1、摘要I本科毕业论文CDIO 空间门禁系统开发摘要本论文主要研究了本校 CDIO 门禁系统中的应用。射频识别是一种通信技术，该技术可以通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据。论文课题在分析当前射频智能卡及其读卡器研发现状的基础上，运用 C8051F340 和 MFRC522 组成射频读卡系统, 并通过上位机来实现 IC 卡授权的管理。论文主要内容与成果概括如下。(1) 分析和总结了 RFID 技术方面的文献资料，并在分析 RFID 技术的要点及其在国内外的发展现状的基础上，对系统总体进行了设计。(2) 设计和制作了基于 C8051F340 的射频读卡硬件系统，包括 C8051F340 及MFR
2、C522 外围电路的设计以及在此基础上的 PCB 布板的设计。(3) 在硬件设计的基础上，完成了系统软件程序的设计。主要包括上位机程序的设计与实现。关键词: 射频识别，C8051F340，MFRC522，上位机AbstractIIAbstractThis paper mainly studies the application of CDIO entrance guard system. RFID is a kind of communication technology, the technology can be through the radio signals identify spe
3、cific target and reading and writing data. Paper topic in the analysis of the current RF smart CARDS and reading and card reader based on the status quo of research and development, the use of C8051F340 and MFRC522 RF reading card system, And through the PC to realize the IC card authorization manag
4、ement. Paper main content and achievements summed up as follows.(1) This paper analyzes and summarizes the literature of RFID technology, the overall system is designed based on the analyzing main points of RFID technology and the development status at home and abroad.(2) It designs and makes the ha
5、rdware system of the C8051F301-based RF reader including the C8051F340 and MFRC522 peripheral circuit design .On this basis, it also designs the PCB layout.(3) On the basis of the hardware design, it completes system software design including system firmware, host computer program design and impleme
6、ntation. Key words: RFID, C8051F340, MFRC522，upper computer目录目录1.系统概述 -11.1 绪论 -11.2 IC 卡简介 -21.3 射频技术 -31.4 系统需求分析 -51.5 系统要实现的功能 -71.6、系统设计方案 -71.7 系统总体设计 -81.8 本章小结 -82.系统硬件设计 -92.1 读卡模块 -92.1.1 射频芯片 MFRC522 简介 -92.1.2 MFRC522 结构框图 -102.1.3 MFRC522 电路连接 -112.1.4 RC522 主要烧录程序 -122.2 控制模块 -122.2.1
