ID卡读卡器的开发及其在门禁系统中的应用

ID卡读卡器的开发及其在门禁系统中的应用
摘要
20世纪90年代射频识别（RFID）技术开始兴起，因其是一种非接触的自动识别技术，具有防水、防磁、耐高温、使用寿命长、读取距离大、安全性高、存储数据容量大以及存储信息更改方便等优点，得到了广泛的研究，并在电子收费、铁路机车车辆识别与跟踪、集装箱识别、贵重物品的识别与跟踪、宠物管理、出入门禁与考勤、车辆防盗等领域得到应用。

本文分析了ID卡应答器的基本工作机理以及ID卡内部信息的存储空间结构，并详细研究了ID卡的读卡原理和方法。

在此基础上，进行了基于ID卡的门禁控制系统的软件和硬件开发。

用Protel软件设计了电路原理图和PCB板，主要包括ID卡读卡电路、ISP下载电路,电源电路、E2PROM存储器扩展电路、实时时钟电路和门锁控制接口电路，论述了主要元器件的选型方法以及各部分电路的工作原理。

用Keil软件编写了射频信号的解码程序及门禁控制程序，并用流程图进行了说明。

经过实际电路的制作和反复调试，实现了基于ID卡的智能门禁管理功能。

关键词：射频识别，读卡器，曼彻斯特码，电控锁
The development of ID card reader and its application in the access control system
Abstract
RFID technology, which emerged in the 1990s，is a non-contact automatic identification technology. Because it has advantages of waterproof, antimagnetic, high temperature, long service life, long reading distance, safe, large capacity of data storage, easy to modify information, etc., it has been extensively studied a nd widely used in many fields such as the electronic toll system, railway rolling stock and track identification, container identification, valuables of the recognition and tracking, pet management, access and attendance access control, vehicle anti-theft, and so on.
The basic working mechanism of the ID card transponder and the internal information storage structure of ID card is analyzed. The principle and the method of ID card reading are studied in detail.On the basis of that, the software and hardware of access control system based on ID card is developed. Both e lectronic schematic and PCB are designed by Protel.The circuit schematic mainly includes ID card reader circuit, ISP download circuit, power circuit, EEPROM memory expansion circuit, real-time clock circuit and the lock control interface circuit.The selection methods of main components and the working principle of each circuit part are described.Keil software is used to programming of the radio frequency signal decoding and access control. The designed program is illuminated by flow chart.The management function of intelligent access control base on ID card is realized at last through the experience of actual circuit production and repeated debugging.
Key Words：RFID; Reader;Manchester code;Electronic Control Lock
目录
摘要 (i)
Abstract (ii)
第一章引言 (1)
1.1历史及特点 (1)
1.2 系统组成 (2)
1.3 发展趋势 (2)
1.4 主要工作及章节提要 (3)
第二章射频识别原理概述 (4)
2.1 应答器的原理 (4)
2.1.1 应答器的分类及优缺点 (4)
2.1.2 应答器的物理特征 (5)
2.1.3 应答器的工作机理 (5)
2.2 读卡器的原理 (6)
2.2.1 能量供应 (7)
2.2.2 数据传输与编码方式 (9)
第三章 ID卡读卡器的开发 (11)
3.1 ID卡读卡器硬件设计 (11)
3.1.1 系统整体规划 (11)
3.1.2 芯片选型 (11)
3.1.3 硬件电路设计 (13)
3.1.4 电路硬件的焊接与调试 (18)
3.3 解码程序的设计 (19)
第四章基于ID卡读卡器的门禁控制系统的实现 (22)
4.1 电源模块 (23)
4.2 时钟模块 (23)
4.3 数据存储模块 (25)
4.4 模拟门禁模块 (26)
4.5 电控锁 (27)
4.6 系统联调 (27)
第五章总结与展望 (29)
参考文献 (31)
致谢...................................................... 错误！未定义书签。

附录. (33)
第一章引言
ID卡读卡器是RFID技术的具体应用。

ID卡门禁系统属于自动化系统(BAS)中的智能安防系统,集自动识别技术和现代安全管理措施为一体,是解决重要部门出入口安全防范的有效措施,也是实现数字化安防的重要手段，适用于银行、宾馆、机房、仓库、机要室、办公室、智能化小区、工厂等各种场合。

