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1、门禁系统设计摘 要本论文介绍了一种基于非接触式IC卡的门禁管理系统的应用，非接触式IC卡是IC卡领域的一项新兴技术，它是射频识别技术和IC卡技术相结合的产物。射频识别（Radio Frequency Identification,简称RFID）技术1是最近几年发展起来的一门新的自动识别技术。它利用射频方式在非接触式IC卡和读卡器之间进行双向通信，完成目标识别和数据交换，而卡上电路的工作电源由读卡器发出的电磁波能量提供。由于非接触式IC卡具有操作快捷、防碰撞能力强、工作距离远、安全性高、便于“一卡多用”等特点，在身份识别、自动收费和电子钱包等领域具有接触式IC卡所无法比拟的优越性，具有广阔的市场
2、前景。非接触式IC卡读卡器是非接触式IC卡应用系统的关键设备之一,本课题中应用的读卡器是一种读写距离为100mm的非接触式IC卡读卡器。随着射频识别技术的推广，Mifare卡已经广泛应用于公共交通终端、手持终端，板上单元、非接触式PC终端等各个非接触式通信场合。非接触式智能卡读写器系统是射频技术中的一个重要组成部分，可完成指令分析、数据采集等诸多功能。读卡器的实现原理如下：由读写器向Mifare1卡，也就是向射频卡发射特定频率的无线电磁波，当射频卡靠近读写器时，受读写器发射的电磁波激励，卡片内的LC谐振电路产生共振并且接收电磁波能量，当射频卡接收到足够的能量时，就将卡内存储的识别资料以及其他数
3、据以无线电波方式传输到读写器并且接受读写器对卡内数据的进一步操作2。论文从门禁技术的发展出发，首先介绍了非接触式IC卡的特点、种类、组成以及国际标准，然后介绍了非接触式IC卡门禁系统所涉及的技术，在此基础上，论文又详细地阐述了非接触式IC卡读卡器的硬件和软件设计，读卡器的硬件设计包括蜂鸣器驱动电路、RS232通信电路、MF RC500接口电路和读卡器天线电路；软件设计包括MF RC500的应用程序的设计、读卡器其他电路的应用设计和主程序设计三个部分。关键词 非接触式IC卡/射频识别技术/读卡器/串口通信 GATE CONTROL SYSTEMABSTRACTThis article intro
4、duces a kind of entrance guard system this is based on Radio Frequency Identification cards.Contactless IC Card is one kind of new techology and IC card technology. Radio Frequency Identification technology is a new technology of autoidentification in recent years.Wireless and bidirection communicat
5、ion between reader and contactless card is their communication mode to identificate the goal and to swap data by radio frequency identificationThe power of IC card circuit is supplied by the power of electromagnetic wave from reade.Because contactless IC card has some advantages over common IC card
6、such as its high working speed、good anticollsion quality and long working distance,there will be a good prospect for it in many fields,such as automatic pricing、identity distinguishing、electric wallet and so on.The contactless card reader is one of the key devices of a contactless IC card and system
