基于PR9200 芯片的門禁系統設計

豐子豪，王趙，洪瑤，周鵬

（安徽工程大學 電氣工程學院，安徽蕪湖，241000）

0 引言

隨著時代的發展，科技的不斷進步，人們正享受著高科技所帶來的便利和舒適，智能門禁系統關乎人們的人身安全、財產安全、系統安全和信息安全等重大問題，它在我們生活中已經成為不可缺失的一部分。有關報告指出，全球門禁系統市場規模大約為628 億元，預計到2028 年將達到1119 億元。2021 年中國門禁系統市場達到268 億元，預計到2023 年門禁系統市場規模有望突破300 億元。由此可以看出，如今，門禁已經成為人們生活中必不可少的智能化產品之一，而人們對門禁系統的需求量將會逐年增加。更高效、便捷的門禁系統一直社會關注的熱點的問題，我們利用PR9200 芯片設計了一套非接觸式門禁系統可以有效提高上述所說的問題。本文主要是針對醫院的人流量大的同時又需進行自我防護這一情景設計的系統，具有重要的應用價值。

1 整體系統設計

系統在正常工作過程中，當標簽進入到讀寫器的識別范圍內，讀寫器會發射超高頻電磁波（本文硬件的工作頻率在902～928MHz），而當標簽接收到讀寫器發射的電磁波后會回傳電磁波給讀寫器，經由讀寫器獲取電子標簽信息，讀寫器將標簽序列號發送給計算機后臺應用系統進行權限比對，只有達到權限級別，門禁系統才能控制閘機的開啟。系統結構圖如圖1 所示。

圖1 方案設計結構框圖

2 系統的硬件設計

■2.1 PR9200 芯片

2.1.1 PR9200 芯片的特點

PR9200 微型RFID 的模塊有如下特點：小體積、低成本、低功耗，高性能，可同時讀取多張標簽；支持多平臺對接；可自由調節發射功率以控制識別距離；識別速度快等。

2.1.2 PR9200 芯片的介紹

PR9200 芯片是一種集成度極高的芯片，其作為超高頻射頻讀寫核心模塊的核心芯片，內部集成強大的ARMCortexTM-M0 處 理 器、 高 效 能 的UHF 射 頻 收 發器、基帶調制解調器、RF/模擬控制器與存儲器（64K 閃存16KSRAM） 以 及 其 他 模 塊 等， 完 全 支 持ISO18000-6C&EPCC1G2 協議，而且PR9200 芯片上集成了更多的功能，所以外圍電路將更加簡單，開發難度大大降低，縮短開發周期。此外，在該芯片的基礎上可增加不同的外設，可以實現不同的功能，從而很大程度上拓展了超高頻RFID 的應用領域。PR9200 芯片內部功能框圖如圖2 所示。

圖2 PR9200 芯片內部功能框圖

■2.2 HC0900A03 芯片

HC0900A03 是一款先進的高性能計算機芯片。該芯片采用了先進的制程技術，擁有多個處理核心，可以同時執行多個任務，提供出色的計算性能。它還具有高度的集成度和低功耗特性，可以在各種應用場景下提供高效的計算能力，它還配備了豐富的存儲器接口和高速緩存，可以實現快速的數據讀取和存儲，提高計算效率。

此外，HC0900A03 芯片還支持多種外設接口，如USB、Ethernet、HDMI 等，可以與其他設備進行高速數據傳輸和通信。它還具有良好的可擴展性和兼容性，可以與各種操作系統和軟件平臺完美配合使用。

■2.3 RFID READER 硬件電路設計

RFID READER 是一個超低功耗的超高頻射頻天線一體化的開發模塊，由于PR9200 芯片本身的高效能，高集成度，使得RFID READER 開發模塊不需要太過繁雜的外圍電路與外部設備，僅僅需要一些維持模塊正常運轉的基本元器件，其中包括高性能的PR9200 芯片、圓極化陶瓷天線、LED指示電路、PC 端通信模塊接口等。RFID READER 開發模塊如圖3 所示。