门禁控制器是门禁系统的核心部分,相当于计算机的CPU ,负责整个系统输入,输出信息的处理、储存和控制等,能验证输入信息的可靠性,并根据出入法则和管理规则判断其有效性。

1.1 历史及特点
RFID技术自20世纪四五十年代诞生以来已经取得长足的发展，七十年代开始有了一些简单的应用，九十年代标准化问题被提出并在商业领域开始广泛的应用，进入二十一世纪标准化问题日趋为人们所重视，射频识别产品种类更加丰富，有源电子标签、无源电子标签及半无源电子标签均得到发展，电子标签成本不断降低，规模应用行业扩大。

至今，射频识别技术的理论得到丰富和完善。

单芯片电子标签、多电子标签识读、无线可读可写、无源电子标签的远距离识别、适应高速移动物体的射频识别技术与产品正在成现实并走向应用。

本文所要研究的ID卡读卡器门禁系统即采用无源只读标签识别系统。

完善门禁系统通常具有如下特点[1]：
a)卡片分级别按时区管理，实现对不同人群的管理。

b)可使用双介质控制方式，即使用个人卡识别与个人密码相结合，出控制更安全。

c)对卡片的使用期限或使用次数进行严格的控制，尤其适用人员流动频繁的场所。

d)对没有关好的门及非法开门可以提示、报警。

e)提供核准开门方式，即在视频监视系统的配合下，操控人员全面验证出入者合法性之
后，做出适当选择，准许或拒绝开门。

f)门禁控制器或读卡器被破坏，门禁控制器会产生报警，并停止工作。

g)遗失后可挂失并补发新卡，既不会影响出/入口安全管理，也不影响个人进出。

h)可对所有出入事件，报警事件、事故事件等进行记录，分类查询，做出报表。

i)门禁控制器极为可靠，他采用机内电池作为后备电源，即使外部电源终端，也不会影
响门禁控制器的正常工作，电池没电时可以发出报警信号。

正如上述所述，门禁系统具有诸多优点，具有广阔的应用前景，牵涉到我们生产，生活，
工业自动化等领域，拥有极高的研究价值。

特别是在门禁安防系统相对于传统的门锁安保具有无法比拟的优势，轻巧，安全，管理方便；随着门禁系统的进一步研究，门禁系统的应用性能进一步提高，有朝一日取代传统钥匙门锁成为现实。

1.2 系统组成
门禁系统通常由应答器（电子标签）、读卡器、门禁控制器或控制中心计算、电控锁、其他设备和门禁软件组成。

应答器
ID卡/IC卡）
图1.1 读卡器和应答器是射频识别系统基本部件
应答器中一般保存按照一定格式的编码数据（卡号），用以唯一标识标签所代表物体，通过设置卡号权限控制持卡人权限。

读卡器通过天线发送出一定频率的射频信号，当应答器进入读卡器工作区域时，其天线线圈产生感应电流，从而应答器获得能量被激活并向读卡器发送出自身的数据编码信息，读卡器接收来自应答器的载波信号，对接收数据进行解调和解码后根据卡号信息进行相应操作，复杂门禁系统通常是由读卡器将数据送至控制中心计算机进行处理；计算机系统根据接受数据判断该卡号的职能权限，进行相应的操作，并对操作信息进行记录保存。

本设计主要研究有读卡器接收数据并进行相应操作的情况。

1.3 发展趋势
ID卡读卡器是RFID技术的具体应用，其表现形式相当广泛，与我们的生活生产息息相关。

随着芯片技术、天线技术、无线收发技术、数据变换与编码技术、电磁传播特性等技术的综合发展，其应用性能将得到进一步的提高，使用范围将进一步延伸，将在门禁管理、资产回收、物料处理、医疗、宠物管理、工业自动化、联合票证等领域拥有更加广泛、高效、安全的应用。

