防復制電梯IC卡智能控制系統設計　

作者 常國權 張捐凈 安陽(yáng)工學(xué)院計算機科學(xué)與信息工程學(xué)院(河南 安陽(yáng) 455000)

*基金項目：2016河南省高等學(xué)校重點(diǎn)科研資助項目(編號：16A520034)

常國權(1973-)，男，碩士，副教授，研究方向：嵌入式技術(shù)應用與開(kāi)發(fā)。

摘要：為了實(shí)現對電梯的安全性、可靠性和智能化管理，采用IAP15F2K61S2單片機、MFRC500射頻芯片、繼電器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、存儲器模塊等設計了一種智能電梯刷卡控制系統，該系統識別不同權限的IC卡實(shí)現對電梯按鍵的智能控制，并采用動(dòng)態(tài)加密、存儲滾動(dòng)碼等方式防止IC卡被復制，從而保證系統的安全性和可靠性。經(jīng)過(guò)在多個(gè)小區的實(shí)際使用證明，該系統安全可靠、操作方便，達到了實(shí)際使用要求。

引言

　　隨著(zhù)我國社會(huì )經(jīng)濟的快速發(fā)展，高層建筑逐漸成為房地產(chǎn)開(kāi)發(fā)和消費的主體，電梯作為高層建筑必不可少的垂直交通工具，其需求量也日益增長(cháng)，各種類(lèi)型規格繁多的電梯系統已經(jīng)在高層建筑內投入運行^[1]。為了能對高層建筑的電梯實(shí)施更有效、更節能、更安全的規范化管理，本系統采用IAP15F2K61S2單片機、MFRC500射頻芯片、繼電器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、存儲器模塊等設計了一種智能電梯刷卡控制系統，該系統采用13.56MHz的IC卡作為存儲用戶(hù)信息和信息交換的載體^[2]，由發(fā)卡器、電梯控制器、上位機管理軟件三部分組成。系統采用動(dòng)態(tài)加密、存儲滾動(dòng)碼等方式防止IC卡被復制，一卡一密，復制的UID卡和FUID卡無(wú)法使用，電梯控制系統具有比對時(shí)間、地址、序列號、存儲刷卡記錄、緊急開(kāi)放開(kāi)關(guān)等功能;IC卡刷卡可按日期、按消費次數、按權限等使用，系統可以通過(guò)RS485網(wǎng)絡(luò )連接起來(lái)，實(shí)現如提取、管理刷卡記錄等功能。該系統可以對電梯實(shí)施有效的管理和控制，提高其運行效率，節省費用開(kāi)支，實(shí)現電梯管理科學(xué)化、規范化和安全化的目的。

1 系統概述

　　該電梯刷卡系統主要由發(fā)卡器、電梯控制器、上位機管理軟件三部分組成。發(fā)卡器設計包括USB通訊接口的設計、LED指示燈系統設計、射頻發(fā)卡系統設計、軟件系統設計及相應的通訊協(xié)議設計等，發(fā)卡器和上位機管理軟件按照約定的協(xié)議通訊，共同完成對各種用戶(hù)卡和管理卡的發(fā)放、回收等工作。

　　電梯控制器和發(fā)卡器核心部分采用宏晶科技公司生產(chǎn)的IAP15F2K61S2高速單片機和NXP公司生產(chǎn)的MFRC500讀卡芯片來(lái)設計，電梯控制器還包括DS1302時(shí)鐘模塊設計、MAX485模塊設計、DC-DC電源轉換模塊設計、AT45DB16存儲器模塊設計、16路繼電器模塊設計、信號驅動(dòng)模塊、擴展接口模塊、緊急開(kāi)放模塊以及相應的軟件系統設計等。

　　上位機管理系統采用VC++6.0和數據庫開(kāi)發(fā)而成的，采用USB接口和發(fā)卡器通訊，配合發(fā)卡器可以實(shí)現用戶(hù)登錄、系統管理、設備管理、用戶(hù)管理、刷卡記錄管理、修改權限以及讀卡、發(fā)卡、回收、掛失、解掛等功能。系統的總體結構示意圖如圖1所示。

2 系統硬件設計

2.1 系統電源設計

　　由于系統的IAP15F2K61S2單片機、MFRC500射頻模塊、繼電器和DS1302等模塊的工作電壓都是5V，5V電源需要的功率較大，因此，電源設計采用了效率更高、輸入范圍更寬、功能更強的DC-DC轉換器LM2596-5.0。LM2596系列是美國國家半導體公司(現已被TI公司收購)生產(chǎn)的3A電流輸出降壓開(kāi)關(guān)型集成穩壓電路，它內含固定頻率振蕩器和基準穩壓器，并具有完善的保護電路，包括電流限制及熱關(guān)斷電路等，利用該器件只需極少的外圍器件便可構成高效穩壓電路^[3]。AT45DB16存儲器模塊是3.3V工作電壓，由REG-1117-3.3V電源模塊單獨供電。由于LM2596是寬電壓輸入模塊，因此，系統的輸入電壓的范圍為7.5~40V。D3是防止電源接反保護二極管，LP1、LP2是系統的LED電源狀態(tài)指示燈。系統電源設計原理圖如圖2所示。

2.2 MFRC500電路接口設計

　　綜合成本、性能等各方面考慮，主控芯片選用宏晶科技公司的IAP15F2K61S2單片機，它是指令代碼完全兼容傳統8051的增強型單片機，它具有高速、高可靠、超低功耗、超級抗干擾等優(yōu)點(diǎn)。內部集成高可靠復位電路，可用在高速通信、智能控制、強干擾等場(chǎng)合[4]。它內部具有2K的RAM、61K的Flash存儲器，支持IAP編程，并可以存儲系統密碼、設備地址、設置參數等。射頻讀卡芯片采用的是NXP公司生產(chǎn)的MFRC500，該芯片為5V工作電壓，和單片機接口支持擴展總線(xiàn)方式和模擬總線(xiàn)方式，此處其采用的是模擬總線(xiàn)方式，單片機的P0口連接MFRC500的D0~D7，地址和數據復用，NWR、NRD及ALE引腳用單片機的通用IO口控制即可^[5]。MFRC500具有工作穩定、讀卡距離遠(距離可達10cm)等優(yōu)點(diǎn)。MFRC500電路接口設計原理圖如圖3所示。

2.3 主控繼電器擴展電路接口設計

　　為了適應不同樓層的電梯，方便刷卡控制系統的安裝，繼電器控制板采用的是“主控+16路繼電器擴展板”的方式，擴展板之間可以實(shí)現級聯(lián)擴展樓層范圍，方便管理，最多可以擴展到128路，即最多可以支持128層樓，可以滿(mǎn)足大部分高層建筑的需要。

　　為了防止主控板與擴展板以及擴展板與擴展板之間的信號干擾，主控板和擴展板之間采用了光耦隔離，并采用74HC245作為驅動(dòng)器，防止信號衰減，保持信號穩定可靠。IAP15F2K61S2單片機P3.3、P3.4和P3.5引腳分別作為三個(gè)光耦的輸入端，光耦輸出信號經(jīng)過(guò)74HC14D進(jìn)行反相，再經(jīng)過(guò)74HC245驅動(dòng)后送入擴展板的74HC595芯片實(shí)現串轉并。主控繼電器擴展電路接口設計原理圖如圖4所示。