基于STM32工業級IC刷卡機系統設計

于韶東，解品星，李聰

（上汽通用東岳汽車有限公司，山東煙臺，264010）

0 引言

現代汽車廠有許多叉車、電瓶車、物料運輸車等特種車輛，為了安全起見，需要針對這些特種車輛進行權限管理，掌握車輛運行狀態，駕駛人的信息。基于STM32開發的工廠級IC刷卡機，從應用安全入手，通過原理分析，設計實現搭載無線射頻技術與紅外傳感器的刷卡機，安裝在各特種車輛上，使工廠管理人員對各特種車輛進行權限管理、信息數據收集等得到高效利用，同時對操作特種車輛增加雙重安全保護。

1 IC刷卡機系統原理分析

■1.1 權限卡類別

本系統將工卡分為超級卡、管理卡、會員卡三種。

超級卡：直接將卡號寫再單片機內部，掉電不會丟失，每個系統僅有一張，作用是授權管理卡。

管理卡：授權會員卡，將讀取的卡號會寫在存儲器，完成授權，可授權2張管理卡，授權完成的2張管理卡可獨立對會員卡授權。

會員卡：由管理卡授權，將新刷入的卡將被依次記憶在地址1-16中（可以擴展到256，增加EEPROM單元），完成授權，具有DRIVER功能，即具有操作特種車輛的權限。

只有在人體感應開關感應狀態下，會員卡操作才能使特種車輛上電；操作完成后，人體感應開關沒被感應超過10秒，特種車輛自動斷電。

■1.2 刷卡機系統邏輯

刷卡機系統邏輯圖如圖1所示。

2 IC刷卡機硬件設計

■2.1 RC522射頻技術電路設計

2.1.1 重要參考參數

EEPROM： 8K位；

扇區：16個扇區，每個扇區有4個塊，每塊16個字節，塊是其基本存儲單位；

工作頻率：13.56MHZ；

讀寫距離：10 cm以內；

讀寫次數：寫10萬次，可改寫10萬次，讀無限次；

工作溫度：-20℃～50℃(濕度為90%)。

圖1 刷卡機系統邏輯圖

2.1.2 組成及功能

卡片組成：天線和ASIC。

天線：卡片的天線是只有幾組繞線的線圈，很適于封裝到IS0卡片中。

ASIC：卡片的ASIC由一個高速（106KB波特率）的RF接口，一個控制單元和一個 8K位EEPROM組成。電氣原理圖如圖2所示。

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2V時，此電容可做為電源為其它電路提供工作電壓，將卡內數據發射出去或接取讀寫器的數據。

功能：具有防沖突機制，支持多卡操作；無電源，自帶天線；內含加密控制邏輯和通訊邏輯電路。

圖2 RC522原理圖

每個扇區有4個塊，塊0、塊1、塊2是數據塊，塊3是控制塊。每個扇區的密碼和存取控制是獨立的，可根據需求進行設定。

存取控制有4個字節，共32位。每個塊有三個控制位，以正和反兩種形式存在于存取控制字節中，決定了該塊的訪問權限。

2.1.4 通訊邏輯

射頻卡與讀寫器的通訊：通過復位應答、防沖突機制的判斷、選擇卡片和進行三次相互確認后進行數據操作。

對數據塊的操作： 讀、寫、加、減、存儲、傳輸、中止。RC522通訊邏輯如圖3所示。

圖3 RC522通訊邏輯圖

■2.2 EEPROM存儲電路設計

選用AT24C02作為 EEPROM存儲電路的芯片，增加卡號存儲需用。原理圖如圖4所示。

特點：低壓和標準電壓操作-2.7(VCC=2.7V至5.5V)-1.8(VCC=1.8V至5.5V)；兩線串行接口，施密特觸發器、濾波輸入以抑制噪聲；雙向數據傳輸協議，100k Hz(1.8V)和400k Hz(2.7V，5V)兼容性；為硬件數據保護編寫保護銷；自動計時寫周期(5msmax)，100萬寫周期。

圖4 AT24C02原理圖

■2.3 電源電路設計

刷卡機電路板有DC 5V和DC 3.3V電壓的需求，而工廠中電動叉車、電瓶車、物流運輸車具有不同的電壓等級，有輸入DC 24V、DC 36V、DC 48V等，為了滿足各類車輛對不同輸入電壓的需求，在設計電源電路時，選用型號：LM2576HV-5.0V穩壓芯片，設計電路將輸入轉換成穩定的DC 5V；選用型號：AMS1117-3.3V穩壓芯片，同樣設計電路獲得所需的DC 3.3V。

2.3.1 穩壓芯片LM2576HV-5.0特點

能提供降壓開關穩壓器的各種功能，優異的線性和負載調整能力；內部有頻率補償器和固定頻率振蕩器，減少外部元件的數量，不需要加外部散熱片使用方便；TTL關斷能力，低功耗待機模式；能驅動3A的負載，熱關斷及電流限制保護；輸入范圍廣，最高可達DC 60V，滿足各電壓等級的特種車輛使。

