基于射頻IC卡技術(shù)的感應(yīng)鎖控制器的應(yīng)用方案

近年來(lái)隨著射頻IC卡技術(shù)在各領(lǐng)域的應(yīng)用日趨成熟和廣泛， 采用射頻卡為鑰匙的射頻感應(yīng)電鎖，因獨(dú)具操作方便、安全性能高等特點(diǎn)，已在新 型電控鎖具中占有了舉足輕重的地位。

射頻感應(yīng)電鎖通常由載有密碼的射頻IC卡（射頻鑰匙）來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的金屬制作的鑰匙。在讀出密碼后，通過一個(gè)電子控制器產(chǎn)生開門電信號(hào)，繼而接通電源，驅(qū)動(dòng)電控鎖具開關(guān)門。這樣做的好處首 先是杜絕了非法復(fù)制鑰匙，其次是為人員進(jìn)出實(shí)現(xiàn)信息化管理創(chuàng)立了條件。但是，鎖的結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜 起來(lái)，不可靠的因素隨之增加，成本也大幅度上升；又由于增加了某些操作，與機(jī)械鎖相比使用難 度也提高了?？梢?，射頻感應(yīng)電鎖在安全性能改善的同時(shí)，也帶來(lái)了可靠性、成本、可操作性等一系 列新問題。如果在設(shè)計(jì)上不給以注意和采取措施的話，它反倒成了一種麻煩。

可以認(rèn)為，過于復(fù)雜的控制器往往是“麻煩”的根源?；谏鲜隹紤]，對(duì)射頻感應(yīng)電鎖控制器， 不論采用何種技術(shù)設(shè)計(jì)，都應(yīng)該遵從一個(gè)原則，即在保證基本功能的前提下，控制器要做得盡可能簡(jiǎn) 單。這里，基本功能一條很重要。也就是說(shuō)， 在設(shè)計(jì)的開始，一定要仔細(xì)界定功能， 堅(jiān)決剔除那些可有可無(wú)的東西。有的電控鎖，除了開關(guān)門功能以 外，增加了許多不常用或難使用的功能，其結(jié)果，不但徒然增加了許多成本，還大大降低了可靠性。 這是導(dǎo)致產(chǎn)品不成功的重要因素。

本文介紹的感應(yīng)鎖控制器，力求符合實(shí)用、簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)原則，務(wù)求電控鎖能夠充分地?fù)P長(zhǎng)避短， 即在更安全的同時(shí)，保持較低成本（不降低性能為前提）、提高可靠性。

1 設(shè)計(jì)規(guī)范

1.1 功能要求

一個(gè)感應(yīng)鎖控制器的基本功能應(yīng)包括：

◇ 感應(yīng)鑰匙開/關(guān)門；

◇ 感應(yīng)鑰匙（射頻IC卡）的添加與清除；

◇ 鎖體電磁離合器的驅(qū)動(dòng)；

◇ 控制器工作狀態(tài)聲、光提示；

◇ 為節(jié)省電力進(jìn)行限時(shí)操作，超時(shí)后即轉(zhuǎn)入睡眠狀態(tài)；

◇ 低電壓報(bào)警；

◇ 按鍵喚醒功能。

為實(shí)現(xiàn)上述功能所需的人機(jī)界面：?jiǎn)?dòng)鍵（喚醒鍵）、清除母鑰鍵、添加子鑰鍵、清除子鑰鍵、 狀態(tài)指示燈、低壓指示燈、蜂鳴器。

1.2 操作要求

管理射頻鑰匙一般采用授權(quán)發(fā)卡體系或卡片分級(jí)體系。為了 兼顧安全性和易使用要求，采用母鑰-子鑰二級(jí)模式管理鑰匙。母鑰的作用相當(dāng)于一個(gè)系 統(tǒng)操作密碼，由它對(duì)開門鑰匙（集子鑰）的添加和刪除進(jìn)行限制。

如何簡(jiǎn)單而有效地添加鑰匙，是決定感應(yīng)鎖性能的重要課題。以往見到的二進(jìn)制撥碼開關(guān)增、刪 子鑰模式的主要問題是操作繁瑣、效率低。采用添加、刪除鍵，利用相鄰子鑰進(jìn)行單一刪除，是一種 自然、簡(jiǎn)便的方法。以下是本設(shè)計(jì)提供的鑰匙增刪操作要求。

