基于ARM和射频识别技术的网络型门禁系统设计

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3.0 陈辉 2024-11-19 5 4 2.27MB 73 页 15积分

侵权投诉

摘要

门禁系统是一种管理人员进出的数字化管理系统。属于智能弱电系统中的一种

安防系统,它作为一种新型现代化安全管理系统,它集微机自动识别技术和现代安全

管理措施为一体，涉及电子、机械、计算机技术、通讯技术等诸多新技术。

经济高速增长的同时，人们对安全问题的关注促使全球安防产业市场快速发展

作为安防产业中的门禁系统已成为多数智能化项目中最常见的安防子系统之一；在

政府、企业、工厂、汽车、金融、医院、部队等行业得到了大量应用，目前，中国

已成为继美国之后全球第二大安防市场，市场前景光明。

本文首先分析了设计门禁系统的影响因素和技术要求，然后提出整个门禁系统

的设计框架。接下来详细介绍门禁控制器主要涉及的相关技术和硬件电路的设计，

包括ARM的特点及选型、电源电路、扩展存储器电路、输入信号电路、输出信号

电路和RS485通讯接口设计。

在读卡器的设计部分，首先介绍了射频识别技术的原理和系统组成。然后详细

分析对读卡器硬件电路的设计，特别是射频IC电路和天线电路。阐述天线设计的理

论基础。对直接匹配的天线电路进行等效处理，求出简化电路，计算电路参数，然

后设计各子电路。最后简单介绍了键盘电路和韦根接口电路的设计。

软件部分首先分析了读卡器和射频卡的通信过程，然后主要分析读卡器中的射

频卡通信程序，简要介绍了韦根数据输出程序和SPI通信程序。门禁控制器软件部

分分析ARM的启动过程和应用程序的设计流程。

关键词：ARM 门禁系统 RFID

ABSTRCT

Ac c e s s c o n t r o l s y s t e m i s a d i g i t a l m a n a g e m e n t s y s t e m w h i c h c o n t r o l s t h e a c c e s s

of doors. It is a sma rt systm i n a security syste m. As a modern security management

s y s t e m , i t c o m b i n e s m i c r o p r o c e s s o r - b a s e d a u t o m a t i c i d e n t i f i c a t i o n t e c h n o l o g y a n d

m o d e r n s a f e t y m e a s u r e s , s u c h a s e l e c t r o n i c s , m a c h i n e r y , c o m p u t e r t e c h n o l o g y ,

communication technology and many other new technologies.

A l o n g w i t h th e r a p i d e c o n o m i c g r o w t h , t h e s e c u r i t y c o n c e r n s p r o m p t e d t h e

d e v e l o p m e n t o f g l o b a l s e c u r i t y i n d u s t r y m a r k e t s . Se c u r i t y a c c e s s c o n t r o l s y s t e m

industry has become one of the most important security systems; and it is widely used

in government, enterprises, factories, automobiles, banks, hospitals, military and other

industries.At present, China has become the largest security market in the world beside

USA.So the prospect of the access control market is brightly.

F i r s t l y, t h i s p a p e r a n a l y z e s t h e f a c t o r s w h i c h a f f e c t a c c e s s c o n t r o l s y s t e m a n d

t e c h n i c a l r e q u i r e m e n t s. Th e n I w i l l i n t r o d u c e t h e a c c e s s c o n t r o l s y s t e m d e s i g n

framework. Secondly, the technology of access controller and hardware circuit design

w i l l b e d e s c r i b e d , s u c h a s t h e c h a r a c t e r i s t i c s a n d s e l e c t i o n o f A R M, p o w e r s u p p l y

circuit, extended memory circuits, input signal circuit, output signal circuit and RS485

communication interface design.

A b o u t r e a d e r d e s i g n, I w i l l i n t r o d u c e t h e p r i n c i p l e o f Ra d i o Fr e q u e n c y

IDentification technology and the composition of RFID system. Then I will analyse the

r e a d e r ’s h a r d w a r e c i r c u i t d e s i g n , e s p e c i a l l y R F I C c i r c u i t a n d a n t e n n a c i r c u i t .

The theory for antenna design will be described. For dire ct ant enna matching circuit,

find the equivalent circuit, figure out the circuit parameters, and then design each sub-

c i r c u i t . F i n a l l y i t’s a i n t r o d u c t i o n o f k e y b o a r d c i r c u i t a n d W i e g a n d i n t e r f a c e c i r c u i t

design.