7、. We develop one kind of contactless IC card reader,which is onepart of a project and has about 100mm working distance.As RFID technology promotion, Mifare card has been used widely in public transport terminals, hand-held terminals, plate unit, contactless PC terminal etc. Each contactless communic
8、ation occasions. Non-contact smart card inverter system is rf technology reading an important constituent, can complete instructions analysis, data acquisition, and many other functions. Reader in principle is as follows: Mifare1 card by literacy ware to rf card, namely certain frequencies to launch
9、 the wireless electromagnetic wave, when the radio frequency card when reading device, near the electromagnetic wave by reading and writing implement launch within the incentives, CARDS and resonate LC resonant circuit receive electromagnetic energy, when rf card to receive enough energy, will be st
10、ored inside card identification of information and other data to radio waves mode to reading and writing implement and accept to read the data inside card for further operation2 .One the basis of the development of entranceguard system,at first this paper generally introduce contactless IC card,incl
11、uding its feature、type、composing and international standard.Then it introduces then technology of Entrance Guard System.Based on these,the paper discusses the design of the contactless IC card reader in detail,including the circuit design and software design.The redders circuit is made up of buzzer
12、drive circuit,RS232 communication circuit,MF RC500 interface circuit and antenna circuit.The software design includes programming of main program.KEY WORDS Contactless IC card，Radio Frequency Identification，reader device，Serial communication；microcontroller of 51目 录1 引言71.1本课题的提出背景-7 -1.2 本课题的研究意义-7