① 清除母鑰。先按住母鑰刪除鍵，后按下啟動(dòng)鍵，再放開啟動(dòng)鍵。母鑰刪除鍵保持按住5 s，聽到一長(zhǎng)聲后即表示刪除母鑰完成。此后雙燈閃爍，同時(shí)鳴叫五短聲，表示母鑰未設(shè)定。

② 設(shè)定母鑰。在雙燈閃爍的同時(shí)鳴叫五短聲后，感應(yīng)鎖控制器將預(yù)設(shè)為母鑰的感應(yīng)鑰匙感應(yīng)。 聽到一短聲后，按添加鍵，蜂鳴器會(huì)發(fā)出兩長(zhǎng)聲，此時(shí)即表示母鑰已設(shè)定完成。每鎖只能有一個(gè)母 鑰，母鑰只能用于增刪子鑰，不能開門。

③ 增加子鑰。按啟動(dòng)鍵后，將母鑰感應(yīng)，聽到一短聲后，再將欲加入的子鑰感應(yīng)。聽到一短聲后 按添加鍵，聽到三短聲即完成一個(gè)子鑰之設(shè)定。若按增加鍵后聽到一短聲，則表示欲加入的子鑰早已 設(shè)定于內(nèi)，是重復(fù)錯(cuò)誤。用母卡做此增加時(shí)，也視為重復(fù)錯(cuò)誤。連續(xù)增加時(shí)，只需重復(fù)感應(yīng)欲增加的 新子鑰，然后按添加鍵即可，最多增加29個(gè)子鑰。

④ 開/關(guān)門。先按啟動(dòng)鍵，電路由睡眠狀態(tài)轉(zhuǎn)入讀鑰態(tài)。此時(shí)，可用鑰匙感應(yīng)，正確時(shí)聽到一短 聲，狀態(tài)燈閃爍，門鎖離合器通電動(dòng)作，門開啟。開啟態(tài)持續(xù)5 s后，狀態(tài)燈熄滅，離合器分?jǐn)?，門恢復(fù)關(guān)閉態(tài)。

⑤ 清除單一子鑰。按啟動(dòng)鍵后將母鑰感應(yīng)，聽到一短聲后按清除鍵，將欲清除的子鑰的前一個(gè)子 鑰感應(yīng)，聽到一短聲后再按清除鍵，聽到二短聲后即清除完成。如果欲清除的子鑰為第一個(gè)，則它的 前一個(gè)子鑰就是母鑰。如欲清除的子鑰的前一個(gè)子鑰已被清除但尚未補(bǔ)入新子鑰，請(qǐng)用再前一個(gè)子鑰 清除，依次類推。如打算清除其他子鑰，請(qǐng)重復(fù)以上操作。

⑥ 清除全部子鑰。按啟動(dòng)鍵后將母鑰感應(yīng)，聽到一短聲后，再次用母鑰感應(yīng)，又聽到一短聲后， 按住清除鍵5 s，聽到兩短聲加一長(zhǎng)聲，即將所有子鑰清除完畢。

控制器的幾個(gè)基本工作狀態(tài)：

① 啟動(dòng)態(tài)。接通電源后，如果母鑰已設(shè)定好，電池不欠壓，則雙燈均為熄滅狀態(tài)；如果電池欠 壓，則僅欠壓指示燈穩(wěn)定燃亮。如果母鑰未設(shè)定好，則雙燈閃爍，同時(shí)鳴叫五短聲。

② 睡眠態(tài)。如果10 s內(nèi)沒有任何讀鑰操作發(fā)生，則電路自動(dòng)轉(zhuǎn)入睡眠態(tài)，以節(jié)省電力。

③ 電池低壓報(bào)警態(tài)。電池電壓≤5 V時(shí)低壓燈燃亮。此時(shí)應(yīng)盡快更換電池。

④ 故障狀態(tài)。在做增加、清除操作時(shí)，如果發(fā)現(xiàn)狀態(tài)燈持續(xù)亮，則表示電路故障，應(yīng)停止使用。

以上操作及相關(guān)的聲光提示，請(qǐng)參見表1。

1.3 技術(shù)參數(shù)