About software design, the communication process between RF card and reader

will be analysed, then design the RF card reader communication program, a description

of the Wiegand data output process and SPI communication program

w i l l b e p r e s e n t e d l a t e r. A b o u t ac c e s s co n t r o l l e r s o f t w a r e , I w i l l i n t r o d u c e t h e b o o t

p r o c e s s o f A R M a n d t h e d e s i g n p r o c e s s o f a p p l i c a t i o n p r o g r a m , a n d s h o w t h e

application program design flow chart.

Key Words：ARM, Access Control System, RFID

目 录
摘要
ABSTRACT
第一章 绪 论.........................................................1
§1.1门禁系统简介................................................1
§1.2国内外门禁技术发展现状及趋势................................2
§1.2.1 国际发展情况..........................................2
§1.2.2 国内发展情况..........................................3
§1.3该门禁系统特点..............................................4
§1.4本课题需要解决的问题........................................4
§1.5 本章小节...................................................5
第二章 基于ARM和射频识别技术网络型门禁系统总体设计方案...............6
§2.1 门禁系统的影响因素和技术要求...............................6
§2.2该门禁系统的设计框架.......................................10
§2.2.1控制器简介............................................10
§2.2.2射频识别技术和读卡器简介..............................12
§2.2.3读卡程序和门禁控制程序简介............................13
第三章 控制器硬件电路设计...........................................15
§3.1 CPU的选型..............................................15
§3.1.1 CPU的选型原则........................................15
§3.1.2 I/O分配..............................................17
§3.2 电源电路设计..............................................18
§3.2.1 电源方案的选择.......................................18
§3.2.2 原理设计.............................................18
§3.3存储电路设计...............................................24
§3.2.1 SDRAM 技术和设计.....................................24
§3.2.2 FLASH 技术和设计.....................................26
§3.4 以太网电路设计............................................29
§3.5 输入信号电路设计..........................................30
§3.6 输出信号电路设计..........................................32
§3.7 RS485通讯接口电路设计.....................................32
第四章 射频识别技术和读卡器电路设计.................................35
§4.1 射频识别技术..............................................35
§4.1.1 射频识别技术简介.....................................35
§4.1.2 射频识别系统组成.....................................35
§4.2 读卡器电路设计............................................37
§4.2.1 MCU的选型和控制电路设计..............................37
§4.2.2电源设计..............................................38

 
§4.2.3 射频IC控制电路设计...................................39
§4.2.4 天线电路设计.........................................44
§4.2.5 键盘电路设计.........................................44
§4.2.6 韦根接口电路设计.....................................44
第五章 软件设计.....................................................44
§5.1 读卡器与Mifare射频卡的通信过程分析........................44
§5.2 读卡器程序设计............................................44
§5.3 门禁控制器软件设计........................................44
第六章 总结与展望...................................................44
参考文献............................................................44
附录................................................................44