13、-1.3 国内外研究现状- 8 -2 设计总体研究和涉及的主要技术- 8 -2.1 非接触式IC卡门禁系统组成- 8 -2.1.1 读卡器- 9 -2.1.2 非接触式IC卡- 10 -2.2 非接触式IC卡门禁系统涉及的主要技术- 15 -2.2.1 自动识别技术- 16 -2.2.2 密码技术- 17 -3 非接触式IC卡读卡器的硬件设计- 18 -3.1 非接触式IC卡读卡器整体模块- 18 -3.2 非接触式IC卡读卡器主控模块设计- 18 -3.3 非接触式IC卡读卡器通信模块设计- 19 -3.4 非接触式IC卡读卡器天线设计- 20 -3.5 非接触式IC卡读卡器报警模块的设计-
14、 22 -3.6 非接触式IC卡读卡器射频模块接口电路设计- 23 -4 非接触式IC智能卡应用的软件设计- 26 -4.1 MFRC500底层驱动程序- 26 -4.2 单片机控制双方通信程序简述294.3 设计结果概述345 总结与改进355.1 论文总结355.2 改进与提高35致 谢37参 考 文 献38附录A391 引言1.1 本课题的提出背景在IC卡应用日益广泛的今天，IC卡门禁系统以其管理的安全、可靠、高效、灵活和方便逐步取代了其他现有各类门锁成为目前门禁系统的主流方式。门禁安全管理系统是一种新型智能化的安全管理系统，它集自动识别技术金额现代安全管理措施为一体，涉及电子、机械、光
15、学、计算机技术和通讯技术等诸多方面，它是解决重要部门出入口便捷控制和实现安全防范管理的有效措施，适用各种机要部门，如银行、宾馆、机房、办公大楼、智能化小区、工厂、军械库、机要室等。在数字技术和网络技术飞速发展的今天，门禁系统也得到了迅猛发展，门禁系统已由早期单纯的门道及钥匙管理，发展为一套完整的出入管理系统，并且通过采用先进的网络技术，使整套系统的操作和自身资源的使用不再受时间和地域的限制。非接触式IC卡门禁管理系统读卡器是以非接触式IC卡射频识别技术为核心，使用户使用方便和管理方便为目的，具有高安全性、高可靠性的管理系统。当要开门时，只要将IC卡在读卡器前一划。读卡器就会识别出该卡是否对应此
16、门，当密码正确则打开门。由于传统的门锁都是由钥匙进行开门，但是往往由于我们的不小心，就会把钥匙丢了，或者是钥匙被人复制的情况也时有发生，这样就造成了室内的不安全，基于这种隐患，我提出了这种新型的门锁管理方式，卡片不易被复制，既方便又安全。1.2 本课题的研究意义我国对IC卡行业的发展始于1993年左右，当时的中央领导高度重视IC卡行业，高瞻远瞩，指示要发展我国自己的IC卡事业，建立“金卡工程”，至今已取得了不小的成就，已研制成功我国自主版权的较大容量的存储卡，逻辑加密卡等，但是对于尖端的CPU卡及非接触式IC智能卡的制卡技术及其相应的读/写卡设备技术，仍处于落后状态，这极大地制约了IC卡行业的
17、发展，特别是在要求有极高安全性和保密性的金融行业中，制约了我国金卡工程的实施和发展。为了加快IC卡行业的发展，特别是尖端的CPU卡及非接触式IC智能射频卡的推广应用。让IC卡行业及其他行业的同行尽快掌握CPU卡及非接触式IC智能射频卡的核心技术及其读写设备的软硬件技术及应用技术，跟上国外的IC卡研究和应用步伐，甚至走在其前面，我国不少科研院所参与到射频读写卡设备研制的工作中来。本人在利用非接触式射频卡进行系统集成的工作上作了一点有意义的探索，成功实现对射频卡的读、写等操作，完成了系统分析、设计、调试和运行的各阶段的工作。1.3 国内外研究现状门禁系统是随着自动识别技术的发展而迅速发展的，国外门
