基于RFID門禁系統(tǒng)的硬件設計案例目錄TOC\o"1-3"\h\u83731.1門禁控制器設計 167631.1.1微控制器 120533（1）空閑模式 26148（2）掉電模式 2202891.1.2讀卡器接口 2243181.1.3通信接口模塊 4110361.1.4實時時鐘接口 5168151.1.5I2C總線協(xié)議 716321.2射頻卡的設計 8295651.2.1讀寫器的微控制器 8156841.2.2讀寫器設計 993521.2.3天線的設計 11310111.3其他模塊設計 12射頻卡和門禁控制器是智能門禁系統(tǒng)的核心部分，為滿足上述的系統(tǒng)功能，其硬件設計如下：1.1門禁控制器設計該門禁控制器由微控制器（MCU）、讀卡器接口、I/O接口、通信接口、實時時鐘等部分組成。1.1.1微控制器根據(jù)門禁控制器要求低功耗、體積小、易升級、使用壽命長等特點，經過反復比較，本設計中微控制器選用PHILIPS公司的P87LPC767。P87LPC767芯片內含4KB存儲器，自身具有復位，電源監(jiān)控和看門狗功能。（1）處理器：采用加速處理器結構；（2）存儲器：內含4K字節(jié)OTP程序存儲器，128字節(jié)RAM,32字節(jié)用戶代碼區(qū)，可用來存放序列碼和設置參數(shù)；（3）串行口及通信接口：全雙工通用異步接收，發(fā)送器和FC通信硬件接口；（4）模擬功能：有兩個精確模擬比較器，通過外接RC器件組成四路A/D轉換器；（5）定時器：兩個十六位定時計數(shù)器，每個定時器都可設置為溢出時觸發(fā)相應端口輸出；（6）看門狗：看門狗定時器利用獨立振蕩器，無需外接任何元件；（7）復位：低電平復位，不需要外接元件；低電壓復位，掉電時系統(tǒng)會安全關閉。（8）低功耗模式：有空閑和斷電兩種省電模式。（9）電源監(jiān)控：防止或者減少上電及掉電時的錯誤操作；其中又包括兩種模式：（1）空閑模式P87LPC767芯片在進入空閑模式過程中，系統(tǒng)通過外圍設備器件進行工作，產生一個中斷信號，以用來激活處理器。將電源控制寄存器PCON內IDL位置位（即將PCON.0位設置為“1”時）就可以進入空閑模式見表4-1.PCON.1PD掉電控制位，置位就可進入掉電模式，掉電模式終止時清零PCON.0IDL空閑模式控制位，置位即可進入空閑模式，空閑模式終止時清零表4-1電源控制寄存器PCON[23]（2）掉電模式P87LPC767芯片進入掉電模式時，振蕩器將停止振蕩，此時的功耗損失為最小。將電源控制寄存器的PCON內的PD位置位（即將PCON.1位設置為“1”時）,這樣就可以進入到掉電模式。在掉電模式下，系統(tǒng)的電壓將降至RAM（隨機存儲器），僅給RAM保持供電，其他部分均不工作，進入掉電模式后RAM內存儲的內容將被保存下來。1.1.2讀卡器接口讀卡器和門禁控制器直接通過WG接口連接。WG格式是門禁系統(tǒng)中最常用的一種格式，如圖4-2所示，發(fā)送順序自左向右。圖4-2WG格式WG數(shù)據(jù)通過兩條數(shù)據(jù)線DATAO(D0)和DATA1(D1)發(fā)送。發(fā)送規(guī)則為：DATAO和DATA1在無數(shù)據(jù)信號輸送過來時，兩者保持高電平不變，若數(shù)據(jù)信號發(fā)送來的下一數(shù)據(jù)為0時，在DATAO數(shù)據(jù)線上出現(xiàn)一個5011s的低電平，而DATA1數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)信號將維持不變。若信號發(fā)送來的下一位數(shù)據(jù)為1時,在DATA1數(shù)據(jù)線上出現(xiàn)一個50us的低電平，而此時，DATAO數(shù)據(jù)線上的信號將保持不變。而在其他時間，一直保持高電平不變。