第一章绪论

§1.1门禁系统简介

门禁系统是一种管理人员进出的数字化管理系统。

门禁系统是安防系统中的一个子系统,它可以和视频监控、报警系统联动，起

到安全管理的作用。作为一种现代化安全管理系统,门禁系统集自动识别技术和现

代安全管理措施为一体，涉及电子、计算机、通讯、机械、生物技术等诸多新技术

门禁系统是实现自动化进出管理安全有效的措施。

现有的门禁系统有：密码门禁系统,非接触IC卡 (感应式IC卡)门禁系统，指纹

虹膜等生物识别门禁系统等。密码门禁系统的缺点是密码容易泄露，又无从查起，

安全系数很低。生物识别门禁系统安全性高，但是成本相对较高，并且存在识别率

和存储容量的问题，因此没有广泛推广。因而，目前最通用的还是非接触IC卡门禁

系统【1】。本文中，非接触IC卡门禁系统一律简称为门禁系统。

门禁系统按结构可分为独户型门禁和多门联网型门禁两大类。

单门门禁系统是门禁发展的雏形，单门门禁可以实现对单门的管理，但是随着

经济的发展和现代化建筑的增多，在政府、企业、酒店、银行、医院和军队等部门

和场所，需要能够实现多门的集中控制和管理，多门联网型门禁就是在这种背景下

诞生的。

联网型门禁系统保持了单门门禁系统的良好性能。该类系统工作时通过前台管

理软件或者浏览器远程控制和管理门禁控制器和读卡器，并可与其他安防系统联动

记录门禁活动；在一些高保密性的应用场合，还可以实现进出人员身份识别、人员

定位和区域监控等功能，极大的提升了门禁系统的管理能力和应用范围。本文要介

绍的就是联网型门禁系统的设计与实现【2】。

门禁系统基本由门禁控制器、门禁读卡器、卡片、电控锁和相应的软件、电源

和其他相关门禁设备几部分组成。

门禁控制器：门禁系统的控制核心部分。它负责整个系统的输入、输出信息的

处理和储存、控制等。它验证门禁读卡器输入信息的可靠性，并根据预先设定的规

则判断其合法性，合法则控制电控锁等执行部件动作。因此，门禁控制器的性能直

接影响整个门禁系统的稳定性和功能。

门禁读卡器：是门禁系统信号输入的关键设备，用于读取卡片中的数据信息。

卡片：扮演钥匙的角色，同时也是进出人员的证明。从工作方式来分可分为接

触卡（包括磁卡和接触式IC卡）和感应式非接触卡，其中非接触IC卡由于使用寿命

长、保密性强而得到广泛应用。

电控锁：门禁系统中锁门的执行部件。为了符合消防要求，电控锁一般是断电

开门。这种锁具适用很多场所，应用最为广泛。

门禁软件：实现门禁系统的监控、配置、查询等功能。通过扩展功能完成进出

控制、人员定位等功能。

电源和其他相关门禁设备：电源是负责整个门禁系统的能源。其他门禁设备如

出门按钮，按一下打开开门设备，适用于对出门无限制的情况；再如门磁，运用于

检测门的安全/开关状态等。通信和电源电缆等。

基于 ARM 和射频识别技术的网络型门禁系统设计

图1.1 门禁系统组成框图

§1.2国内外门禁技术发展现状及趋势

§1.2.1 国际发展情况

门禁系统是随着自动识别技术的发展而迅速发展起来的，国外门禁系统的知识

品牌有美国休斯（HID）、霍尼韦尔（HONEYWELL）、以色列DDS、美国泰克

（TYCO）等品牌【3】。

目前国外研制的门禁系统安全性较高，但是价格昂贵。一整套门禁系统的报价

在万元左右。国内生产的非接触IC卡门禁系统的价格比国外的同类产品低很多，但

是总体性能较差。

美国西屋公司（1998年被Honeywell收购）是世界上第一套感应式门禁系统的

发明者，至今近六十年的发展史，成为行业内公认的门禁第一品牌。其系统采用目

前门禁系统最为先进的网络型结构，能够实现集中控制管理，各个门禁控制器又可

以分布式控制，起到联网操作的目的。在网络有问题的时候按照事先编制的程序控

制和管理，使整个门禁系统安全可靠。此外，该系统还可以实现人员定位和监控，

对于不同的区域可以设置不同的安防等级，对不同人分配不同的门禁等级，可以实

现区域智能管理。另外它还有一整套记录系统，可以对各种报警事件和人员的进出

情况进行记录，提供管理效率和安全性。

电锁、按钮、门磁

通信及电源线缆

门禁管理软件

门禁控制器

门禁读卡器、门禁卡

第一章绪论

§1.2.2 国内发展情况

随着经济的快速发展，这其中引起的社会治安状况也令人担忧，人们对安全问

题的关注促使安防市场快速发展。安防产品需求量也日益增多。门禁系统是智能化

项目中最常见的安防子系统之一；同时，门禁一卡通系统在企业、政府、汽车、工

厂、银行、医院、军队等行业得到了广泛应用，到2007年,中国已成为继美国之后

全球第二大安防市场。

国内从事门禁系统有科松、中控、捷顺等公司。目前，国内门禁系统的发展方

向主要集中在感应门禁系统和生物识别门禁系统。

根据有关数据显示，2005-2006年在中国国内门禁市场中以RFID为主的门禁系