18、禁系统的知识品牌有美国的休斯（HID）、西屋（WSE）、洛泰克（NTK），以色列的DDS、英国的集宝等品牌。国内从事门禁系统有捷顺、北京青云等公司。目前，国内外研制和使用的门禁系统主要集中在感应门禁系统和生物识别门禁系统。在生物识别门禁系统中又以指纹门禁系统应用最为广泛。随着计算机图像处理和模式识别理论以及大规模集成电路技术的不断发展与成熟，指纹自动识别系统的体积不断缩小，其价格也不断降低。据国际生物认证团（IBG）的预测：美国生物认证市场2002年突破7亿美元，其中指纹识别占近50%，虹膜识别占8%。美国生物认证市场到2005年将达到19亿美元，指纹识别占近40%，虹膜识别占10%左右。美国
19、生物谁市场在未来几年中仍将会保持高速增长的趋势，纵观门禁市场发展，据预计未来13年中国门禁市场的平均增长比例将达到20以上。2 设计总体研究和涉及的主要技术2.1 非接触式IC卡门禁系统组成非接触式IC卡门禁系统由非接触式IC卡、读卡器和PC管理机组成，此外还包括外部门禁设备。基本框图如图2. 1所示：RS232通信接口电源蜂鸣器驱动微控制器天线耦合电路Mifare读卡芯片天线图2.1 系统基本组成框图读卡器：是门禁系统的主要设备，直接与PC机通过RS一232串行口相连，只要有非接触式Ic卡进入读卡器天线射频能量范围，读卡器便通过射频信号与Ic卡通信，认证密码，读取卡中的数据，并将其存入计算机
20、中。非接触式IC卡：相当于开门钥匙，它是通过磁力线圈产生感应电流向读卡器发射卡内信息，完成读卡工作的。PC管理机：门禁系统有不同的构成方案，一种是读卡器不带存储器，PC机直接与读卡器相连，读卡信息实时地传送给PC机。另一种是读卡器独立工作，内部用较大的存储器存放读卡数据，采用采集器采集读卡器中的数据，再传送到PC管理机上。在本设计中采用的是第二种方案。门禁设备：门禁设备由读卡器中单片机的IO口根据刷卡情况发出控制信号控制，密码认证通过开门，否则不开门。在读卡器上用喇叭来仿真。2.1.1 读卡器门禁系统的关键部件是读卡器，它由微处理器、外围扩展器件、读写芯片、射频天线、串行通信接口等几部分组成。
21、接上串行口和+5V电源之后不仅可以读卡而且可以与计算机进行通信。该读卡器是针对Philips公司Mifare产品设计的，能够读写Mifare系列的非接触式IC卡。非接触式IC卡读卡器技术指标3如下：读写卡片类型：Mifare；天线可操作距离：天线的可操作距离为510cm；卡片存储容量：卡存储EEPROM大小为lK字节；射频输出：通过功率匹配将天线线圈直接连接到功率输出级；供电电压：5V士10(小于100mA)；接口：标准RS232(读卡器)。2.1.2 非接触式IC卡非接触式IC卡标准和分类目前生产RFID产品的很多公司都采用自己的标准，国际上还没有统一的标准。目前，可供射频卡使用的几种标准有
22、Is010536、Is014443、Isol5693和Isol8000。应用最多的是Is叫4443和Is015693，这两个标准都由物理特性、射频功率和信号接口、初始化和反碰撞以及传输协议四部分组成4，本设计中采用ISO14443A标准。IC卡可以根据卡中所镶嵌的集成电路的不同可以分成三类。存储器卡：卡中的集成电路有EEPROM；逻辑加密卡：卡中的集成电路具有加密逻辑和EEPROM：CPU卡：卡中的集成电路包括中央处理器CPU、EEPROM、RAM以及固化在ROM中的片内操作系统COS(chipoperatingsystem)。按照应用领域来分，IC卡分为金融卡和非金融卡，金融卡又有信用卡和现
23、金卡等。按照卡与外界数据传送的方式来分，IC卡分为接触式IC卡和非接触式IC卡，当前广泛使用的是接触式IC卡，但是非接触式IC卡是将来IC卡发展的方向。还有一种双界面IC卡，其既可以接触式使用也可以非接触式使用，是未来IC卡发展的方向之一。非接触式IC 卡的特点非接触式IC卡无机械触点，通过无线方式与读写设备进行通讯，与接触式Ic卡相比具有以下特点：操作快捷：卡与读卡器之间为无线通讯，使用时无需插拔卡及固定方向。大大提高了使用速度。同时，由于卡与读卡器进行通讯时的载波频率较高，卡内芯片可以工作在较高的系统时钟下，使二者的通信速率很高。高抗干扰性：非接触式IC卡具有防冲突机制，在多张卡片同时进入