7、C8051F340 芯片介绍 -122.2.2 C8051F340 电路连接 -152.2.3 C8051F340 控制程序 -162.3 PCB 电路板设计 -172.3.1 C8051F340 和 RC522 的控制芯片 PCB 设计 -172.4 本章小结 -213 系统软件设计 -223.1 简介 -223.1.1 编程软件的选择及系统主程序处理流程 -223.2 数据管理系统 -224.上位机软件与数据库开发 -244.1 软件功能需求分析 -244.2 功能分配与模块设计 -244.2.1 系统设置 -24目录4.2.2 卡务管理 -254.2.3 门禁管理 -254.3 上位机软
8、件具体设计与实现 -264.3.1 上位机结构与程序设计 -264.3.2 函数和类的设计 -274.4 上位机运行截图及核心代码 -294.4.1 上位机启动 -294.4.2 卡号添加窗口 -304.4.3 卡号添加窗口代码 -304.5 数据库设计 -334.6 系统出错处理 -334.7 本章小结 -345 系统测试 -356.总结与展望 -366.1 全文总结 -366.2 展望 -36致 谢 -38参考文献 -39河北工程大学毕业设计说明书11.系统概述1.1 绪论目前，门禁系统己成为安全防范系统中极其重要的一部分，在一些发达国家中，门禁系统之所以能在众多安防产品中脱颖而出，根本原
9、因是因为其改变了以往安防产品如闭路监控，防盗报警等被动的安防方式，以主动地控制替代了被动监视的方式，通过对主要通道的控制大大地防止了罪犯从正常通道的侵入，并且可以在罪案发生时通过对通道门的控制限制罪犯的活动范围制止犯罪或减少损失。近年来，门禁系统由于其自身的优势，已在国内悄然兴起，包括邮电系统，供电系统，银行系统，住宅小区，度假村等各种类型的场所都有使用门禁系统的范例，通过这套系统的使用极大地提高了管理者的工作效率和管理区域内的安全程度。同时，随着信息技术的不断发展，社会经济的日新月异，IC（集成电路)智能卡也正在并融入当今信息技术的主流。它以其高度的信息集成，高度的安全性逐渐代替磁片而广泛应
10、用在许多领域中，如电子交易，公共交通行业，电话通信，身份识别以及有出入权限控制的门禁系统等等，从而使人们的日常生活变得更为便捷、高效。非接触式(射频)IC 卡由 IC 芯片、感应天线组成，并完全封装在一种标准的塑料卡片中，无外露部分，读写操作通过无线电波来完成，具有磁卡和接触式 IC 片不可比拟的优点，因此它一经产生就以惊人的速度得到了推广应用。在本文所介绍的基于MFRC522 射频门禁系统中，持卡人只需将卡片放在读卡器的有效距离内，即完成开门过程。随着社会经济的发展，城市面貌发生了巨大的变化，高楼大厦拔地而起，随之也产生了不少安全隐患，利用高科技手段犯罪的行为日益增多。怎样才能使人们的安全防
11、范措施跟得上科技的发展，并且更有效的阻止犯罪行为呢? 仅仅靠传统的门锁和防盗门是远远不够的。 “智能门禁系统”应运而生，它的出现打破了传统的由人来看门的方式白天有人站岗守门，晚上铁锁防护，而是仅用手中薄薄的一张卡片在读卡器有效距离内，大门就可自动开启，既方便又快捷。智能门禁系统置身于现代化大厦和生活小区内，给都市生活增添了风采。门禁系统是对出入口通道进行管理的系统，它是在传统的门锁基础上发展而来的。传统的机械门锁仅仅是单纯的机械装置，无论结构设计多么合理，材料多么坚固，人们总能通过各种手段把它打开。在出入人口很多的通道(象办公室、酒店客房)，钥匙的管理很麻烦，钥匙丢失或人员更换都要把锁和钥匙一