其在门禁系统的作用同时随着RFID技术的发展其安全可靠性进一步提高，功能得到进一步的扩充，实现无人化门控管理。

特别是随着千兆为以太网的广泛应用，使门禁系统的系
统化管理的高效实现成为可能，使得大型学校、超市、公司的防盗安保能力得到大幅改善[2]。

1.4 主要工作及章节提要
本文所论述的工作，主要是在实验室提供的平台上，从事ID读卡器的设计开发研究。

简单说，主要是实现125KHz的无源标签数据的读取及模拟门禁操作。

本文具体论述的工作主要RFID基本原理的研究，读卡器电路板的硬件设计，PCB板设计，硬件连接及调试，读卡程序及门禁程序编写调试，门禁执行装置选型。

本文的主要章节安排如下：
第一章，介绍RFID技术的特点、发展历史以及发展趋势，系统的基本组成，如何实现在门禁系统中的应用，以及门禁系统应用特点，确定本文的研究思路。

第二章，研究射频识别技术的基本原理，从应答器和读卡器两个方面进行论述。

介绍了应答器的种类，物理特性，工作机理；读卡器的能量供应，数据传输与编码方式。

第三章，介绍125KHz读卡器的设计开发。

详细阐述了读卡器设计，硬件系统的芯片选择，电路设计，PCB板制作，电路连接，电路调试；详细介绍软件设计思想与实现。

第四章，论述门禁信号转化为门禁效果，对电源电路、时钟电路、扩展存储电路设计研究，模拟门禁电路的设计，以及电控锁的选型。

第五章，总结本次毕业设计，以及对门禁系统发展的展望。

第二章射频识别原理概述
射频识别（RFID）是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境。

本章从射频技术两个基本模块应答器和读卡器分析其工作原理。

2.1 应答器的原理
应答器是射频识别技术（RFID）两个基本构成部分之一。

当应答器进入读卡器的工作区域后，由应答器中电感线圈和电容组成的谐振回路接收读卡器发射的载波信号，读卡器中芯片的射频接口模块由此信号产生出电源电压、复位信号及系统时钟，使芯片“激活”；芯片读取控制模块将存储器中的数据经调相编码后调制在载波上，经应答器内天线回送给读卡器。

2.1.1 应答器的分类及优缺点
应答器指的就是射频卡(包括ID卡和IC卡)，通常被称作电子标签(tag)。

按照电子标签与读卡器的通信方式，可将电子标签分为接触式电子标签和非接触式电子标签两种。

接触式电子标签通过卡片表面8个金属触点与读卡器进行物理连接来完成通信和数据交换。

非接触式电子标签通过无线通信方式与读卡器进行通信，通信时非接触电子标签不需要与读卡器直接进行物理连接。

按照是否带有微处理器，射频卡可分为存储卡和智能卡两种。

存储卡仅包含存储芯片而无微处理器，一般的电话IC卡即属于此类。

将指甲盖大小的带有内存和微处理器芯片的大规模集成电路嵌入到塑料基片中，就制成了智能卡。

银行的IC卡通常是指智能卡。

智能卡也称为CPU(中央处理器)卡，它具有数据读写和处理功能，因而具有安全性高、可以离线操作等突出优点。

所谓离线操作是与联机操作相对而言的，它可以在不连网的终端设备上使用。

离线操作不仅大大减少了通信时间，也能够在移动收费点 (如公共交通)或通信不顺畅的场所使用。

同样是射频卡可以作为电子标签，IC卡和ID卡还是拥有一些区别的。

主要表现在：IC 卡全称集成电路卡(Integrated Circuit Card)，又称智能卡(Smart Card)，可读写，容量大，有加密功能,数据记录可靠,使用更方便，ID卡全称身份识别卡(Identification Card)，是一种不可写入的感应卡，含固定的编号；IC卡在使用时，必须要先通过IC卡与读写设备间特有的双向密钥认证后，才能进行相关工作，从而使整个系统具有极高的安全保障，ID卡与磁卡一样，都仅仅使用了“卡的号码”而已，卡内除了卡号外，无任何保密功能。