24、读卡器工作范围时能够防止卡片之间出现数据干扰，允许多张卡片同时操作。高可靠性：非接触式IC卡与读卡器之间无机械接触，避免了由于接触而产生的各种故障，同时无需担心由于触点损坏或脱落而导致卡片失效，提高了应用的可靠性及设备和卡的寿命。而且由于无线电波不会受尘土、潮气和震动的干扰，使得非接触式IC卡可应用在恶劣的环境。同时，由于读卡器可以置于障碍物的后面而不影响它与卡的通讯，可以防止在接触式IC卡的使用中对读卡器进行恶意破坏现象的出现.高安全性：非接触式Ic卡的序列号是唯一的，制造商在产品出厂前将此序列号固化于卡内芯片中，不可再更改，使用时非接触式IC卡与读卡器要进行三次相互认证，而且通讯过程中所有
25、的数据都加密，卡内各个扇区都有自己的操作密码和访问条件。非接触式IC卡的功能组成本课题采用的非接触式IC卡是Philips公司MifareClassic非接触式IC卡系列的MifareStandard产品。非接触式IC卡的功能组成如图2.2所示：图2.2 Mifare one s50非接触式IC智能射频卡的功能组成图整个卡片包含了两个部分，射频接口电路和数字电路部分：射频接口电路电路在射频接口电路中，波形转换模块接收读卡器上的1356MHZ的无线电调制频率，一方面送调制解调模块，另一方面进行波形转换，将正弦波转换为方波，然后对其整流滤波，由电压调节模块对电压进行进一步的处理，包括稳压等，最终输
26、出供给卡片上的各电路。EEPROM存储器及其接口电路：该单元主要用于存储数据。EEPROM中的数据在卡片失掉电源后(卡片离开读卡器天线的有效工作范围内)仍将被保持。用户所要存储的数据被存放在该单元中。卡片中这一单元容量为1K字节，分为16个扇区。数字电路ATR请求模块：当一张卡片处在读卡器天线的工作范围之内时，程序员控制读卡器向卡片发出REQUESTall(或REQUESTstd)命令后，卡片的ATR模块将启动，将卡片中的卡片类型号共2个字节传送给读卡器，建立卡片与读卡器的第一步通信联络。如果不进行第一步的ATR工作，读卡器对卡片的其他操作(读、写等操作)将不会进行。AntiCollision
27、防重叠模块：防(卡片)重叠功能，如果有多张卡片处在读卡器的天线的工作范围之内时，AntiCollision模块的防重叠功能将被启动工作。在程序员控制下的读卡器将会首先与每一张卡片进行通信，取得每一张卡片的系列号。由于每一张卡片都有其唯一的序列号，因此读卡器根据卡片的序列号来识别已选的卡片，读卡器中MFRC500芯片的AntiCollision防重叠功能配合卡片上的防重叠功能模块，由程序员来控制读卡器，根据卡片的序列号来选定一张卡片。被选中的卡片将直接与读卡器进行数据交换，未被选择的卡片处于等待状态，随时准备与读卡器进行通信。AntiCollision模块(防重叠功能)启动工作时，读卡器将得到卡
28、片的序列号，共有5个字节，实际有用的为4个字节，另一个字节为序列号的校验字节。选择模块：主要用于卡片的选择当卡片与读卡器完成了上述的二个步骤，想要对卡片进步操作时，必须先对卡片进行“选择”操作，以使卡片真正地被选中。被选中的卡片将存储在卡片上的卡片的容量传送给读卡器。当读卡器收到信息后，就可以对卡片进行深一步的操作了。认证模块：在确认了上述的三个步骤，确认已经选择了一张卡片时，程序员对卡片进行读写操作之前，必须对卡片上已经设置的密码进行认证，如果匹配，则允许进一步的读、写操作。卡片上有16个扇区，每个扇区都可分别设置各自的密码，互不干涉。因此每个扇区可独立地应用于一个应用场合。整个卡片可以设计
29、成“一卡通”形式来应用。控制及算术运算单元：这一单元是整个卡片的控制中心。它主要进行对整个卡片的各个单位进行微操作控制，协调卡片的各个步骤；同时它还对各种收发的数据进行算术运算处理，递增、递减处理，CRC运算处理等等，是卡片中内建的MCU单元。RAM和ROM单元：RAM主要配合控制及算术运算单元，将运算的结果进行暂时存储，如果某些数据需要存储到EEPROM，则由控制及算术运算单元取出送到EEPROM存储器中；如果某些数据需要传送给读卡器，则出控制及算术运算单元取出，经过RF射频接口电路的处理，通过卡片上的天线传送给卡片读卡器。RAM中的数据在卡片失掉电源后(卡片离开读卡器天线的有效工作范围内)