WG接口如圖4-3所示，發(fā)送端發(fā)送的信號經三極管放大后，由三極管的集電極輸出，而接收端接收到的信號則是通過470Q的上拉電阻進行信號的輸入。圖4-3WG接口如圖4-4,WG接口在與該微控制器(MCU)進行連接時，數(shù)據(jù)線DATAO和DATA1與隨后送入該微控制器的中斷一起輸入。當WG接口的DATAO端或者DATA1端的數(shù)據(jù)線上有信號發(fā)送過來，都會產生一個中斷信號器，并將此中斷信號傳給控制器，使得該控制器進行相關信號的中斷處理，以便從I/O口的DATAO線上進行數(shù)據(jù)的采集工作。圖4-4WG接口與P87LPC767的連接射頻卡讀卡器本身不帶有電源，在與門禁控制器連接時，由門禁控制器提供相應的電源。門禁控制器與射頻卡讀卡器之間的連線還包括電源、地線GND,指示燈LED信號、WG信號的數(shù)據(jù)線DATAO,DATAD1。門禁控制器與讀卡器之間的連接圖如圖4-5所示，讀卡器內的卡號信息通過地址轉換器與門將控制器進行連接，完成信息之間的相互傳遞，讀卡器的BEEPER端與門禁控制器的LED端連接。圖4-5圖4-5門禁控制器與讀卡器的連接1.1.3通信接口模塊在門禁系統(tǒng)中，讀卡器一般距離控制管理中心的計算機相對比較遠，在兩者之間的通信過程中，在本文的設計中，信息管理中心的計算機與門禁控制器之間的通信采用RS485方式。RS485在通信傳輸方面采用差分傳輸?shù)姆绞剑瑐鬏斁嚯x可以達到1200米，它可以在一條平衡線上同時連接多個接收器。本文在對通信接口進行設計時，對RS485通信協(xié)議采用的是SP485R芯片，其管腳圖如圖4-6。SP485R接口芯片是由Sipex（即西伯斯）公司生產和設計的，其芯片各個管腳介紹如下：（1）在該芯片中，A端、B端都是總線接口端。A端是非反向接收輸入端，B端是反向接收輸入端，當A端的電平高于B端的電平時，輸出數(shù)據(jù)為“1”，當B端的電平高于A端的電平時，輸出數(shù)據(jù)為“0”。（2）DI端是發(fā)送器輸入端，與微控制器的TXD端（發(fā)送端）進行連接，從該端口發(fā)送微控制器輸出的信號；RO端是接收器輸出端，與微控制器的RXD端進行連接，從該端口發(fā)送要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信號給微控制器。兩個SP485R芯片之間也可以進行相互連接，其連接圖如圖4-7所示。在與微控制器進行通信的過程中，數(shù)據(jù)信號通過SP485R芯片的A、B端口進行傳輸，將該信號轉變?yōu)樗獋鬏數(shù)腞0信號，再傳送給微控制器的接收端。（3）DE端為驅動器的輸出使能端，高電平時（即數(shù)據(jù)位為“1”時）有效；RE端為接收器的輸出使能端,低電平時（即數(shù)據(jù)位為“0”時）有效。圖4-6SP485R管腳圖4-7SP485R互連電路該信號轉換器為RS232/RS485轉換器，其中的RS232同樣采用Sipex公司的SP232芯片，該芯片屬于低功耗、半雙工的通信芯片。RS232/RS485轉換器的原理圖如圖4-8所示。其轉換原理為：信息管理中心的計算機上的串口通信接口使用SP232芯片將通信數(shù)據(jù)轉換成TTL電平，然后將TTL電平與SP485R芯片一起轉換為RS485所需的電平，以實現(xiàn)計算機和訪問控制系統(tǒng)之間的溝通。圖4-8轉換器原理圖在設計過程中，考慮到干擾信號的發(fā)生，SP232芯片和SO485芯片之間存在光學隔離器，這提高了系統(tǒng)的防干擾能力并可以確認數(shù)據(jù)的正確性，這樣可以極大的提高數(shù)據(jù)傳輸效率和準確性。1.1.4實時時鐘接口本文設計的門禁系統(tǒng)，要求門禁控制器能夠根據(jù)每個時段的不同的時段屬性對出、入口進行不同的控制，同時又要準確的記錄出入該門禁系統(tǒng)的人員以及事件發(fā)生的時間，在遇到非法入侵時，系統(tǒng)要能產生定時報警和發(fā)生中斷，在系統(tǒng)管理人員完成對門禁系統(tǒng)的管理功能時，同樣也需要做詳細的時間和事件的記錄。