張學(xué)龍

（湖南師范大學(xué)工學(xué)院，湖南長沙410081）

基于MIFARE技術(shù)的開放性實(shí)驗(yàn)室硬件控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張學(xué)龍

（湖南師范大學(xué)工學(xué)院，湖南長沙410081）

建設(shè)開放性的實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理模式，必將是高等學(xué)校教育改革的核心工作之一。本系統(tǒng)采用非接觸式的射頻識別技術(shù)后，實(shí)現(xiàn)自動計(jì)時計(jì)費(fèi)，自動生成報(bào)表，將實(shí)驗(yàn)室管理人員從繁雜的開關(guān)門工作中解放出來，從技術(shù)層面加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的日常管理，必將產(chǎn)生較高的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

開放性；射頻識別；讀寫器；自動化；單片機(jī)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)及自動控制技術(shù)的發(fā)展，賓館、商店、小區(qū)、學(xué)校等需要進(jìn)行身份認(rèn)證的服務(wù)性區(qū)域，非接觸式的射頻IC卡技術(shù)得到了很大的應(yīng)用。這些系統(tǒng)基本都是利用非接觸式IC卡技術(shù)進(jìn)行門禁控制、計(jì)時收費(fèi)管理，功能相對比較單一。而在學(xué)校電子閱覽室、實(shí)驗(yàn)室、琴房等區(qū)域，需要根據(jù)使用者的身份授權(quán)，刷卡開啟門禁，系統(tǒng)自動開啟對應(yīng)的使用設(shè)備，自動完成計(jì)時、考勤、計(jì)費(fèi)，并輸出數(shù)據(jù)報(bào)表，實(shí)現(xiàn)管理的自動化與智能化，對于建設(shè)開放性的實(shí)驗(yàn)室，將管理員從繁雜的開關(guān)門工作中解放出來，進(jìn)行控制系統(tǒng)的智能研究，是實(shí)驗(yàn)室智能管理的重要研究方向和必然發(fā)展趨勢。本研究主要采用非接觸式射頻卡控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)開放性實(shí)驗(yàn)室的智能控制。

一、研究的背景及意義

目前在國內(nèi)國外的同類研究中，非接觸式射頻卡技術(shù)的發(fā)展很快，在賓館、小區(qū)、商店超市等區(qū)域得到了大量的應(yīng)用。綜合國外的研究情況來看，主要是 TI、ST、SIEMENS、PHILIPS、MOTOROLA等廠家生產(chǎn)的產(chǎn)品，且他們自成系列，相互之間并不兼容，這給該技術(shù)的推廣應(yīng)用造成很大困難[1]。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織綜合該技術(shù)的發(fā)展情況，統(tǒng)一制定了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，也就促使各生產(chǎn)廠家推出符合符合這一標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品，大大促進(jìn)了非接觸式射頻技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用。我國在這一領(lǐng)域的起步較晚，相關(guān)的研究與國外還是有很大的差距，但是發(fā)展非常迅速，目前的應(yīng)用也主要是在門禁系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)簡單的計(jì)時、計(jì)費(fèi)，功能單一。

隨著我國高等教育改革的不斷深入，提高教育技術(shù)設(shè)備的使用率，建設(shè)開放性的實(shí)驗(yàn)室智能管理體系是改革的核心工作之一。要實(shí)驗(yàn)開放性實(shí)驗(yàn)室智能管理，結(jié)合無線電源管理技術(shù)，進(jìn)行校園非接觸式射頻技術(shù)“一卡通”設(shè)計(jì)研究，使用者經(jīng)身份授權(quán)，刷卡進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，并自動開啟使用設(shè)備的控制電源，完全能在技術(shù)層面實(shí)現(xiàn)開放性的實(shí)驗(yàn)室智能管理。從該技術(shù)的應(yīng)用來看，在湖南省高校的實(shí)驗(yàn)室管理中，也僅有長沙師范高等?？茖W(xué)校進(jìn)行了大膽的嘗試，雖然還有待進(jìn)一步完善，還是取得了很大的成功，其他高校應(yīng)用該技術(shù)進(jìn)行管理的少之又少，幾乎沒有，因此該技術(shù)有很大的發(fā)展空間。