30、将被清除。同时，ROM中还固化了卡片运行所需要的必要的程序指令，由控制及算术运算单元取出去对每个单元进行微指令控制，使卡片能有条不紊地与卡片的读卡器进行数据通信。数据加密单元：该单元完成对数据的加密处理及密码保护。三遍认证过程如图2.3所示：非接触式IC卡读卡器Mifare1卡片(A) RB(B)TOKEYAB(D)TOKEYABY(C)(E)图2.3 三遍认证的令牌原理框图A环：由MifareOne卡片向读写器发送一个随机数据RB；B环：由读写器收到RB后向MifareOne卡片发送一个令牌数据TOKENAB，其中包含了读写器发出的一个随机数据RA;C环：Mifare0ne卡片收到TOKEN
31、AB后，对ToKENAB的加密的部分进行解密，并校验第一次由(A)环中Mifare0ne卡片发出去的随机数RB是否与（B)环中接收到的TOKENAB中的RB相一致；D环:如果(C)环校验是正确的，则MifareOne卡片向读写器发送令牌TOKENBA给读写器；E环：读写器收到令牌TOKENBA后，读写器将对令牌TOKENBA中的RB(随机数)进行解密；并校验第一次由(B)环中读写器发出去的随机数RA是否与(D)环中接收到的ToKENBA中的RA相一致；如果上述的每一个环都为“真”，都能正确通过验证，则整个的认证过程将成功。读写器将能对刚刚认证通过的卡片上的这个扇区可以进入下一步的操作(R卧Dw
32、RITE等操作)。卡片中的其他扇区由于有其各自的密码，因此不能对其进行进一步的操作。如想对其他扇区进行操作，必须完成上述的认证过程。认证过程中的任何一环出现差错，整个认证将告失败。必须从新开始。IC卡的主要指标存储结构主要指标4 容量为8K位EEPROM 分为16个扇区，每个扇区为4块，每块16个字节,以块为存取单位 每个扇区有独立的一组密码及访问控制 每张卡有唯一序列号，为32位 具有防冲突机制，支持多卡操作 无电源，自带天线，内含加密控制逻辑和通讯逻辑电路 数据保存期为10年，可改写10万次，读无限次 工作温度：-2050(湿度为90%) 工作频率：13.56MHZ 通信速率：106 KB
33、PS 读写距离：10 cm以内（与读写器有关）存储结构Mifair卡分为16个扇区，每个扇区由4块(块0、块1、块2、块3)组成，我们也将16个扇区的64个块按绝对地址编号为O一63，存储结构如下表：第0扇区的块0用于存放厂商代码，己经固化，不可更改。每个扇区的块0、块1、块2为数据块，可用于存储数据。每个扇区的块3为控制块，包括了密码A、存取控制、密码B；每个扇区的密码和存取控制都是独立的，可以根据实际需要设定各自的密码及存取控制。存取控制为4个字节，共32位，扇区中的每个块(包括数据块和控制块)的存取条件是由密码和存取控制共同决定的，在存取控制中每个块都有相应的三个控制位，三个控制位以正和
34、反两种形式存在于存取控制字节中，决定了该块的访问权限(如进行减值操作必须验证KEYA，进行加值操作必须验证KEYB，等等)。2.2 非接触式IC卡门禁系统涉及的主要技术随着非接触式IC卡的应用越来越普遍，它的应用逐渐渗透到金融、通讯、安全控制等许多重要领域，其安全性和保密性的特点受到了人们的高度关注。如今如何有效防止各种可能的攻击和欺诈，成为非接触Ic卡实际应用系统设计的重要课题。为了确保读卡器和Ic卡之间通信的完整、可靠和快速，主要采取了以下技术，一是采用射频识别技术和网络信息安全技术以确保通信时数据的可靠和完整性；二是采用IC卡技术和快速防冲突机制，防止通信时卡片之间出现数据干扰，以提高应
35、用的并行性。非接触式智能卡系统是一个典型的跨学科的专业领域，一个多技术融合的系统。2.2.1 自动识别技术自动识别技术就是应用一定的识别装置，通过被识别物品和识别装置之间的接近活动自动地获取被识别物品的相关信息并提供给后台的计算机处理来完成相关后续处理的一种技术。自动识别技术足以计算机技术和通信技术的发展为基础的综合性科学技术，它是信息数据自动识读、自动输入计算机的重要方法和手段。自动识别技术近几十年来在全球范围内得到了迅猛发展，初步形成了一个包括条码技术、磁条磁卡技术、Ic卡技术、光学字符识别技术、射频技术、声音识别及视觉识别等集计算机、光、磁：物理、机电、通信技术为体的高赫技术学科。完整的