12、起更换。为了解决这些问题，就出现了电子磁卡锁和电子密码锁。这两种锁的出现从一定程度上提高了人们对出入口通道的管理程度，使通道管理进入了电子时代，河北工程大学毕业设计说明书2但随着这两种电子锁的不断应用，它们本身的缺陷就逐渐暴露。磁卡锁的问题是信息容易复制，卡片与读卡机具之间磨损大，故障率高，安全系数低。密码锁的问题是密码容易泄露，又无从查起，安全系数很低。这个时期的门禁系统还停留在早期不成熟阶段，因此当时的门禁系统通常被人称为电子锁，应用也不广泛。近几年，非接触式CI 卡在门禁市场上意气风发，由于它可以防水防污、防尘和潮湿等恶劣环境，而其免刷卡动作，感应速度快，除了方便外，更可避免卡与读写器之
13、间的摩擦，降低机器故障率及器材损耗，且感应式读卡系统具备隔墙感应的特性，可兼顾隐密性与装潢设计之美观。再者，由于非接触 IC 卡的大容量读写存储特性，使感应卡门禁与考勤、计费、停车场等功能相结合，提升了系统性能及潜在价值。因此，专家认为，非接触式 CI 卡系统是门禁市场的主流方向。1.2 IC 卡简介IC 卡，又称“集成电路卡” 、 “智能卡” ， 有些国家和地区也称智能卡(smart card)、智慧卡(intelligent card)、微电路卡(microcircuit card)或微芯片卡等。它是将一个微电子芯片嵌入符合 ISO 7816 标准的卡基中，做成卡片形式。 IC 卡读写器是
14、 IC 卡与应用系统间的桥梁，在 ISO 国际标准中称之为接口设备 IFD(Interface Device)。IFD 内 CPU 通过一个接口电路与 IC 卡相连并进行通信。IC 卡接口电路是 IC 卡读写器中至关重要的部分，根据实际应用系统的不同，可选择并行通信、半双工串行通信和I2C 通信等不同的 IC 卡读写芯片。非接触式 IC 卡又称射频卡。芯片一般是不易挥发性存储器(ROM、EPRMO、EEPROM)，保护逻辑电路，甚至于 CPU(中央处理单元)。IC 卡的概念是 20 世纪 70 年代初提出来的，1976 年法国 BULL 公司和 Motorola 公司合作生产了世界上第一张过渡
15、型 IC 卡产品，并将这项技术应用到金融、交通、医疗、身份证明等多个行业。它将微电子技术和计算机技术结合在一起，提高了人们生活和工作的现代化程度。IC 卡芯片具有写入数据和存储数据的能力，IC 卡存储器中的内容根据需要可以有条件地供外部读取，或供内部信息处理和判定之用。卡内存储有唯一的发行人和持卡人的识别标志，用以唯一的确定卡的身份。IC 卡的应用领域可以说非常广泛，它除了覆盖传统磁卡的全部应用领域外，还扩展了许多磁卡所不能胜任的领域，这很大程度上归功于 IC 卡的大容量的数据存储能力与强有力的安全特性。IC 卡的应用可分为金融系统应用和非金融系统应用，在某些场合这两种应用又有着紧密的联系。在
16、金融领域中 IC 卡可作为信用卡、现金卡、证券卡或电子资金转帐卡等;在非金融领域中，如 IC 卡预收费系统、IC 卡门禁、IC 卡考勤系统、公交一卡通系统等。I C 卡 工 作 的 基本 原 理 是 ： 射 频 读 写 器 向 IC 卡 发 一 组 固 定 频 率 的 电 池 波 ， 卡 片 内 有 一 个 LC 串 联 谐振 电 路 ， 其 频 率 与 读 写 器 发 射 的 频 率 相 同 ， 这 样 在 电 磁 波 激 励 下 ， LC 谐 振 电 路 产 生河北工程大学毕业设计说明书3共 振 ， 从 而 使 电 容 内 有 了 电 荷 ； 在 这 个 电 容 的 另 一 端 ， 接 有
17、 一 个 单 向 导 通 的 电 子 泵 ，将 电 容 内 的 电 荷 送 到 另 一 个 电 容 内 存 储 ， 当 所 积 累 的 电 荷 达 到 2V 时 ， 此 电 容 可 作 为电 源 为 其 它 电 路 提 供 工 作 电 压 ， 将 卡 内 数 据 发 射 出 去 或 接 受 读 写 器 的 数 据 。 随 着 超大 规 模 集 成 电 路 技 术 、 计 算 机 技 术 以 及 信 息 安 全 技 术 等 的 发 展 ， IC 卡 逐 渐 形 成 了 各种 类 别 、 不 同 工 作 方 式 的 产 品 系 列 的 家 族 。 根 据 镶 嵌 的 芯 片 不 同 ， 可 将 I