统市场规模大约有25~30亿左右。ü国内的门禁控制器市场主要在100门以下的中

小项目中，100门以上的大项目中，国内厂商的占有率较国外品牌很低，并且国内

门禁在地域分布上也呈现一定的不均衡性，这与各地的门禁发展速度有关。不过经

过多年的发展，有些国内门禁品牌已经可以与国外品牌相媲美【4】。

目前，由于国内市场的不断发展变化；对于门禁市场及技术发展已呈多元化、

集成化发展趋势，针对门禁功能的应用已不再局限于单一门禁控制应用的需求，门

禁技术的发展出现呈二条主线模式发展，一条是以国外门禁厂商以技术领先引导的

综合性门禁集安防和控制的技术路线，一条是以国内以卡技术应用为主的一卡通平

台模式发展的路线，结合了符合中国国内用户需求的应用特点，把门禁管理融合到

一卡通整体平台管理中体系中，实现门禁、电梯、考勤、消费、停车场、会议签到

等门禁一卡通应用平台。ü随着安防设备网络化的演变，门禁系统与视频监控、和

防盗报警功能将进一步的融合，其集成化的门禁系统解决方案，集成了防盗报警设

备及CCTV监控系统、联动空调灯光控制，将成为未来门禁市场的发展趋势。

§1.3该门禁系统特点

相比于其他门禁系统，该门禁的特点如下：

1，使用32位RISC处理器AT91SAM9260。性能优异，支持Linux、WinCE

等操作系统，实现复杂的软件控制。使系统性能得到最大提升。且扩充以

太网功能，可以联网操作。

2，读卡器采用MSP430单片机，功耗可以严格控制。

3， 2门控制器，通过RS485网络最多可扩展到20道门。以太网和RS485网

络的结合使布线方式更灵活，对以往的门禁控制器兼容性也较好。

4，集内嵌的Web Server服务器和门禁控制功能于一身。通过Web界面实现

完整系统配置。该解决方案容许用户通过Web浏览器的方式对门禁系统进

行设置和管理，而不需要考虑操作系统和硬件平台。

5，支持10000个持卡人，事件存储容量为25000个报警和事件。

6， 127个时段和255个节假日，128个访问级别。

7，卡格式兼容性：Mifare卡，支持Wiegand（韦根）格式。

8，内置SQLLite数据库，可将系统数据库手动备份到本地客户端计算机，

报警和事件数据库自动备份ü。

9，主控制器有以太网端口与TCP/IP网络连接，从控制器使用RS485连接用

基于 ARM 和射频识别技术的网络型门禁系统设计

作下挂控制面板ü。

10，实时事件和报警监控，门的状态可视化查看和门锁及其他装置的实时

手动控制。üü

§1.4本课题需要解决的问题

基于ARM和射频识别技术的网络门禁系统研究的主要内容和需要解决的问题

包括硬件电路设计和软件设计。

硬件电路主要包括控制器硬件电路和读卡器硬件电路。控制器部分由CPU

（ARM）、存储设备SDRAM和FLASH、以太网电路、电源、继电器电路、

UART、485、RTC电路和PSOC电路（检测门磁状态等信号）。读卡器主要涉及

MSP430单片机电路设计，射频识别电路设计，天线电路设计等。

软件部分主要包括U-Boot和Linux在ARM9平台的移植，读卡器软件，嵌入式

Web Server设计，门禁应用程序等。

§1.5 本章小节

本章从基本概念出发，先介绍了门禁系统基本知识，包括的其组成、特点和国

内外发展趋势。然后介绍了基于ARM和射频识别技术的网络型门禁系统的特点，

关键技术问题等。

该系统的创新点在将ARM和射频识别技术应用在门禁控制系统中。采用分布

式集中控制方案，利用ARM硬件平台，实现网络控制和大容量存储，易于系统的

扩展和升级。以太网和485总线相结合，提高了系统的实时性和稳定性。读卡器的

CPU选用TI公司的低功耗芯MSP430，占用系统更少的资源，功耗更小，射频IC采

用MF RC531，可以实现很好的读卡效果和读取距离，兼容性也较好。

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摘要：

摘要门禁系统是一种管理人员进出的数字化管理系统。属于智能弱电系统中的一种安防系统,它作为一种新型现代化安全管理系统,它集微机自动识别技术和现代安全管理措施为一体，涉及电子、机械、计算机技术、通讯技术等诸多新技术。经济高速增长的同时，人们对安全问题的关注促使全球安防产业市场快速发展作为安防产业中的门禁系统已成为多数智能化项目中最常见的安防子系统之一；在政府、企业、工厂、汽车、金融、医院、部队等行业得到了大量应用，目前，中国已成为继美国之后全球第二大安防市场，市场前景光明。本文首先分析了设计门禁系统的影响因素和技术要求，然后提出整个门禁系统的设计框架。接下来详细介绍门禁控制器主要涉及的相关技术和硬...

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