1 讀寫模塊ZLG500簡介
1．1 ZLG500與MCU的接口原理
    ZLG500模塊采用Philips公司最新的高集成ISO14443讀卡芯片MF RC500，它能讀寫RC500內EEPROM，提供三線制SPI接口，并具有控制線輸出端口，能與任何MCU連接。ZLG500與MCS51單片機的接口原理圖如圖1所示。此外該模塊的EMC性能優(yōu)良，并且自帶無源蜂鳴器信號輸出，能用軟件控制其輸出頻率及輸出持續(xù)時間。

    圖中SCLK、SDATA、SS為ZLG500與MCU相連接的控制線，分別為時鐘線、數(shù)據(jù)線和片選。主控制器的MCU和讀卡模塊內的MCU通過此三線相連。接口空閑時，主機的SS=1，SCLK=O，SDATA=0，而從機的SS=1，SCLK=1，SDATA=O。其中SS和DATA都是雙向的，而時鐘線SCLK是單向的，即時鐘只能由主控制器產生，該信號必須嚴格遵守時序規(guī)范，否則將出現(xiàn)通信錯誤，此時讀卡模塊必須釋放該線。
    SS還作為數(shù)據(jù)發(fā)送使能端。若一方有數(shù)據(jù)要發(fā)送給另一方，則該方控制SS線為低電平，并在發(fā)送結束后將該線置高電平。接收數(shù)據(jù)方不得控制該線，雙方必須遵守通信協(xié)議，不得同時控制該線。SDATA為數(shù)據(jù)線，由數(shù)據(jù)發(fā)送端控制數(shù)據(jù)，接收端必須釋放該線。該線在一次傳輸開始時還同時作為數(shù)據(jù)接收端的響應信號。
1．2 ZLG500與MCU接口的時序及通信協(xié)議
    ZLG500與MCU無論數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较蛉绾?，SPI線上信號的波形總是如圖2所示。由圖中可以看出，在SS為低時，時鐘和數(shù)據(jù)線上的信號才有效；在SCLK為低時SDATA變化，在SCLK為高時SDATA應保持穩(wěn)定。

    以上傳輸中，從數(shù)據(jù)發(fā)送器請求開始至數(shù)據(jù)接收器響應的時間是不確定的，取決于接收器內的MCU是否忙，因此有必要設置看門狗定時器對數(shù)據(jù)接收器的響應進行監(jiān)視。一旦接收器響應，則MCU必須根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸方向，嚴格控制以下幾個時間，以確保數(shù)據(jù)傳輸無誤。
    t1：數(shù)據(jù)接收器響應至MCU產生第一個SCLK上升沿的時間。
    t2：2個字節(jié)傳輸之間SCLK低電平的持續(xù)時間。
    t3：傳輸最后1個字節(jié)的最后1位的SCLK信號的上升沿至SS上升沿的時間。
    tH：SCLK信號的高電平持續(xù)時間。
    tL：SCLK信號的低電平持續(xù)時間。
    在數(shù)據(jù)傳輸方向不同時，對時間t1、t2、t3、tH和tL都有不同的要求。
    MCU與ZLG500的通信必須先由MCU發(fā)送命令和數(shù)據(jù)給ZLG500，ZLG500執(zhí)行命令完畢后，將命令執(zhí)行的狀態(tài)和響應數(shù)據(jù)發(fā)回MCU。
    開始通信前，收發(fā)雙方必須處于空閑狀態(tài)。首先由MCU發(fā)出SS下降沿信號，然后等待ZLG500在SDATA線上的響應，若在50 ms內未檢測到此信號，則退出本次傳輸。若正確響應，則MCU可將命令和數(shù)據(jù)發(fā)送出去。
    然后MCU等待ZLG500發(fā)回的狀態(tài)和響應數(shù)據(jù)，即等待SS線上的下降沿信號。若在50 ms內未檢測到此信號，則退出本次傳輸；若正確檢測到SS信號，則可以接收狀態(tài)和數(shù)據(jù)。