ID卡性能远远逊色与IC卡，主要体现在一下几个方面：1、安全性--ID卡内的卡号读取
无任何权限，易于仿制。

IC卡内所记录数据的读取，写入均需相应的密码认证，甚至卡片内每个区均有不同的密码保护，全面保护数据安全；2、可记录性--ID卡不可写入数据，其记录内容(卡号)只可由芯片生产厂一次性写入，开发商只可读出卡号加以利用，无法根据系统的实际需要制订新的号码管理制度；IC卡不仅可由授权用户读出大量数据，而且亦可由授权用户写入大量数据(如新的卡号，用户的权限，用户资料等)，IC卡所记录内容可反复擦写；3、存储容量--ID卡仅仅记录卡号；而IC卡(比如Philips mifare1卡)可以记录约1000个字符的内容；4、脱机与联网运行--由于ID卡卡内无内容，故其卡片持有者的权限，系统功能操作要完全依赖于计算机网络平台数据库的支持，而IC卡本身已记录了大量用户相关内容(卡号，用户资料，权限，消费余额等大量信息)，完全可以脱离计算机平台运行，实现联网与脱机自动转换的运行方式，能够达到大范围使用，少布线的需求。

本设计主要讨论ID卡的原理及应用，实现对ID卡数据的读取。

2.1.2 应答器的物理特征
ID卡通常是使用聚乙烯封装，其对温度非常稳定, 当它曝露在高温或者低温的极限值下时, 其尺寸变化不大；PVC也是常用的制作材料之一，其价格便宜，但对环境有污染，其柔软性也不如聚乙烯。

卡的尺寸通常是85.5x54mm，按卡的厚度分标准卡厚度1.8mm，标准薄卡0.8mm，非标准薄卡1.05mm。

可以在卡的表面胶印、丝网印刷、打印照片。

卡内有天线、整流电路、数据调制电路、序列发生电路、数据编码电路等组成。

2.1.3 应答器的工作机理
读卡器将载波信号经天线向外发送；ID卡进入读卡器的工作区域后，ID卡天线与其读卡器的天线之间构成空间耦合“变压器”，由卡中电感线圈和电容组成的谐振回路接收读卡器发射的载波信号，ID卡中芯片的射频接口模块由此信号产生出电源电压、复位信号及系统时钟，使芯片“激活”；芯片读取控制模块将存储器中的数据经调相编码后调制（相移键控调制方式）在载波上，经ID卡内天线回送给读卡器；读卡器对接收到的卡回送信号进行解调、解码后送至中心控制器；由中心控制器根据一定规则判断卡号的合法性，针对不同应用做出相应的处理和控制。

图2.1 是ID卡工作原理框图。

目前，市面使用的ID卡多以JK4001、H4001、EM4001、TK28等居多，其结构和工作原理都一样，故只掌握一种便可通用了。

ID卡内部阵列存储空间结构如图2.2所示：ID卡内部64位信息由5个区组成：9个引导位“1”，10个行奇校验位“P0--P9”，4个列奇校验位“PC0--PC3”,40位数据位“D00--D93”和一个停止位“0”。

9个引导位是出厂就掩膜到晶片内的，其值为111111111。

当它输出数据流时，首先是输出9个引导位，然后是10组由
4个数据位和1个行奇校验位组成的数据串，之后是1组由4个列奇校验位组成的数据串，最后是停止位“0”,“D00--D13”是一个8位的晶片版本号或ID识别码。

“D20-- D93”是4组32位的晶片信息，即卡号。

当ID卡得电初始化后，便依次将这64位数据反复输出，直到卡片离开基站读写器失电为止。

本毕业设计使用TK28型号ID卡。

图2.1 ID卡工作原理框图[5]
图2.2 ID卡内部阵列存储空间结构
2.2 读卡器的原理
本章所研究ID卡读卡器设计，是RFID技术的具体应用，其原理等同于RFID技术的原理。

RFID技术的基本工作原理：应答器进入磁场后，接收读卡器发出的射频信号，凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息（Passive Tag，无源标签或被动标签），或者主动发送某一频率的信号（Active Tag，有源标签或主动标签）；读卡器读取信息并解码后，送至中央信息系统进行有关数据处理。