■2.4 接口及其他電路

PR9200 芯片內部集成了ARMCortexTM-M0 處理器，對外接口包括：使能接口、復位接口、UART、SPI、I2C 等。

ARMCortexTM-M0 復位的觸發由持續的低電平信號來控制，為了保持芯片的正常工作，需要持續給復位接口穩定的高電平信號，本文采用上拉電阻電路維持高電平，利用軟件系統實現復位功能。

使能控制芯片處的輸入輸出信號，可以用來調整芯片當前的工作狀態，可以大大減少功耗，以達到節能的目的，其工作狀態與復位類似，也是需要給芯片持續的高電平來維持正常的工作。

4.2.1 華法林。華法林是臨床應用最廣泛的抗凝藥物，其作用機制是通過干擾維生素K參與的凝血因子Ⅱ、Ⅶ、Ⅸ、X在肝臟的合成過程而起到抗凝血作用。房顫病人應用華法林抗凝治療可使發生卒中的相對危險度降低50%以上，死亡發生率降低1/3左右。在嚴格檢測INR的前提下，華法林并不增加出血風險[17]。

PR9200 芯片包含四個正極引腳，它們分別為數字調制解調器、模擬電路、內部集成PA 和MCU 提供電源，輸入為3.3V。去耦電容的設計用來提供穩定的電源，應讓其盡可能靠近PR9200 芯片。此電容的作用是消除電源中的噪聲信號，以達到穩定電源。與此同時，為了優化線路，減小線路對電源產生的影響，去耦電容應當離核心芯片較近。

■2.5 讀寫器天線的選擇

在無線通信的領域中，天線是其中不可缺少的重要組成部分。RFID 的信息傳遞是通過無線電波來實現的，要想使信息在空間中進行傳播，需要通過天線來實現無線電波的產生和接受。同時，再通過無線電波進行能量傳輸時，也需要通過天線來完成非信號的能量傳送。天線對RFID 系統是非常重要的，其是無線通信系統中第一個也是最后一個器件，其一定程度上能夠決定RFID 系統的性能。天線的種類非常多，本設計中讀寫器的天線選擇使用陶瓷天線。

陶瓷天線有如下優點：耐高溫（100℃以上），耐高溫性好于一般的金屬材質的天線。一般金屬材質的天線最高溫度不超過80℃，而采用特殊處理的陶瓷天線可承受200℃～300℃高溫，天線在此高溫環境下沒有形變或形變極小；具有良好的導電性，進而實現天線的輻射；具有良好的抗干擾性；制作成本較低，貼片陶瓷天線的制作工藝相對簡單，成本低廉，可以滿足大規模的生產。陶瓷材料對酸、堿、鹽等化學物質具有較好的抗腐蝕性能，能夠在惡劣的環境下長期穩定工作；陶瓷材料的介電常數較低，能夠減少信號傳輸過程中的能量損耗，提高天線的傳輸效率。基于上述優點，本次設計中我們選擇使用3dbi 的圓極化陶瓷天線來發射電磁波，用來讀取標簽，最遠的有效距離在2m 左右，在3.5V供電的前提下持續電流＜200mA，能夠有效解決讀寫板的發熱問題。陶瓷天線如圖4 所示。

圖4 陶瓷天線圖

圖5 貼片式電子標簽

■2.6 電子標簽

電子標簽（Tag）又被稱為射頻標簽、應答器或是射頻卡。電子標簽是射頻識別系統中真正的數據載體，從專業技術的角度來說，電子標簽才是射頻識別的核心，讀寫器的設計是由電子標簽的性能決定的。電子標簽主要由標簽專用芯片以及標簽天線所組成，芯片主要用來存儲數據，而收發電磁波由天線來完成。對電子標簽的選擇，這里選取貼片式電子標簽，這類電子標簽可以粘貼在物體表面甚至鑲嵌到物體內部。對電子標簽的天線選取本文使用對稱振子天線，用印刷法制作工藝來生產天線，這種設計降低生產成本的同時能夠大大減少天線的長度，可以進行量產實現電子標簽的普及。