2 智能卡門禁系統(tǒng)設計
2．1 總體結構
    系統(tǒng)采用Philips公司的非接觸智能IC卡Mifare 1(M1)卡。以M1卡作為用戶卡，以其全球唯一的序列號SN為依據(jù)控制門的開啟。由于它是一個高頻卡，工作頻率為13．5 MHz，因而具有較強的抗干擾能力且讀寫距離遠(2．5～10 cm)。
    整個智能卡門禁系統(tǒng)分為三大部分：其一是讀寫器部分，包括MCU、復位電路、時鐘電路、顯示電路、鍵盤、數(shù)據(jù)存儲等主控模塊及非接觸IC卡讀寫模塊和電鎖驅動部分；其二是中央控制電腦的軟件管理系統(tǒng)模塊；其三是中央控制電腦與讀寫器之間的數(shù)據(jù)傳輸模塊?？傮w系統(tǒng)框圖如圖3所示。

    首先，在發(fā)卡系統(tǒng)(中央控制PC機)里把用戶的卡號及個人信息輸入系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，并將該卡號作為合法卡號下載給所有門禁機。當有1張M1卡在門禁機的有效工作范圍內時，系統(tǒng)會自動向卡發(fā)出命令，卡接收到命令后向門禁機反饋其SN。門禁機判斷收到的卡號是否合法，合法則驅動電磁門鎖開門，并實時上傳其開門記錄；如果是非法卡(未經授權或已掛失的卡)則拒絕開門并上傳報警信息。只有最高授權者(掌握授權密碼)才可以發(fā)管理員卡，管理員必須用管理員卡方可登錄發(fā)卡系統(tǒng)進行發(fā)卡及下傳合法卡號、掛失、解掛、下傳黑名單等操作。
    通過AT89C52對ZLG500的控制完成對卡的讀寫。系統(tǒng)外圍配有RS232轉RS485接口能與PC機互連成網絡，可以完成讀卡、顯示卡號和出入時間、身份識別、開鎖以及保存和上傳出入記錄、下載黑名單、設置開門權限等功能。
    門禁機模塊的主控軟件主要完成門禁機模塊的初始化、卡的識別、開啟門鎖及保存有關數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)傳輸?shù)任宕蠊δ?。其總體工作流程如圖4所示。

2．2 主控模塊
    由圖3可以看出，智能卡門禁系統(tǒng)中主控模塊主要由MCU(AT89C52)、ZLG500、復位電路、時鐘電路、數(shù)據(jù)存儲接口電路、鍵盤與顯示接口電路及電鎖等幾部分組成?？梢钥闯鯩CU除了完成對ZLG500讀寫模塊的控制外，還要承擔其他功能的控制，主要包括4部分：數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)傳輸部分、實時時鐘和掉電保護部分、鍵盤和顯示部分、驅動控制部分。
2．2．1 數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)傳輸模塊
    各門禁點的出入記錄可采用實時上傳或定時采集的方式從門禁機傳輸給中央數(shù)據(jù)庫，前者對系統(tǒng)網絡速度要求較高，當網絡堵塞時有丟失數(shù)據(jù)的可能。本系統(tǒng)采用出入記錄暫時存儲在門禁機中，每隔一段時間(例如每周一次)上傳給中央數(shù)據(jù)庫的方式。為此要求門禁機具備一定容量的存儲器，用于暫存門禁數(shù)據(jù)以及由中央數(shù)據(jù)庫下載的授權卡號。門禁機存儲器的容量取決于一個門禁記錄的長度、系統(tǒng)的卡容量以及定時上傳周期內最大的刷卡次數(shù)等，通常應留有一定的余量以免由于超出存儲容量而丟失數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)采用AT24c256作為門禁機的存儲器，其存儲容量達64 KB，劃分成2個區(qū)：一個區(qū)用來存儲所讀取的記錄，另一個區(qū)用來存儲上位機下載的授權卡號。門禁機存儲器模塊的電路原理如圖5所示。

