基于MSP430的非接觸式IC卡門禁系統設計

2013-09-29 11:27:18劉宇航

網絡安全與數據管理 2013年20期

劉宇航,葉冬

(長安大學電子與控制工程學院，陜西西安710064)

隨著社會經濟和科技的發展，新的安全問題已經給社會各個階層帶來諸多壓力，智能化門禁管理系統就是針對這種社會需求而開發的時代產物。它不僅僅是簡單的開鎖，杜絕外來人員隨意進出，通過門禁系統的監控還可以知道某個區域某個房間在一定的時間范圍內進出的人員，一旦發現非法入侵，可以迅速報警，提高安全防范能力。另一方面，可以實現開門自動記錄，便于追溯、查詢進出人員資料,有效地解決了傳統門鎖的多種不足，能夠實現智能化管理，增強內部的保安措施。智能門禁系統以其多功能、高效率、高水平、高檔次等特點,逐漸成為安全防范體系的重要組成部分。本文以現代化企業門禁管理為對象設計了一種IC卡智能門禁管理系統，該系統應包括管理中心端、門禁端和非接觸式IC卡，能夠將“感應卡”與“鎖具”有機結合，進而由“感應卡”替代“鑰匙”，配合電腦實行智能化管理。

1 系統總體結構設計

根據功能需求和設計原則，本門禁系統可分為管理中心端、門禁端和門禁卡三部分，其結構如圖1所示。

圖1 系統結構圖

管理中心端由電腦、讀/寫卡器和485轉換器組成，其主要功能為：

(1)在管理中心可錄入每個用戶的信息資料，包括姓名、用戶 ID號、年齡、職位、部門、身份證號碼、每天可刷卡時間段、每周的工作日等，存入數據庫作為基本數據。

(2)當用戶IC卡丟失或者用戶想注銷IC卡時，可通過管理中心進行掛失或銷卡操作。

(3)根據實際情況為每個用戶發放IC卡，賦予相應的權限。

門禁端由門禁控制器、讀卡器、電鎖門、出門按鈕組成，其主要功能為：

(1)用戶進門時，使用IC卡刷卡，讀卡器識別 IC卡讀取數據并傳送給門禁控制器，控制器分析數據然后決定是否開門，若開門則給電鎖門發出控制信號，同時控制器記錄開門者的信息，定時地傳送給PC。

(2)用戶出門時，按出門按鈕即可出門。

門禁卡采用非接觸式IC卡，通過“非接觸式IC卡”與“鎖具”有機結合，進而由“感應卡”替代“鑰匙”，配合電腦實行智能化管理。

2 IC卡的設計

非接觸式IC卡(又稱射頻IC卡)是世界上近幾年發展起來的一項新技術，它成功地將射頻識別技術結合起來，解決了無源卡中無電池和免接觸這一難題，是卡應用領域的一大突破。可以預測，在不遠的將來，非接觸式IC卡會更大范圍地加以推廣應用。Mifare卡是目前世界上使用量最大、技術最成熟、性能最穩定、內存容量最大的一種感應式智能IC卡。由于Mifare卡操作簡單、快捷,抗干擾能力強,可靠性高,安全性好,適合于一卡多用。因此本門禁系統的非接觸式IC采用M1卡[1]。

工作原理：讀寫器向M1卡發一組固定頻率的電磁波，卡片內有一個LC串聯諧振電路，其頻率與讀寫器發射的頻率相同，在電磁波的激勵下，LC諧振電路產生共振，從而使電容內有了電荷;在這個電容的另一端，接有一個單向導通的電子泵，將電容內的電荷送到另一個電容內儲存，當所積累的電荷達到2 V時，此電容可做為電源為其他電路提供工作電壓，將卡內數據發射出去或接取讀寫器的數據。

3 讀/寫卡器的設計

讀/寫卡器采用MF-RC500芯片。MF-RC500是Philips公司為Mifare卡設計的專用讀卡芯片,它支持ISO14443A所有的層。MF-RC500是應用于13.56 MHz非接觸式通信中高集成讀卡IC系列中的一員。該讀卡IC系列利用了先進的調制和解調概念，完全集成了在13.56 MHz下所有類型被動非接觸式通信方式和協議。其功能框圖如圖2所示。

MF-RC500內部包括并行微控制器接口、雙向FIFO緩沖區、中斷、數據處理單元、狀態控制單元、安全和密碼控制單元、模擬電路接口及天線接口。MF-RC500外部接口包括數據總線、地址總線、控制總線、電源等。MF-RC500的并行微控制器接口自動檢測連接的8 bit并行接口的類型。模擬電路包含一個具有極低阻抗橋驅動器輸出的發送部分,這使得最大操作距離可達100 mm，接收器可以檢測到非常弱的應答信號[2]。讀/寫卡程序設計流程如圖3所示。

圖2 讀/寫卡器功能框圖

圖3 讀/寫卡程序流程圖

4 控制器的設計

控制器采用MSP430F149單片機，而MSP430F149采用的是16 bit的RISC結構，指令的執行時間只需要150 ns;具有超低的功耗,它在休眠條件下工作的電流只有0.8 μA；有兩個串口通信模塊：USART0、USART1，兩個串口都可以通過軟件設置成異步串行通行UART模式或者同步串行通信SPI模式；MSP430F149提供的片內Flash為60 KB，同時片內還提供較多的RAM，以便運算時處理；提供P1.0～P6.0共 6個數據端口[3]，能為用戶提供更多的處理功能。

5 485轉換器的設計

由于RS232通信有以下幾個弱點：傳輸速率比較低，一般低于 20 kb/s；傳輸距離有限，通常在通信距離低于15 m的場合使用；抗噪聲干擾弱等。因此，本門禁控制器采用RS485通信方式，RS485傳輸速率最高可達到10 Mb/s,傳輸距離的最大標準可達到4 000 feet，并且由于采用平衡驅動器和差分接收器的組合，抗共模干擾能力增強,即抗噪聲干擾性好[4]。因此，可采用RS232/RS485轉換器RS3485實現RS232總線和RS485總線的相互轉換。

RS485串口通信協議設計思想是基于幀傳輸方式。為了使數據快速、可靠地傳輸，將每一幀數據對應一個命令幀，傳輸數據即執行命令。一次完整數據傳輸可以采用如圖4所示的幀定義。