因此，實時時鐘的設計在本次門禁系統(tǒng)中是不可缺少的。PCF8563芯片是由PHILIP公司生產的，它是一款內含I2C總線接口功能的低功耗、多功能的CMOS實時時鐘芯片，具有報警功能、定時器功能、時鐘輸出功能、中斷輸出功能，能完成各種復雜的定時服務。其內部時鐘電路、內部震蕩電路，不但使外圍電路非常簡捷，同時也增加了芯片的可靠性能。PCF8563的工作電壓范圍比較寬，從1.0-2.5V均可，所有地址和數(shù)據(jù)都是通過FC總線接口串行來傳輸?shù)?，最大總線速率可達400Kbits/s,提供一個可編成的時鐘輸出，通過編程，可以輸出不同頻率的時鐘。同時，PCF8563芯片內含16個8位可尋址寄存器，分別為：可自動增量的地址寄存器、內置32.768KHz的振蕩器（帶有一個內部集成的電容）、分頻器（用于給實時時鐘RTC提供源時鐘）、可編程時鐘輸出（地址為0DH）、定時器、報警器（寄存器地址09H—0CH）、掉電檢測器、400KHzC總線寄存器，這16個寄存器可以對系統(tǒng)所需的時鐘數(shù)據(jù)進行有效的存儲。本設計采用RCF8563實時時鐘芯片，電路圖如圖4-9所示:圖4-9實時時鐘電路圖（1）OSCI為晶振輸入，OSCO為晶振輸出，外接32.768KHz的外部振蕩器；（2）VDD為電源引腳；（3）INT為中斷輸出，CLKOUT端口為時鐘脈沖輸出端口；（4）SCL為FC總線接口的時鐘輸入端，與微控制器P87LPC767的P1.2引腳相連，作為時鐘輸入端；（5）SDA為FC總線接口的數(shù)據(jù)信號輸入/輸出端，與微控制器P87LPC767芯片的P1.3引腳連接。RCF8563芯片的功能如下：報警功能：當報警寄存器MSB的報警使能位AE端為數(shù)據(jù)位“0”時，報警條件才會有效，此時才能產生報警的功能；定時器：定時器的頻率由定時器的控制寄存器來設置，通常情況下可設置為4096Hz、64Hz、1Hz或l/64Hz。定時器一次倒計數(shù)完成后，都會由標志位TF(即TF設置為“0”時)產生一個中斷，作為中斷信號。復位：該芯片自身含有一個片內復位電路，該電路應用于振蕩器非工作狀態(tài)下。1.1.5I2C總線協(xié)議I2C(Intel-IntegratedCircuit)總線，又稱內部集成電路總線，是PHILIPS公司為簡化電路、提高硬件之間的數(shù)據(jù)傳輸效率，而推出的一種擴展技術，該技術用于芯片間的串行通信。它支持所有的IC制造工藝，僅采用簡單的兩根線，一條串行數(shù)據(jù)線SDA,一條串行時鐘線SCL,就可以完成主機與其他器件間的數(shù)據(jù)傳輸，并采用7位或10位尋址，數(shù)據(jù)傳輸率最大可達400Kb/so通過I2C總線相連的每個器件都有唯一的一個地址，同時，這些器件在總線上都可以作為發(fā)送器或者接收器進行應用RS。在I2C總線中，每一個時鐘脈沖產生就可以傳輸一個數(shù)據(jù)位。（1）當串行數(shù)據(jù)線SDA和串行時鐘線SCL都處于高電平時，F(xiàn)C總線處于空閑狀態(tài)。（2）時鐘信號是高電平時，SDA±的數(shù)據(jù)位在穩(wěn)定狀態(tài)。（3）當SCL線處于高電平時，從SDA線到低電平的更改為總線啟動條件。當SCL線路低時，SDA線從低電平變?yōu)楦唠娖健訔l件和停止條件由主設備控制。（4）在數(shù)據(jù)傳送過程中，先傳送數(shù)據(jù)的最高位，再依次傳輸其他位，最后傳輸一個應答位，該應答器的脈沖也是由主控器產生的。圖4-10為I2C總線的啟動和停止條件。圖4-10I2C總線的啟動和停止條件1.2射頻卡的設計無線射頻卡技術主要特點是使用過程方便簡單、具有很強的抗干擾性、安全性較高，可應用多種場合。