    AT24C256是Atmel公司的具有I2C總線結構，可電擦寫與編程的只讀存儲芯片(EEPROM)。MCU對AT24C256的讀寫必須遵循I2C總線傳輸?shù)臅r序要求，與AT24C01基本一致，在此不再贅述。
    對于1個單一的讀寫器來講，自身的數(shù)據(jù)存儲是有限的。讀寫器外帶的數(shù)據(jù)存儲器主要作為數(shù)據(jù)的臨時存儲，對于大量的、需要長期保存的數(shù)據(jù)，一般是通過有線或無線，甚至是網絡系統(tǒng)傳輸?shù)街骺赜嬎銠C中進行保存。
2．2．2主模塊的軟接口
    下面以主模塊中ZLG500與MCU(AT89C52)的通信為例來介紹智能卡門禁系統(tǒng)中主模塊的軟接口。ZLG500初始化的子程序如下：

    上述程序中CONFIG子程序為RC500的復位和配置子程序，是由MCU向ZLG500發(fā)出的不帶數(shù)據(jù)的命令程序；REQUEST子程序是MCU向ZLG500發(fā)出的帶1個字節(jié)數(shù)據(jù)的命令程序，主要是檢查有效范圍內是否有卡存在；ANTICOLL子程序是防沖突操作，必須在執(zhí)行RE—QUEST命令后立即執(zhí)行。
2．2．3 時鐘控制
    在門禁系統(tǒng)中，需要實時記錄出入數(shù)據(jù)(開門的卡號及其出現(xiàn)的時間)。若采用單片機軟件計時，一方面要占用硬件計數(shù)器資源，另一方面需要設置中斷、查詢等，耗費單片機的CPU資源。而在系統(tǒng)中采用芯片DSl302則能很好地解決這個問題。DSl302是美國Dallas公司推出的高性能、低功耗、帶RAM的實時時鐘芯片，它可以對年、月、日、周末、時、分、秒進行計時，且具有閏年補償功能，工作電壓2．5～5．5 V。圖6所示是實時時鐘芯片DSl302與MCU連接電路原理圖，DSl302采用三線接口與MCU進行同步通信，并可采用突發(fā)方式一次傳送多個字節(jié)的時鐘信號或RAM數(shù)據(jù)。

    MCU對DSl302的讀寫控制主要包括DSl302的初始化和讀取DSl302的時間和日期，初始化過程就是給DSl302賦予初始的時間和日期。當實時時鐘芯片被啟動后，在沒有接收到新的初始化指令的情況下，其內部的時鐘將一直不停地運行，從而保證時間的實時性和準確性；MCU在任何時候都可以通過讀取DSl302內部時間和日期寄存器中的值而獲得準確的時間和日期。關于實時時鐘芯片的使用可參見參考文獻。

3 與上位機的通信軟件接口設計
    上位機數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)采用Visual FoxPro編寫。本系統(tǒng)采用標準的通信控件communications進行通信程序的設計，實現(xiàn)掛失數(shù)據(jù)的發(fā)送、用戶卡號的發(fā)送、發(fā)卡和門禁模塊數(shù)據(jù)的接收。每次通信時，首先在上位機的init事件中初始化通信控件olecontroll，初始化設置為：

結 語
    智能卡的應用并不是簡單的讀寫卡操作，而是一個綜合性的工程項目。它不僅包括卡和讀寫模塊的選擇，還涉及讀寫模塊的控制、數(shù)據(jù)的傳輸、數(shù)據(jù)的處理和存儲；既需要有硬件應用的知識，還必須具有軟件方面的能力。本系統(tǒng)經過實際應用的驗證，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，操作簡單方便，因而具有較好的應用前景。