2.3.2 穩壓芯片AMS1117-3.3V特點

低dropout電壓調節器，可提供高達1A的輸出電流；優異的過載及過熱保護能力，防止環境影響；最大負載調整率:0.5%；高效的線性調節，優化電壓輸出。

3 IC刷卡機軟件設計與實現

（1）超級卡的卡號已經寫進單片機，掉電不會丟失，用來授權管理卡。當滿足授權條件，刷一次超級卡，便可以對管理卡進行授權。

//檢測到超級卡

if((SN[0]==admin[0])&&(SN[1]==admin[1])&&(S N[2]==admin[2])&&(SN[3]==admin[3])&&(newcard_bit==1)&&(card_id[0]==88))

{ count[0]=count[1]=count[2]=count[3]=0;

AT24CXX_Write(200,count,4);

admin_bit=1; admincard_bit=1;card_id[0]=99;newcard_bit=0;

（2）將需要授權的管理卡，寫進EEPROM中定義的地址。

//管理卡寫入2402地址0

if((newcard_bit==1)&&(card_id[0]==99)&&(SN[0]!=199))//寫管理卡

{ AT24CXX_Read(232,datatemp,4); delay_ms(100);

{if((datatemp[0]==8)&&(datatemp[1]==8)&&(datate mp[2]==8)&&(datatemp[3]==8))

{ LED0=LED1=1; AT24CXX_Write(248,SN,4); delay_ms(100);

LED0=0;admin_bit=99;newcard_bit=99;admincard_bit=99;newcard_bit=0; card_id[0]=77; LED0=0;LED1=1;}

if((datatemp[0]!=8)&&(datatemp[1]!=8)&&(datatem p[2]!=8)&&(datatemp[3]!=8))

{ AT24CXX_Write(240,SN,4); delay_ms(100);

LED0=0;admin_bit=99;newcard_bit=99;admincard_bit=99;newcard_bit=0;

card_id[0]=11; LED0=0;LED1=1;

AT24CXX_Write(232,NEXT,4); delay_ms(100);// Main Number of Card } }

（3）經過授權后的管理卡，在滿足條件的情況解便可以對會員卡進行授權。

//檢測到管理卡

AT24CXX_Read(240,datatemp,4); delay_ms(100);

if((SN[0]==datatemp[0])&&(SN[1]==datatemp[1])&&(SN[2]==datatemp[2])&&(SN[3]==datatemp[3])&&(newc ard_bit==1))//檢測管理卡

{ LED0=LED1=1; admin1_bit=1; newcard_bit=0;card_id[0]=66; LED1=0;}

AT24CXX_Read(248,datatemp,4); delay_ms(100);

if((SN[0]==datatemp[0])&&(SN[1]==datatemp[1])&&(SN[2]==datatemp[2])&&(SN[3]==datatemp[3])&&(newc ard_bit==1))//檢測管理卡

{LED0=LED1=1; admin1_bit=2; newcard_bit=0;card_id[0]=33; LED1=0;}

（4）授權的管理卡號會被依次寫進EEPROM相對應的地址，完成會員卡的授權。

//授權DRIVER

if((newcard_bit==1)&&(admin1_bit==1)&&(card_id[0]==66)&&(SN[0]!=199))

{ AT24CXX_Read(200,count,4);

j=count[2]; j++;

AT24CXX_Write(member[j],SN,4); delay_ms(10);

count[0]=count[1]=count[2]=count[3]=j;

AT24CXX_Write(200,count,4);delay_ms(10);

card_id[0]=55; admin1_bit=0;newcard_bit=0;

for(i=1;i<16;i++) }

（5）授權完成的會員卡，具有DRIVER功能，即具有操作特種車輛的權限。

//判斷是不是會員

if(newcard_bit==1)

{ LED0=LED1=1; for(i=0;i<20;i++)

{LED1=!LED1; AT24CXX_Read(member[i],datatemp,4);

if((SN[0]==datatemp[0])&&(SN[1]==datatemp[1])&&(SN[2]==datatemp[2])&&(SN[3]==datatemp[3]))//檢測到會員卡

{ f=1;} }

if(f==1){newcard_bit=0;Car_in_ok=!

Car_in_ok;delay_ms(2000);f=0;SystemInit();}

if(f!=1){ newcard_bit=0; f=0; } LED0=newcard_bit; }

（6）紅外感應開關的作用是：只有在感應的狀態下，會員卡才具有DRIVER功能；當操作特種車輛時，紅外為被感應超過5秒便會被斷電，需要被感應重新刷一次會員卡。

//紅外感應

if(KEY0==0) {delay_ms(2000);delay_ms(2000);delay_ms(1000);if(KEY0==0){Car_in_ok=1; newcard_bit=0;LED0=LED1=1;SystemInit();} }

}}

4 總結

本文通過對工廠特種車輛使用權限管理的調研，設計實現了基于STM32工業級刷卡器，通過紅外技術實現了雙重安全保護，并且采用性價比高的芯片等電子元器件，可以批量應用于工廠內不同輸入電壓等級的特種車輛、具有可管控的特種設備等。此款工業級刷卡器制作成本低，安全可靠性強，應用實效簡單，可推廣使用，助力安全生產。