二、非接觸式射頻識別系統(tǒng)

1、MIFARE 技術(shù)

MIFARE技術(shù)集計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動控制技術(shù)、傳感技術(shù)與機(jī)電一體化技術(shù)于一體的射頻識別技術(shù)的核心。MIFARE卡是目前世界上使用量最大、技術(shù)最成熟、性能最穩(wěn)定、內(nèi)存容量最大的一種感應(yīng)式智能IC卡[2][3][4]，其功能方框如下圖所示：

圖1：

主要包含模擬與數(shù)字兩大部分。模擬部分由正弦波-方波波形轉(zhuǎn)換電路、調(diào)制解調(diào)電路、整流電路、復(fù)位電路、電壓調(diào)節(jié)電路等幾部分組成；數(shù)字部分由請求應(yīng)答ATR模塊、防重疊AntiCollision模塊、SeleetApplieation卡片選擇模塊、Authentication&Acess control認(rèn)證及存取控制模塊、Contrel&Arithm Unit控制及算術(shù)運(yùn)算單元、RMA/RMO單元、Crypto Unit數(shù)據(jù)加密單元等幾個部分[5]。

2、非接觸式射頻識別系統(tǒng)的組成

非接觸式射頻識別系統(tǒng)主要由射頻MIFARE卡、射頻讀寫器兩大部分組成，其組成框圖如下圖所示：

（1）射頻標(biāo)簽

射頻標(biāo)簽也即是射頻卡，具有唯一的身份編碼與加密通信能力。其內(nèi)部包含內(nèi)置天線、射頻處理電路、數(shù)據(jù)存儲器等部分。射頻卡本身是不帶電源的，當(dāng)射頻卡靠近讀寫器時，由其內(nèi)置天線利用電磁感應(yīng)，通過互感接收射頻讀寫器發(fā)射的無線調(diào)制信號能量，再經(jīng)整流獲取本身所需要的工作電壓，在該電壓達(dá)到要求值時，激活內(nèi)置電路開始工作。射頻處理電路經(jīng)對接收的信號進(jìn)行解調(diào)，進(jìn)行身份認(rèn)證后，將數(shù)據(jù)信息存儲于數(shù)據(jù)存儲器中；數(shù)據(jù)存儲器中的數(shù)據(jù)信息經(jīng)射頻處理電路調(diào)制后，又由內(nèi)置天線發(fā)射出去，讀寫器接收該無線信號，實(shí)現(xiàn)射頻卡與讀寫器之間的數(shù)據(jù)雙向通信。由于讀寫器發(fā)射的無線信號很微弱，對卡與讀寫器之間的傳輸距離造成很大影響，需要對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息進(jìn)行調(diào)制處理，并遵守IS014443A通信協(xié)議。

（2）射頻卡讀寫器

射頻卡讀寫器又稱讀頭，是射頻卡與MCU之間的通信橋梁，主要由讀出寫入電路、射頻處理電路與內(nèi)置天線等幾部分組成。MCU發(fā)出的數(shù)據(jù)指令經(jīng)讀出寫入電路后，輸出至射頻處理電路調(diào)制，調(diào)制信號經(jīng)天線發(fā)射出去；天線接收到的無線信號經(jīng)射頻處理電路解調(diào)，由讀出寫入電路輸出至MCU，完成射頻卡與MCU之間的數(shù)據(jù)交換。

三、射頻卡讀寫器電路設(shè)計(jì)

射頻卡讀寫器的硬件電路分為MCU控制器、射頻控制電路、電平轉(zhuǎn)換電路、天線等幾個部分。MCU通過RS232模塊進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換后與PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，MCU輸出的數(shù)據(jù)信息經(jīng)射頻控制電路FM1715模塊調(diào)制后，從天線上發(fā)射出去。天線接收的無線信號經(jīng)FM1715解調(diào)后，將指令數(shù)據(jù)輸送給MCU。其原理框圖如下所示：