感應(yīng)鎖控制器的技術(shù)參數(shù)如表2所列。

2 感應(yīng)鎖控制器的硬件設(shè)計(jì)

控制電路由單片機(jī)（U1）、鑰匙存儲(chǔ)器（U2）、射頻模塊（U3）、 人機(jī)界面部件、電磁離合器驅(qū)動(dòng)電路和射頻天線組成， 采用直流6 V（4節(jié)5號(hào)電池）供電。 圖1 是感應(yīng)鎖控制器電路原理圖

射頻模塊選用基于美國(guó)德州儀器公司（TI）的射頻模塊RFM01。它功耗低，讀卡速度高，接線簡(jiǎn) 潔。它需要配接1個(gè)電感值為 430～460μH、Q值大于15的天線線圈。也可以選用基于美國(guó)ATMEL 公司U2270B的射頻模塊，但性能稍差。

單片機(jī)選用ATMEL公司的89C2051。它的端口數(shù)和ROM可滿足本電路的功能要求。單片機(jī)的工 作頻率為11.059 2 MHz（不可以高于或低于這個(gè)數(shù)值，因?yàn)檐浖眠@個(gè)頻率和射頻模塊匹配）。如果 還要擴(kuò)展其他功能，例如改用12或16鍵鍵盤，增加日歷時(shí)鐘或外擴(kuò)存儲(chǔ)器，可以選用端口數(shù)和 ROM更大的單片機(jī)。為獲得更高的可靠性應(yīng)采用OTP型兼容單片機(jī)。

鑰匙存儲(chǔ)器選用ATMEL公司的24C02 ，可存儲(chǔ)30個(gè)鑰匙。如果打算存儲(chǔ)更多的鑰匙，應(yīng)選用該系 列更大容量的型號(hào)。為獲得更高的可靠性可采用美國(guó)XCOR公司的兼容型號(hào)。

本電路采用了中功率PNP三極管擔(dān)當(dāng)電磁離合器驅(qū)動(dòng)電路，可以驅(qū)動(dòng)負(fù)荷電流在0.8 A以內(nèi)的各種電鎖專用電磁離合器或電機(jī)。如果打算驅(qū)動(dòng)更大 負(fù)荷，可以改為繼電器驅(qū)動(dòng)方式，三極管輸出接到繼電器線圈即可，但這樣會(huì)增大功耗。

由4個(gè)按鍵、2只發(fā)光二極管、1個(gè)蜂鳴器組成人機(jī)界面，以便完成 添加、刪除、啟動(dòng)等必要的操作。

射頻模塊所匹配的天線線圈的參數(shù)必須準(zhǔn)確，否則讀卡 性能達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。制作天線時(shí)，必須用儀器測(cè)量其參數(shù)。這里提供一套與 RFM01匹配的天線參數(shù)，如表3所列。該線圈對(duì)鑰匙型感應(yīng)體的識(shí)別距離為80 mm，對(duì)卡片型感應(yīng)體的識(shí)別距離為120 mm。

本電路利用89C2051片上集成的比較器構(gòu)成電池欠壓檢測(cè)電路。當(dāng)發(fā)生 欠壓時(shí)，點(diǎn)亮發(fā)光二極管。

為了最大限度地延長(zhǎng)電池的使用壽命，當(dāng)幾秒鐘沒有操 作發(fā)生時(shí)，電路自動(dòng)進(jìn)入低功耗狀態(tài)，即所謂“睡眠態(tài)”。這 是通過軟件控制89C2051和射頻模塊的工作狀態(tài)實(shí)現(xiàn)的。

3 電子鎖控制器的軟件設(shè)計(jì)

硬件需要與高效率的軟件相配合，才能實(shí)現(xiàn)感應(yīng)電子鎖的各種功能。軟件源代碼使用C語(yǔ)言編 寫，最終代碼固化于89C2051的Flash ROM內(nèi)。圖2為流程圖。

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