36、自动识别计算机管理系统包括自动识别系统(AIDs)、应用程序接口(API)、中间件、应用系统软件。自动识别技术根据识别对象的特征可以分为两大类，分别是数据采集技术和特征提取技术。数据采集技术的基础特征需要被识别物体具肯特定的识别特征载体；而特征提取技术则根据被识别物体本身的行为特征来完成数据的自动采集。自动识别技术包括：(1)条码技术；(2)光学字符识别；(3)磁条(卡)技术；(4)IC卡识别技术(5)声音识别技术(6)视觉识别(7)射频识别技术(RFID)：射频识别技术（Radio FrequencyIdentification，缩写RFID）是20世纪90年代开始兴起的一种自动识别技术，射
37、频识别技术是一项利用射频信号通过空间耦合(交变磁场或电磁场)实现无接触信息传递并通过所传递的信息达到识别目的的技术。从信息传递的基本原理来说，射频识别技术在低频段基于变压器耦合模型(初级与次级之间的能量传递及信号传递)，在高频段基于雷达探测目标的空间耦合模型(雷达发射电磁波信号碰到目标后携带目标信息返回雷达接收机)。本设计主要涉及到射频识别技术。2.2.2 密码技术随着IC卡应用范围的不断扩大，针对IC卡的各种攻击也不断增多，因此Ic卡的安全和保密性显得日益重要，现在己经成为Ic卡技术中的关键技术之一。通讯安全和保密通信安全与保密是为了达到IC卡与读写设备进行信息交换过程中的有效与合法。具体而
38、言，也就是要求相互传送的信息具有完整性、真实性、有效性、保密性和不可否认性。完整性是指IC卡与读写设备必须能检测出在它们之间交换的信息是否己经被修改，判断出相互交换的信息是否合法，对于完整性的保证，一般是在所交换的信息内添加一段报文鉴别码(MAC)。真实性是指IC卡和读写设备都必须有一种确证能力，能够确证它们各自所收到的信息都由真实对方发出，自己发出的信息也确实被真实对方接收。有效性是指Ic卡和读写设备能区别当前有效合法的信息与前次有效的信息；对于有效性的保证一般是在通信信息内添加加密后的时间段信息。保密性是指通过对要交换的信息进行加密处理来防止非授权者读到真实的明文内容。不可否认性是指发方和
39、收方不可否认信息的发出和收到。使用密码进行通信的一般模型如图2.4所示：其中要被加密的原文称为明文，加密过程的输出称为密文，密文通过传输信道传输到接收端，然后通过解密过程将明文还原。可见，数据的加密和解密的过程实际上就是通过一定的算法将信息加以伪装和解除伪装的过程。密码分析者明文密文明文接收者解密译码器加密编辑器信源解密密钥公开信道加密密钥秘密信道密钥源图2.4 密码通信的一般模型完成加密和解密的算法称为密码体制。密码体制的分类有很多种。按照加密密钥和解密密钥是否相同，分为对称密钥密码体制(秘密密钥体制)和非对称密钥密码体制(公开密钥体制)。3 非接触式IC卡读卡器的硬件设计3.1 非接触式I
40、C卡读卡器整体模块非接触式IC卡读卡器硬件电路包括以下几个部分：微控制器、Mifare读卡芯片、天线匹配电路、天线、RS232通信电路和蜂鸣器驱动电路等。微控制器是读卡器的主控模块，Mifare芯片是读卡器的射频模块，天线模块由天线耦合电路和天线组成，通信模块由RS232接口电路组成。3.2 非接触式IC卡读卡器主控模块设计本课题的读卡器主控模块由单片机及其外围电路组成。选择单片机时应考虑以下几个问题：系统时钟频率、计算速度、处理能力、兼容性、系统整体设计等。就本系统而言，还要考虑到系统的通信速度和通信方法(包括与PC机通信以及与射频模块通信)，存储器空间的大小。这里的中央主控制模块采用8位单
41、片机即可以达到要求。根据市场上的单片机的性能、价格、应用领域的不同，加之综合考虑诸如单片机程序存储器的容量、外部中断及定时中断功能、开发工具的费用等因素，从市场上众多的8位微处理器中选取了ATMEL公司生产的AT89C51(其指令与MC-S51系列兼容)。考虑本读卡器的程序量不大，接口比较直观，因而不用再扩展程序存储器，下面简单的介绍一下AT89C51。AT89C51的功能特性描述6AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压、高性能CMOS8位单片机，片内含4kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和128bytes的随机存取数据存储器(RAM)，器件采用ATMEL公司的高密度、