一套完整的RFID系统，是由读卡器(Reader)与电子标签(TAG)也就是所谓的应答器(Transponder)及应用软件系统三个部份所组成，其工作原理是Reader 发射一特定频率的无线电波能量给Transponder，用以驱动电路将内部的数据送出，此时Reader 便依序接收解读数据，送给应用程序做相应的处理。

以RFID 卡片阅读器及电子标签之间的通讯及能量感应方式来看大致上可以分成，感应偶合(Inductive Coupling) 及后向散射偶合(Backscatter Coupling)两种, 一般低频的RFID大都采用第一种式，而较高频大多采用第二种方式。

基本工作方式分全双工和半双式以及时序系统。

在全双工和半双工系统中，在读卡器接通高频电/磁场的情况下应答器的应答响应发送出去的。

因为与读卡器本身的信号相比，在接收天线上的应答器的信号很弱的，只有使用合适的传输方法，才能有效区分应答器的信号与读卡器的信号。

现实生活中，人们对应答器到读卡器的数据传输往往使用读卡器发射频率的谐波，负载调制，或者有副载波的负载调制，在市场上不难找到相对应的产品。

时序方法则相反，阅读器的电/磁场短时间周期的断开，这些间隔被应答器识别出来，并被用于应答器到阅读器的数据传输。

缺点就是:在阅读器发送间隙里时，应答器的能量供应中断，这就必须通过装入大容量的辅助性电容或辅助电池进行补偿。

读卡器根据使用的结构和技术不同可以是读或读/写装置，是RFID系统信息控制和处理中心。

读卡器通常由耦合模块、收发模块、控制模块和接口单元组成。

读卡器和应答器之间一般采用半双工通信方式进行信息交换，同时阅读器通过耦合给无源应答器提供能量和时序。

在实际应用中，可进一步通过Ethernet或WLAN等实现对物体识别信息的采集、处理及远程传送等管理功能。

应答器是RFID系统的信息载体，目前应答器大多是由耦合原件（线圈、微带天线等）和微芯片组成无源单元。

2.2.1 能量供应
应答器有有源应答器和无源应答器，无源应答器因其体积少、使用寿命长、工作环境要求不高、使用成本低其具有更加广阔的市场空间，更具有研究价值。

本毕业设计所研究就是无源应答器，其工作的能量完全来自于读卡器，应答器能否有效工作关键在于读卡器能否有
效的供应能量，研究读卡器能量供应、选择恰当的耦合方式设计读卡器是至关重要的。

射频识别技术通常是根据耦合距离来进行分类的，其耦合的距离由读卡器信号发射频率决定，通常可以把射频识别系统分为以下几类[3]：
a)密耦合系统：可以在直流至30MHz之间的任意发射频率工作，作用距离很少，通常
范围从0到1cm，必须把应答器插入读卡器或置于读卡器的表面才能工作。

因应答器不必发射电磁波，紧密耦合能提供较大的能量甚至可供电流消耗大的微处理器工作，应用于对距离不高的场合.
b)遥耦合系统：在应答器和读卡器之间以电感方式耦合，来发送频率，可读写的距离最
长达到1米，通常使用135KHz以下的频率，或使用 6.75MHz、13.56MHz以及
27.125MHz频率。

通过电感耦合可以传输的能量很少，因此只适用耗电很少的只读数
据载体，通常用于使用微处理器的高档应答系统。

c)远距离系统：使用微波范围内使用电磁波工作，典型的读写距离1到10米，频率通
常为2.45G，也有使用915MHz、5.8GHz和24.125GHz。

这个频段的射频识别系统的数据传输的标准方法是反向散射方法。

考虑到上述特点，我选着使用电感耦合方式125KHz的信号发射频率设计ID卡读卡器。

信号耦合等效电路图如图3.1所示。

无源应答器与读卡器之间的作用距离满足关系:R<λ(工作波长)，根据RFID技术电磁感应原理理论，属于遥耦合。

其中，为读卡器发射天线电感，为应答器线圈电感，为应答器线圈内阻，为应答器谐振回路的等效负载。

互感M在
上产生的电压=作为回路的信号源，由等效电路可推得回路的输出电压表达式:
图3.1 信号耦合等效电路
在其他因素不变时，若读卡器终端发射的信号频率与该谐振电路的谐振频率()
相等，则输出电压最大；偏离谐振频率时，电压将快速减少。