本文設計主要包括了射頻卡讀寫器、天線的設計和選擇和通信接口模塊。1.2.1讀寫器的微控制器微控制器是射頻卡讀寫器工作的核心部分。主要任務是在數(shù)據(jù)信號與讀寫器之間實施雙向傳輸，并在控制訪問控制時將數(shù)據(jù)寫入讀卡器，運輸相關的MCU操作的描述包括聲音，光線和顯示部件接口，并且可以在RS-232通信接口中使用。AT89C52主要特性為：（1）內嵌非易失8KB的EPROM(ProgrammableErasableReadOnlyMemory)；（2）256B的RAM；（3）32個I/O口；（4）3個16b的時鐘/定時器；（5）芯片具有一個全雙工的串行端口；片內具有獨立晶振、內設時鐘電路。該芯片同時具有兩種低功耗的模式，一種是閑置狀態(tài)下，另一種是掉電模式下。圖4-11為其芯片引腳圖在選擇該芯片的過程中，注重了低功耗的條件，芯片本身具有三種低功耗模式,包括時鐘停止模式、Idle模式及掉電模式。這三種模式都可以使門禁系統(tǒng)和讀卡器在傳輸數(shù)據(jù)的過程中降低功耗。該芯片在時鐘停止模式下工作時，系統(tǒng)的時鐘頻率可以降低功耗。該芯片在時鐘停止模式下工作時，系統(tǒng)的時鐘頻率可以降至最低，即0MHz；而在Idle模式下，微控制器進入到睡眠狀態(tài)，其他器件電路將繼續(xù)工作，通過硬件復位就可結束該狀態(tài)；掉電模式可以通過軟件來實現(xiàn)。圖4-11P87LPC767引腳排布圖1.2.2讀寫器設計該射頻卡中，射頻卡讀寫模塊的設計非常重要，在這種設計中，仍然采用了菲利普的產品，即MFRC500芯片。MFRC500工頻率為13.56MHz,支持ISO14443A層，可在不需要外部電源的情況下驅動電線，操作范圍在0到100mm,靈活的終端處理電源，在產品的序列號范圍內可以自動檢測。其內部結構框圖、引腳封裝圖分別如圖4-12,4-13所示。圖4-12MFRC500內部結構框圖圖4-13MFRC500引腳圖（1）天線接口：TX1、TX2都是數(shù)據(jù)輸出端，輸出經過調制的13.56MHz的載波。（2）電源：TVSS、TVDD主要為發(fā)射器電路供電，AVDD、AVSS主要為模擬電路供電，DVDD、DVSS則主要為數(shù)字電路供電。TVDD端、AVDD端、DVDD端輸入的電壓都為5V。（3）輔助管腳：AUX端口為輸出管腳端，為該芯片提供了各種模擬測試信號輸出。（4）復位管腳：RETPD可以作為復位和低功耗控制端，當輸入信號為高電平時，系統(tǒng)內部電路為低耗狀態(tài)，下降沿時芯片復位。（5）振蕩器：OSCIN為晶振輸入端，可外接13.56MHz的石英晶體，也可作為外部時鐘的輸入端；OSCOUT為晶振的輸出端。微控制器AT89C52與射頻卡讀寫器MFRC500的部分電路連接如圖4-14所示。圖4-14AT89C52與MFRC500連接電路圖1.2.3天線的設計天線本身是轉換器，其將傳播在傳輸線上傳播的引導波變換，并將無線介質（通常是可用空間）變換為傳播或執(zhí)行逆變換的電磁波。射頻卡讀取器天線主要用于產生大量的磁通量，并且所得到的磁通量向RFID標簽提供一些能量。因此，當發(fā)送數(shù)據(jù)信息時，需要以下方面：（1）雖然隨著電流的增加，磁通量增加，但是由于天線線圈產生的電流越大，所產生的磁通量也就越大；（2） 根據(jù)磁通量的所產生的可用能量，從最大程度上滿足功率匹配；（3） 天線應有足夠帶寬，以便利于載波信號傳輸。對于13.56MHz的系統(tǒng)來說，本文設計的讀卡器天線采用的尺寸規(guī)格是65mm*54mm又因為13.56MHz的頻率是在波段中是屬于短波段的，因為在天線的選擇方面，可以選用小環(huán)天線。表4-1天線大小與讀寫距離關系表1.3其他模塊設計防盜報警模塊防盜報警模塊由探測器、區(qū)域控制器和集中控制器3個部分組成。探測器是整個