42、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS5l指令系统，片内置通用8位央处理器(CPU)和Flash存储单元。AT89C51提供以下标准功能：32个IO口线，两个16位定时计数器，一个5向量级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C5l可降至OHz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPu的工作，但允许RAM，定时计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM的内容，但振荡器停工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。AT89C51电路连接图如图3.2所示：AT89C51的PO口作为地址和数据分时复用口，与RC500芯片的数据总线
43、相连。P3口的一部分线与RC500芯片的控制总线相连，一部分与串行接口芯片RS232相连。图3.2 单片机电路连接图3.3 非接触式IC卡读卡器通信模块设计读卡器用串行接口芯片MAX232通过标准的DB9直接与PC机相连。MAX232是MAXIM公司生产的专用串行接口芯片，包括2路接收器和驱动器，我们只用其中一路收发器。芯片内部有一个电源电压变换器可把输入的+5V电源电压变换为RS232输出电平所需的10V电压(负逻辑)。所以使用此接口芯片的串行通信系统只需单一的+5V电源。在本设计中硬件上采用3线制(RXD、TXD、GND)软握手的零MoDEM方式，即将PC机和单片机的发送数据线(TXD)与
44、接收数据(RXD)交叉连接，二者的地线(GND)直接相连，而其它信号线如握手信号线均不用，而采用软件握手，这样即可以实现预定的任务又可以简化电路设计，节约了成本。MAX232的电路连接图7如图33所示：图3.3MAX232电路连接图注：系统通信时采用的参数如下：波特率为9600，8位数据，一位停止位，无奇偶校验位。3.4 非接触式IC卡读卡器天线设计电感藕合式射频识别系统的读写器天线用于产生磁通量，而磁通量用于向非接触式IC卡提供电源并在读卡器与非接触式Ic卡之间传输信息。因此，对读卡器天线的构造就有三个基本要求：首先是使天线线圈的电流最大，用于产生最大的磁通量：其次是功率要匹配，以最大程度地
45、利用产生磁通量的可用能量；最后是要有足够的带宽，以无失真地传送用数据调制的载波信号。品质因数Q和谐振频率是电感藕合式射频识别系统读卡器天线的特征值，由于品质因数Q会影响天线读写距离，所以是天线设计中的一个重要参数，它可以通过电感线圈的电抗与电阻的比值计算出来较高的品质因数，会得到较高的读卡器天线电压，其中可增加应答器即IC卡的能量传输。与之相反，天线的传输带宽与品质因数Q值成反比。选择的品质因数过高，会导致带宽缩小，从而明显地减弱应答器接收到的调制边带。此外，由于Mifare卡是无源非接触式Ic卡，其能量是通过天线感应来的。而且由于受到卡形状的限制，卡中不可能封装很大的天线，使得接收的能量较小
46、，从而决定了读卡器天线读写距离很短，一般在100mm以内。天线大小和读写距离由于MFRC500是低功耗设计，因此卡和天线之间的耦合系数必须满足一定的值，卡和天线之间的耦合系数不能低于0.3。天线一般设计为三圈，可以设计为圆形或者方形天线。天线的直径必须介于0.51.5mm之间。表31给出了卡和天线的耦合系数为0t3时的天线大小和读写距离关系：表3.1 天线大小与读写距离关系表8读写距离（mm）大小（mm） 5050 7 6554 10 8554 12 8585 8 9090 5本设计中的读卡器的天线采用65mm54mm，圈数为方形天线。天线电感的计算天线的电感必须介于800nil和18uH之间。天线的电感通过下列公式计算：L=21In(1D)N18其中：L：读卡器天线电感(单位cm)I：天线导体长度；D：天线导体宽度(必