1、RS232通信接口電路

RS232是以正負(fù)電壓表示邏輯狀態(tài)，而TTL是以高低電平表示邏輯狀態(tài)的，要與計(jì)算機(jī)接口或終端的TTL器件相連接，可選用MAX232完成電平轉(zhuǎn)換。采用DB-9連接器，在通信速率小于或等于20kb/S時，電纜長度不能大于15米。

2、MCU電路設(shè)計(jì)

MCU由AT89C52為核心組成，電路設(shè)計(jì)如下：

在此電路中，P0口為讀寫模塊接口，是時分復(fù)用地址總線。CS為片選信號，ALE為數(shù)據(jù)寄存器讀寫控制信號。RST為復(fù)位端，按S1時，電路復(fù)位。

3、FM1715射頻模塊電路設(shè)計(jì)

FM1715是基于ISO14443標(biāo)準(zhǔn)，支持多種加密算法的讀寫專用芯片[6]。在該電路中，L1、L2、C2、C3、C4、C5 組成低通濾波器，其作用主要是濾除射頻信號中的高次諧波；Y1、C6、C7組成時鐘振蕩器；射頻接收信號經(jīng)C1、R1耦合后，輸入RX端，F(xiàn)M1715的30腳為RX端提供偏置電壓，C8旁路電容，濾除交流分量，使電路工作穩(wěn)定。

4、智能門鎖控制電路

管理主機(jī)輸出的信號，需要經(jīng)RS232/RS485轉(zhuǎn)換，可使傳輸距離延長至1500米。在RS232/RS485轉(zhuǎn)換器中，為了減小工業(yè)干擾的影響，需要采用光電耦合隔離，在RS485的一組平衡線中傳輸多組數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)管理主機(jī)與智能門鎖的數(shù)據(jù)通信。

隨著高等教育改革的不斷深入，實(shí)現(xiàn)智能化、無人化開放性實(shí)驗(yàn)室管理是發(fā)展的必然趨勢，非接觸式的開放性實(shí)驗(yàn)室智能管理系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域會非常廣闊，本系統(tǒng)的研究也必然會不斷深入，也給后續(xù)的研究帶來了新的課題。

[1]周曉光,王曉華.射頻識別（RFID）技術(shù)原理與應(yīng)用實(shí)例[M].北京:人民郵電出版社,2006.12.

[2]Standard Card IC MF1IC S70 Functional Specification.Philips Semicon ductors 2001.

[3]Philips Semiconductors.Mifare MF RC500 Highly Integrated IS014443A Reader ICData Sheet.Philips corporation.2001.

[4]Mifare Standard IC Card Design Data Sheet.Philips Semiconductor,2002.

[5]周立功.MIFARE標(biāo)準(zhǔn)IC卡MFII CS 50功能說明書[EB/OL].Http//www.zl gmeu.com,2002.

[6]何翔,劉大健.基于FM1715的射頻識別系統(tǒng)的開發(fā)[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2007（12）.

Design of Control System of Hardware About the Open laboratory Based on MIFARE Technology

ZHANG Xue-long
(Hunan Normal University,Changsha 410100，Hunan)

The Construction of the open laboratory teachingmanagement model,will be one of the core works about the reformof higher education.This paper adopts the contactless RFID technology,realization of automatic timing and charging,automatic report generation.It liberates the manager from the complicated switch door work,strengtheningexperimental teachingand daily management fromthe perspective of technology,and it well produces high social benefit and economic benefit.

open；radiofrequency identification；read/write device； automation；single chip microcomputer

G482

A

1671-5004（2011） 05-0014-02

2011-8-20

張學(xué)龍（1971-），男，湖南澧縣人，湖南師范大學(xué)副教授，研究方向：電路與系統(tǒng)。