CDIO空间门禁系统开发 毕业论文.doc
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1、摘要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MFRC522 外围电路的设计以及在此基础上的 PCB 布板的
2、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IAbstractAbstract This 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 specific target and reading and
3、 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 management. Paper main content an
4、d 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 hardware system of the C8051F3
5、01-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 implementation. Key words: RFID, C8
6、051F340, 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 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
7、.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244.2.2卡务管理254.2.3门禁管理254.3 上位机软件具体设计与实现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
8、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39 381.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
9、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
10、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
11、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,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
12、,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(int
13、elligent 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
14、)。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
15、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。IC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谐振电路产生共振,从而使电容内有了电荷;在这个电容的另一端,接有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
16、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IC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
17、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
18、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
19、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;(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
20、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)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
21、.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
22、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:(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)
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