18、C 卡 划 分 为 :存储 卡 、 逻 辑 加 密 卡 、 CPU 卡 和 超 级 智 能 卡 ;根 据 卡 与 外 界 数 据 交 换 的 界 面 不 同 ， 可 将IC 卡 划 分 为 :接 触 式 IC 卡 、 非 接 触 式 IC 卡 和 双 界 面 卡 ;根 据 卡 与 外 界 进 行 交 换 时 的数 据 传 输 方 式 ， 可 将 IC 卡 划 分 为 :串 行 IC 卡 、 并 行 IC 卡 :根 据 卡 的 应 用 领 域 不 同 ，可 将 IC 卡 划 分 为 :金 融 卡 和 非 金 融 卡 。1.3 射频技术射频识别技术起源于 80 年代中期，与条码、磁条等同期或早期识
19、别技术相比，射频识别技术具有无接触、工作距离大、精度高、信息收集处理快捷及较好的应用环境适应性等一系列优点，在近年来获得了极为迅速的发展。目前，射频识别技术广泛应用于工业自动化、商业自动化、交通运输控制管理等众多领域。据有关权威数据显示，射频识别产品在全世界的销售量，1993 年为 990 万套，1994 年就猛增到 2030 万套，到 1997 年有关产品的销量为 9810 万套。世界范围内射频产品的销售额，1989 年为8050 万美元，1992 年为 14120 万美元，1997 年为 43250 万美元，1999 年则为 68500万美元，其中在 1992-1999 年间射频识别产品在
20、全世界销售额的年平均增长率达25.3%。一个典型的射频识别系统由两部分组成，一是寻呼器，另一个是被称为射频识别标志的应答器。其中寻呼器的主要组成部分是无线收发机，在应答器内装有感应线圈(天线)及有关应用标识信息的存储器，其工作过程为:(1)寻呼器发射无线激励信号及有关询问信号;(2)应答器进入寻呼器工作区域内，被寻呼器信号激励并发射应答信息;(3)寻呼器接收应答器的应答信息，进行进一步处理。基于不同应用，对应答器的体积、性能等的要求各不相同，所以应答器是射频标识技术的关键。应答器的主要组成、功能及其应用特点如下:(l)具有信息存储、处理能力;(2)可接收、发射无线信号，外围部件少，功耗低，能在
21、低电压下工作;(3)依据不同需要具有天线、射频/微波探测器、调制器、解调器、控制逻辑及存储器等部件:(4)有的应答器具有电池或外接电源，有的应答器甚至省去了电源，而由寻呼器通过无线方式对其供电;河北工程大学毕业设计说明书4(5)体积小巧、结构多样(有圆形、方形等)，适合不同应用等等;(6)多种工作距离。其中，无内部电源的应答器在射频卡上应用较多。目前，国际上有多家厂商致力于射频识别技术的研究及市场开发，其中较为著名的如美国德州仪器公司(TI)、荷兰飞利浦公司(Phi1iPs)等。现以美国 TI 公司生产的一种无内部电源应答器为例说明其工作原理，此种应答器主要由一个 ADS 集成电路、一根天线及
22、 2 个片状电容组成。系统工作时的具体过程为:(1)应答器进入寻呼器工作区域后，接收到寻呼器发射的脉冲信号;(2)此信号经桥式整流之后对电容器进行充电，稳压器使电容器两端的电压维持在 2V左右，以便给集成电路提供工作电压;(3)CMOS 集成电路中的有关控制逻辑电路对接收到的脉冲信号进行解码;(4)根据解码信息判断寻呼器的命令要求，若仅仅是读取信息则控制逻辑电路从存储器中读取有关信息;若是修改信息则有关控制逻辑启动内部电压泵将 2V 工作电压提升到15V，以便对存储器(EEPROM)中内容进行重新写入编程;(5)当电容放电时，发射电路就将从存储器中读取的数据信息及相关响应信息发射给寻呼器;(6
23、)寻呼器(或应用终端)对接收到的信息进行处理。目前，射频识别系统使用的频段分为低频及高频两类。其中，低频段的频率为 125kHZ，高频段的频率有908k92OkHz、1.2GHZ、2.4GHz 及 5.2GHz 等。当然，工作频率越高，应答器和寻呼器之间的通讯速率就越快，系统的工作时间就越短，但功耗越大。目前，在国外射频技术的主要应用有工厂生产产品的自动跟踪，试验动物跟踪，商品分类管理，汽车防盗，航空公司的机场管理等等。下面以汽车防盗应用为例，介绍射频识别技术的应用特点。应答器放置在汽车点火钥匙中，寻呼器放置在汽车驾驶杆等部件中，当要点火启动汽车时，寻呼器若没有接收应答器发射的标志信号则禁止启
