基于AT89C52單片機(jī)和ZLG500s讀寫模塊實現(xiàn)智能卡門禁系統(tǒng)的設(shè)計

現(xiàn)在智能卡的應(yīng)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)、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(jī)交換數(shù)據(jù)的接口模塊，介紹了ZLG500在智能卡門禁系統(tǒng)中的應(yīng)用。

1 讀寫模塊ZLG500簡介

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(jī)的接口原理圖如圖1所示。此外該模塊的EMC性能優(yōu)良，并且自帶無源蜂鳴器信號輸出，能用軟件控制其輸出頻率及輸出持續(xù)時間。

圖中SCLK、SDATA、SS為ZLG500與MCU相連接的控制線，分別為時鐘線、數(shù)據(jù)線和片選。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(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(yán)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(jié)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。該線在一次傳輸開始時還同時作為數(shù)據(jù)接收端的響應(yīng)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?，SPI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；在 SCLK為低時SDATA變化，在SCLK為高時SDATA應(yīng)保持穩(wěn)定。

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(yīng)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(shè)置看門狗定時器對數(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)格控制以下幾個時間，以確保數(shù)據(jù)傳輸無誤。

t1：數(shù)據(jù)接收器響應(yīng)至MCU產(chǎn)生第一個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。

在數(shù)據(jù)傳輸方向不同時，對時間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(yīng)，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(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(shè)計

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卡作為用戶卡，以其全球唯一的序列號SN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，因而具有較強(qiáng)的抗干擾能力且讀寫距離遠(yuǎn)（2．5～10 cm）。

整個智能卡門禁系統(tǒng)分為三大部分：其一是讀寫器部分，包括MCU、復(fù)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；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器之間的數(shù)據(jù)傳輸模塊。總體系統(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(jī)。當(dāng)有1張M1卡在門禁機(jī)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(jī)反饋其SN。門禁機(jī)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(quán)或已掛失的卡）則拒絕開門并上傳報警信息。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、掛失、解掛、下傳黑名單等操作。

通過AT89C52對ZLG500的控制完成對卡的讀寫。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(shè)置開門權(quán)限等功能。

門禁機(jī)模塊的主控軟件主要完成門禁機(jī)模塊的初始化、卡的識別、開啟門鎖及保存有關(guān)數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)傳輸?shù)任宕蠊δ堋Ｆ淇傮w工作流程如圖4所示。

2．2 主控模塊

由圖3可以看出，智能卡門禁系統(tǒng)中主控模塊主要由MCU（AT89C52）、ZLG500、復(fù)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部分組成?？梢钥闯鯩CU除了完成對ZLG500讀寫模塊的控制外，還要承擔(dān)其他功能的控制，主要包括4部分：數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)傳輸部分、實時時鐘和掉電保護(hù)部分、鍵盤和顯示部分、驅(qū)動控制部分。

2．2．1 數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)傳輸模塊

各門禁點(diǎn)的出入記錄可采用實時上傳或定時采集的方式從門禁機(jī)傳輸給中央數(shù)據(jù)庫，前者對系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)速度要求較高，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)堵塞時有丟失數(shù)據(jù)的可能。本系統(tǒng)采用出入記錄暫時存儲在門禁機(jī)中，每隔一段時間（例如每周一次）上傳給中央數(shù)據(jù)庫的方式。為此要求門禁機(jī)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(quán)卡號。門禁機(jī)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(yīng)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AT24c256作為門禁機(jī)的存儲器，其存儲容量達(dá)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(jī)下載的授權(quán)卡號。門禁機(jī)存儲器模塊的電路原理如圖5所示。

AT24C256是Atmel公司的具有I2C總線結(jié)構(gòu)，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，與AT24C01基本一致，在此不再贅述。

對于1個單一的讀寫器來講，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，甚至是網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)傳輸?shù)街骺赜嬎銠C(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：

上述程序中CONFIG子程序為RC500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(jī)軟件計時，一方面要占用硬件計數(shù)器資源，另一方面需要設(shè)置中斷、查詢等，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問題。DSl302是美國Dallas公司推出的高性能、低功耗、帶RAM的實時時鐘芯片，它可以對年、月、日、周末、時、分、秒進(jìn)行計時，且具有閏年補(bǔ)償功能，工作電壓2．5～5．5 V。圖6所示是實時時鐘芯片DSl302與MCU連接電路原理圖，DSl302采用三線接口與MCU進(jìn)行同步通信，并可采用突發(fā)方式一次傳送多個字節(jié)的時鐘信號或RAM數(shù)據(jù)。

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

3 與上位機(jī)的通信軟件接口設(shè)計

上位機(jī)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)采用Visual FoxPro編寫。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，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(jī)的init事件中初始化通信控件olecontroll，初始化設(shè)置為：

結(jié)語

智能卡的應(yīng)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(yīng)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(yīng)用的驗證，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，操作簡單方便，因而具有較好的應(yīng)用前景。

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