????? ??MOV 5AH,#11H
??? ??????? ??MOV 5BH,#11H
??? ??????? ??LCALL? CONFIG?????? ; 配置
??? ??????? ??LCALL? REQUEST????? ; 發(fā)送請求
??? ??????? ??LCALL? ANTICOLL???? ; 防碰撞
??? ；***********? IF HAVE CARD ***********
???? ?????? ??MOV A,52H
??? ??????? ??CJNE? A,#04H,SA123?? ; A=04 IS NO CARD
??? ??????? ??LJMP? SA234
??? SA123:????RET
??? SA234:????LCALL? ?READ_BLOCK?? ; 從存儲器中讀取數(shù)據(jù)
??????? ????? LCALL? DELAY_100MS
??? ??????? ??MOV?? ?R2,#20
??? ??????? ??MOV?? ?R0,#58H
??? ??????? ??MOV?? ?R1,#80H
??? ??????? ??LCALL? COMPARE?????? ;進行卡號的比較和驗證
??? REL13:??? SETB? FLAG
??????????????LCALL? REL123
??????????? ??JB? FLAG,REL13
??????????? ??RET
??? 上述程序中CONFIG子程序為RC500的復位和配置子程序，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)出的帶一個字節(jié)數(shù)據(jù)的命令程序，主要是檢查在有效范圍內(nèi)是否有卡存在；ANTICOLL子程序是防沖突操作，必須在執(zhí)行了REQUEST命令后立即執(zhí)行。
2.2.3 時鐘控制
??? 在門禁系統(tǒng)中，需要實時記錄出入數(shù)據(jù)(開門的卡號及其出現(xiàn)的時間)。若采用單片機軟件計時，一方面需要占用硬件計數(shù)器資源，另一方面需要設置中斷、查詢等，耗費單片機的CPU資源。而在系統(tǒng)中采用芯片DS1302則能很好地解決這個問題。DS1302是美國DALLAS公司推出的一種高性能、低功耗、帶RAM的實時時鐘芯片，它可以對年、月、日、星期、時、分、秒進行計時，且具有閏年補償功能，工作電壓為2.5 ～5.5 V。圖6所示是實時時鐘芯片DS1302與MCU連接電路原理圖。DS1302采用三線接口與MCU進行同步通信，并可采用突發(fā)方式1次傳送多個字節(jié)的時鐘信號或RAM數(shù)據(jù)。
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??? MCU對DS1302的讀寫控制主要包括DS1302的初始化和讀取DS1302的時間和日期，初始化過程就是給DS1302賦予初始的時間和日期。當實時時鐘芯片被啟動后，在沒有接收到新的初始化指令情況下，使內(nèi)部的時鐘將一直不停地運行，從而保證時間的實時性和準確性；MCU在任何時候都可以通過讀取DS1302內(nèi)部時間和日期寄存器中的值而獲得準確的時間和日期。關于實時時鐘芯片的使用可參見參考文獻[2]。
3? 與上位機的通信軟件接口設計
??? 上位機數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)采用Visual FoxPro編寫。本系統(tǒng)采用標準的通信控件communications進行通信程序的設計，實現(xiàn)掛失數(shù)據(jù)的發(fā)送、用戶卡號的發(fā)送、發(fā)卡和門禁模塊數(shù)據(jù)的接收。每次通信時，首先在上位機的init事件中初始化通信控件olecontrol1,初始化設置為：
??? thisform.olecontrol1.CommPort=1? //選擇串行口com1
??? thisform.olecontrol1.PortOpen=1? //打開串行口com1
??? thisform.olecontrol1.InputMode=0? //接收的數(shù)據(jù)按文本方式
??? thisform.olecontrol1.RTSEnable=1? //允許使用rts線，用于RS-232/485轉換器的發(fā)送控制和供電
??? thisform.olecontrol1.InputLen=1? //每次讀取接收緩沖區(qū)的1個字符
??? thisform.olecontrol1.OutbufferCount=0? //清除發(fā)送緩沖區(qū)
??? thisform.olecontrol1.InbufferCount=0? //清除接收緩沖區(qū)
??? 智能卡的應用并不是簡單的讀寫卡操作，而是一個綜合性的工程項目。它不僅包括卡和讀寫模塊的選擇，還涉及到讀寫模塊的控制、數(shù)據(jù)的傳輸、數(shù)據(jù)的處理和存儲；既需要有硬件應用的知識、還必須具有軟件方面的能力。本系統(tǒng)經(jīng)過實際應用的驗證，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，操作簡單方便，因而具有較好的應用前景。
參考文獻
[1]? 廣州周立功單片機發(fā)展有限公司.ZLG500C Mifare卡讀寫模塊應用. http://www.zlgmcu.com.2008-09.
[2]? 洪家平.DS1307及在太陽能電池控制裝置中的應用[J].湖北師范學院學報，2007(3).
[3]? 高美珍.AT88RF020型射頻識別卡及其應用[J].國外電子元器件，2006(2).
[4]? 林凌,李剛,丁茹,等.新型單片機接口器件與技術[M].西安:西安電子科技大學出版社,2005.