谐振信号经整流滤波后作为芯片工作电源，当该电压值达到TK28的要求时，芯片启动工作。

该谐振电路的输出电压值取决于Q值、交变磁场强度及频率。

显然，应答器与读卡器之间的距离直接影响该电压值[4]。

2.2.2 数据传输与编码方式
不管全双工还是半双工系统，所有己知的数字调制方式都可用于从读卡器到应答器的数据传输，而与工作频率或耦合方式无关。

凭借天线能量以电磁波的形式发送或接收。

改变电磁波的三种信号参数：功率、频率、相位其中之一，信息可以被编码，传送到空间的任何一点。

通常无线电所用的模拟调制方法根据调制方法的不同，可分为振幅键控制ASK，频移键控FSK和相移键控PSK。

数据调制方式不在于“能不能”而在于方式“优不优”。

a)振幅键控制ASK：可以通过乘法器和开关电路来实现。

载波在数字信号1或0的控
制下通或断，在信号为1的状态载波接通，此时传输信道上有载波出现；在信号为0的状态下，载波被关断，此时传输信道上无载波传送。

那么在接收端我们就可以根据载波的有无还原出数字信号的1和0。

对于二进制幅度键控信号的频带宽度为二进制基带信号宽度的两倍。

载波幅度是随着调制信号而变化的，其最简单的形式是，载波在二进制调制信号控制下通断，此时又可称作开关键控法(OOK)。

多电平MASK调制方式是一种比较高效的传输方式，但由于它的抗噪声能力较差，尤其是抗衰落的能力不强，因而一般只适宜在恒参信道下采用。

b)频移键控FSK：利用两个不同频率F1和F2的振荡源来代表信号1和0，用数字信号
的1和0去控制两个独立的振荡源交替输出。

对二进制的频移键控调制方式，其有效带宽为B=2xF+2Fb,xF是二进制基带信号的带宽也是FSK信号的最大频偏，由于数字信号的带宽即Fb值大，所以二进制频移键控的信号带宽B较大，频带利用率小。

主要优点是:实现起来较容易，抗噪声与抗衰减的性能较好,因此在中低速数据传输中得到了广泛的应用。

c)相移键控PSK：载波相位受数字基带信号的控制，如在二进制基带信号中为0时，载
波相位为0，为1时载波相位为π，载波相位和基带信号有一一对应的关系。

在最简单的方式中，二进制调制信号产生0和1。

载波相位来表示信号占和空或者二进制1和0。

对于有线线路上较高的数据传输速率，可能发生4个或8个不同的相移，系统要求在接收机上有精确和稳定的参考相位来分辨所使用的各种相位。

利用不同的连续的相移键控，这个参考相位被按照相位改变而进行的编码数据所取代，并且通过将相位与前面的位进行比较来检测。

射频识别系统完全可以把它认为是一个数字通信系统，从读卡器向应答器的传输可以分为三个主要功能模块：依次是阅读器中的信号编码(信号处理)和调制器(载波电路)，传输介质(通路)，以及应答器中的解调器(载波回路)和信号译码(信号处理)。

信号编码系统的作用是使要传输的信息和它的信号表示尽可能最佳地与传输通道的性能相匹配。

这种处理可以对信息提供某种程度的保护，以抗干扰或防信息碰撞，以及对信息某种特征的蓄意改变。

常用的编码方式有：NRZ(反向不归零制)编码、曼彻斯特(manchester)编码、单极归零制编码（Unipolar RZ）、差动双相编码(DBR)、米勒编码(miller)、差动编码和脉冲-间隙(PP)编码。

本设计所采用的是曼彻斯特(manchester)编码：在半个比特周期时的负边沿表示二进制l，半个比特周期中的正边沿表示二进制0。

曼彻斯特编码在采用副载波的负载调制时经常用于从应答器到阅读器的数据传输。