24、动汽车。同样的系统，若将应答器放置在车门钥匙中，寻呼器放置在车门内，射频技术应用于汽车防盗大大提高了汽车的安全性。目前，越来越多的汽车公司将射频技术应用于汽车防盗系统。在最近的几年中，美国福特汽车公司在其销往欧洲的 50 万辆汽车中安装射频识别系统，价值达 2500 万美元。从 1995 年开始，德国也要求所有新出厂的汽车都安装这种安全系统。射频卡技术是射频识别技术和 IC 卡技术相结合的产物。如果从射频识别技术角度出发，可以认为射频卡是一种相对特殊的射频识别标志(即应答器)，其读写设备就是寻呼器。如果从 IC 卡技术的角度出发，也可以认为射频识别产品是一种特殊的无接触式 IC 卡，其寻呼器即
25、为读写设备。当然，将射频识别技术用于无接触式 IC 卡也对它产生了特殊的要求，以满足卡的要求，从技术上看主要有以下两点:河北工程大学毕业设计说明书5(1)由于 IC 卡的尺寸限制，卡上的应答器不能有电源系统，需要由寻呼器(读写设备)通过无线方式供电;(2)由于 IC 卡的尺寸限制，卡上应答器的天线需要特殊设计，卡需要特殊封装和制造。此外，由于无接触式 IC 卡特殊的应用环境，卡上应答器还需具有如下特点：(1)操作快捷;(2)高抗干扰性，能“同时”操作多张卡片;(3)高可靠性;(4)可以适合于多种应用。无接触式 IC 卡和接触式 IC 卡相比具有以下特点:(1)无接触式通讯不存在机械触点磨损情况
26、，大大提高了应用的可靠性;(2)因为无接触式通讯，所以不必插拔卡，大大提高了使用的速度;(3)可以同时操作多张无接触式 IC 卡，提高了应用的并行性，提高了系统的工作速度;(4)由于无接触式通讯，卡上无机械触点，便于卡的印刷，提高了卡的使用可靠性和美观性。正因为如此，无接触式 IC 卡非常适合于以前接触式 IC 卡无法或较难满足要求的一些应用，如公共电汽车自动售票系统等，将 IC 卡的应用在广度和深度上大大推进了一步。 1.4 系统需求分析 CDIO 工作空间是开展 CDIO 教学重要的场所，工作空间对部分师生开放，为了有效地对进入 CDIO 工作空间的师生进行有效地管理和控制，特设计本方案。
27、图 1-1 房间分布图图 1-1 中是 CDIO 工作空间的房间分布示意图，计划在每个房间（12 个）的每个门（21 门）都安装门禁控制系统，对师生的进门进行监控和管理。所有的门禁控制系统都采用 485 总线方式连接到一台管理主机，如图 1-2 所示：河北工程大学毕业设计说明书6门控 1 门控 2 门控 21 管理主机485 总线图 1-2 系统拓扑图管理主机通过 485 总线与各门禁控制系统通信，实现授权、取消授权、刷卡记录保存、查询、统计及信息管理等功能。授权：管理主机先读取卡号，然后将卡号下发到相应的门控系统，门控系统保存卡号。取消授权：管理主机将需要取消授权的卡号下发至门控系统，门控系
28、统从存储器中删除卡号。刷卡记录：师生在刷卡某个门控系统刷卡后，门控系统将卡号上传至管理主机，管理主机保存到数据库。查询、统计及信息管理：可以通过浏览器登录管理主机，进行相关信息的查询、统计和管理。每个门禁控制系统的构成如图 1-3 所示：直流稳压电源模块输入：AC220V输出：DC12V电控锁控制器读写器 继电器485 总线电源线信号线图 1-3 门禁控制系统构成框图直流稳压模块：每个门禁控制系统配置一套电控锁专用稳压电源（内置继电器） ，可为读写器、控制器和电控锁供电。读写器：负责与射频卡进行无线数据通信，主要功能包括识别卡号，读取/写入卡数据。电控锁：采用常闭锁，一般处于关闭状态，控制器可以发信号开锁。控制器：这是整个门禁控制系统的核心。主要功能包括读卡、判断授权状态、开门、响应管理主机的命令、主动上传读取到的卡号等。控制器能够接收管理主机发来
