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現在智能卡的應用越來越廣泛，如校園一卡通系統、城市公交系統、大型會議簽到系統、考勤系統、門禁系統等都使用了智能卡。本文以ZLG500讀寫模塊作為卡與門禁機交換數據的接口模塊，介紹了ZLG500在智能卡門禁系統中的應用。 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。此外該模塊的EMC性能優良，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、數據線和片選。主控制器的MCU和讀卡模塊內的MCU通過此三線相連。接口空閑時，主機的SS=1，SCLK=O，SDATA=0，而從機的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生，該信號必須嚴格遵守時序規范，否則將出現通信錯誤，此時讀卡模塊必須釋放該線。 SS還作為數據發送使能端。若一方有數據要發送給另一方，則該方控制SS線為低電平，并在發送結束后將該線置高電平。接收數據方不得控制該線，雙方必須遵守通信協議，不得同時控制該線。SDATA為數據線，由數據發送端控制數據，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據接收端的響應信號。 1．2 ZLG500與MCU接口的時序及通信協議 ZLG500與MCU無論數據傳輸的方向如何，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，時鐘和數據線上的信號才有效；在 SCLK為低時SDATA變化，在SCLK為高時SDATA應保持穩定。
以上傳輸中，從數據發送器請求開始至數據接收器響應的時間是不確定的，取決于接收器內的MCU是否忙，因此有必要設置看門狗定時器對數據接收器的響應進行監視。一旦接收器響應，則MCU必須根據數據傳輸方向，嚴格控制以下幾個時間，以確保數據傳輸無誤。 t1：數據接收器響應至MCU產生第一個SCLK上升沿的時間。 t2：2個字節傳輸之間SCLK低電平的持續時間。 t3：傳輸最后1個字節的最后1位的SCLK信號的上升沿至SS上升沿的時間。 tH：SCLK信號的高電平持續時間。 tL：SCLK信號的低電平持續時間。 在數據傳輸方向不同時，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發送命令和數據給ZLG500，ZLG500執行命令完畢后，將命令執行的狀態和響應數據發回MCU。 開始通信前，收發雙方必須處于空閑狀態。首先由MCU發出SS下降沿信號，然后等待ZLG500在SDATA線上的響應，若在50 ms內未檢測到此信號，則退出本次傳輸。若正確響應，則MCU可將命令和數據發送出去。 然后MCU等待ZLG500發回的狀態和響應數據，即等待SS線上的下降沿信號。若在50 ms內未檢測到此信號，則退出本次傳輸；若正確檢測到SS信號，則可以接收狀態和數據。 2 智能卡門禁系統設計 2．1 總體結構 系統采用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，因而具有較強的抗干擾能力且讀寫距離遠(2．5～10 cm)。 整個智能卡門禁系統分為三大部分：其一是讀寫器部分，包括MCU、復位電路、時鐘電路、顯示電路、鍵盤、數據存儲等主控模塊及非接觸IC卡讀寫模塊和電鎖驅動部分；其二是中央控制電腦的軟件管理系統模塊；其三是中央控制電腦與讀寫器之間的數據傳輸模塊�？傮w系統框圖如圖3所示。
首先，在發卡系統(中央控制PC機)里把用戶的卡號及個人信息輸入系統數據庫，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時，系統會自動向卡發出命令，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)才可以發管理員卡，管理員必須用管理員卡方可登錄發卡系統進行發卡及下傳合法卡號、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。系統外圍配有RS232轉RS485接口能與PC機互連成網絡，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據和數據傳輸等五大功能。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，智能卡門禁系統中主控模塊主要由MCU(AT89C52)、ZLG500、復位電路、時鐘電路、數據存儲接口電路、鍵盤與顯示接口電路及電鎖等幾部分組成。可以看出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部分：數據存儲和數據傳輸部分、實時時鐘和掉電保護部分、鍵盤和顯示部分、驅動控制部分。 2．2．1 數據存儲和數據傳輸模塊 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據庫，前者對系統網絡速度要求較高，當網絡堵塞時有丟失數據的可能。本系統采用出入記錄暫時存儲在門禁機中，每隔一段時間(例如每周一次)上傳給中央數據庫的方式。為此要求門禁機具備一定容量的存儲器，用于暫存門禁數據以及由中央數據庫下載的授權卡號。門禁機存儲器的容量取決于一個門禁記錄的長度、系統的卡容量以及定時上傳周期內最大的刷卡次數等，通常應留有一定的余量以免由于超出存儲容量而丟失數據。本系統采用AT24c256作為門禁機的存儲器，其存儲容量達64 KB，劃分成2個區：一個區用來存儲所讀取的記錄，另一個區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如圖5所示。
AT24C256是Atmel公司的具有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 總線傳輸的時序要求，與AT24C01基本一致，在此不再贅述。 對于1個單一的讀寫器來講，自身的數據存儲是有限的。讀寫器外帶的數據存儲器主要作為數據的臨時存儲，對于大量的、需要長期保存的數據，一般是通過有線或無線，甚至是網絡系統傳輸到主控計算機中進行保存。 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的復位和配置子程序，是由MCU向ZLG500發出的不帶數據的命令程序；REQUEST子程序是MCU向 ZLG500發出的帶1個字節數據的命令程序，主要是檢查有效范圍內是否有卡存在；ANTICOLL子程序是防沖突操作，必須在執行RE—QUEST命令后立即執行。 2．2．3 時鐘控制 在門禁系統中，需要實時記錄出入數據(開門的卡號及其出現的時間)。若采用單片機軟件計時，一方面要占用硬件計數器資源，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、秒進行計時，且具有閏年補償功能，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進行同步通信，并可采用突發方式一次傳送多個字節的時鐘信號或RAM數據。
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DSl302內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。 3 與上位機的通信軟件接口設計 上位機數據庫管理系統采用Visual FoxPro編寫。本系統采用標準的通信控件communications進行通信程序的設計，實現掛失數據的發送、用戶卡號的發送、發卡和門禁模塊數據的接收。每次通信時，首先在上位機的init事件中初始化通信控件olecontroll，初始化設置為：
結語 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，還涉及讀寫模塊的控制、數據的傳輸、數據的處理和存儲；既需要有硬件應用的知識，還必須具有軟件方面的能力。本系統經過實際應用的驗證，系統運行穩定可靠，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展有限公司 ZLG500C Mifare卡讀寫模塊應用 2. 洪家平 DS1307 及在太陽能電池控制裝置中的應用 [期刊論文] -湖北師范學院學報（自然科學版）2007(3) 3. 高美珍 AT88RF020 型射頻識別卡及其應用 [期刊論文] -國外電子元器件2006(2) 4. 林凌.李剛.丁茹 新型單片機接口器件與技術 2005 作者：湖北師范學院 洪家平 來源：單片機與嵌入式系統應用 2009 (3) |