3 軟件設計

■3.1 終端監控

本設計基于PR9200 芯片的門禁系統設計，在RFID READER 硬件模塊進行讀卡操作，可進行多目標讀取、遠距離讀取、快速讀取。在PC 端使用Reader Utility，進入界面，PR9200 芯片內已經處理完成的信息將通過串口將信息傳輸到PC 端，最后在PC終端Reader Utility 內顯示。PC 終端監控圖如圖6 所示，該讀寫模塊同時讀取三張標簽卡，可迅速對進入指定范圍內的人進行身份識別。

圖6 PC 終端監控圖

■3.2 軟件介紹

Reader Utility 軟件界面主要分為兩個板塊，一部分是控制區，一部分是接收區，控制區又分為五個小區，分別是EPC/TID 讀取、預處理設定、標簽讀寫操作、標簽記憶區保護設定、標簽銷毀；接收區又分為兩個小區，分別為標簽統計、通信訊息，下面具體對每個小模塊進行解釋說明。

（1）EPC/TID 讀取

（2）預處理設定

由于讀卡器可以多目標連續識別，當處于存在多張卡的狀態時，需要選擇某張標簽做其操作標簽讀寫操作，我們需要用到該模塊，勾選Set Select to pre-command，在相應的地方填入對應的地址、數據長度，還有指定的標簽的編碼，最后輸入所選定的卡片的密碼，即選定該標簽。

（3）標簽讀寫操作

標簽中分為多個分區，該模塊就是用來對不同區的不同位置，不同長度進行選定，然后對相對應的扇區進行讀與寫的操作；首先選擇相應的扇區，其次在該扇區內選擇地址與要進行讀取的數據長度，最后進行讀操作或者寫操作（不同的扇區擁有的可寫區域大小不同，進行寫操作時應注意數據長度）。

（4）標簽記憶區保護設定

對標簽的各個區域的保護設定，對分區密碼、進入密碼、EPC 區塊、TID 區塊、用戶區塊等進行保護等級設定，該設定分為四個等級分別為，略過，可寫、永久可寫、永久密碼才能寫。

（5）標簽銷毀

當我們不需要該卡片或者該卡片需要銷毀時，我們在該模塊輸入待銷毀卡片的密碼，按下kill 按鈕，此操作會將TAG 標簽刪除無法再使用。

（6）標簽統計

在進行多標簽讀取時，所讀取的每一張標簽卡片的信息都會保存在此，比如卡片EPC 號、讀卡次數等，當我們需要這些卡片的信息時可以一鍵導出，存放在需要的地方。

（7）通信訊息

該區域用于顯示相關操作底層指令，比如，當我們進行讀卡操作時，讀取標簽的底層代碼都會顯示，當讀取失敗時，或寫數據失敗時，可以根據底層代碼指令來判斷是何種原因，提高效率。

■3.3 RFID READER 通信模塊

PR9200 芯片 支 持GPIO、I2C、UART 等對外接 口，本文的通信接口選擇使用UART 接口，為TTL 電平，與計算機系統通信中則需要將TTL 電平轉換為RS232 電平。計算機系統使用UART 接口向芯片發送相關的控制命令、接收返回信息和寫入程序等操作。PR9200 的GPIO 接口是可編程的通用輸入輸出端口，可以通過內部程序來控制輸入輸出以到達實現其他附加功能的目的。

4 結論

本文使用PR9200 芯片設計開發了一種微型的RFID 射頻模塊，使用PR9200 芯片設計讀寫器，使用抗干擾性能強、散熱較好的3dBi 圓極化陶瓷天線，以及半波對稱振子天線組成的便捷式貼片標簽，可以實現對電子標簽進行2m 范圍內的信息讀取。該系統利用自身高靈敏度、低功耗等優勢性能，提高了識別速率，實現了遠距離快速識別，從而減少在某些特殊場所人們的停留時間，避免人與人之間的間接接觸。本次設計中，實現的功能較為單一，在成本、環境的處理等方面仍有進步的空間。在今后的學習生活中，我們將繼續對該模塊進入深入研究，擴展其更多的模塊，完善功能，將其應用在更加廣闊的領域。