防复制电梯IC卡智能控制系统设计　

作者 常国权 张捐净 安阳工学院计算机科学与信息工程学院(河南 安阳 455000)

*基金项目：2016河南省高等学校重点科研资助项目(编号：16A520034)

常国权(1973-)，男，硕士，副教授，研究方向：嵌入式技术应用与开发。

摘要：为了实现对电梯的安全性、可靠性和智能化管理，采用IAP15F2K61S2单片机、MFRC500射频芯片、继电器、实时时钟、存储器模块等设计了一种智能电梯刷卡控制系统，该系统识别不同权限的IC卡实现对电梯按键的智能控制，并采用动态加密、存储滚动码等方式防止IC卡被复制，从而保证系统的安全性和可靠性。经过在多个小区的实际使用证明，该系统安全可靠、操作方便，达到了实际使用要求。

引言

　　随着我国社会经济的快速发展，高层建筑逐渐成为房地产开发和消费的主体，电梯作为高层建筑必不可少的垂直交通工具，其需求量也日益增长，各种类型规格繁多的电梯系统已经在高层建筑内投入运行^[1]。为了能对高层建筑的电梯实施更有效、更节能、更安全的规范化管理，本系统采用IAP15F2K61S2单片机、MFRC500射频芯片、继电器、实时时钟、存储器模块等设计了一种智能电梯刷卡控制系统，该系统采用13.56MHz的IC卡作为存储用户信息和信息交换的载体^[2]，由发卡器、电梯控制器、上位机管理软件三部分组成。系统采用动态加密、存储滚动码等方式防止IC卡被复制，一卡一密，复制的UID卡和FUID卡无法使用，电梯控制系统具有比对时间、地址、序列号、存储刷卡记录、紧急开放开关等功能;IC卡刷卡可按日期、按消费次数、按权限等使用，系统可以通过RS485网络连接起来，实现如提取、管理刷卡记录等功能。该系统可以对电梯实施有效的管理和控制，提高其运行效率，节省费用开支，实现电梯管理科学化、规范化和安全化的目的。

1 系统概述

　　该电梯刷卡系统主要由发卡器、电梯控制器、上位机管理软件三部分组成。发卡器设计包括USB通讯接口的设计、LED指示灯系统设计、射频发卡系统设计、软件系统设计及相应的通讯协议设计等，发卡器和上位机管理软件按照约定的协议通讯，共同完成对各种用户卡和管理卡的发放、回收等工作。

　　电梯控制器和发卡器核心部分采用宏晶科技公司生产的IAP15F2K61S2高速单片机和NXP公司生产的MFRC500读卡芯片来设计，电梯控制器还包括DS1302时钟模块设计、MAX485模块设计、DC-DC电源转换模块设计、AT45DB16存储器模块设计、16路继电器模块设计、信号驱动模块、扩展接口模块、紧急开放模块以及相应的软件系统设计等。

　　上位机管理系统采用VC++6.0和数据库开发而成的，采用USB接口和发卡器通讯，配合发卡器可以实现用户登录、系统管理、设备管理、用户管理、刷卡记录管理、修改权限以及读卡、发卡、回收、挂失、解挂等功能。系统的总体结构示意图如图1所示。

2 系统硬件设计

2.1 系统电源设计

　　由于系统的IAP15F2K61S2单片机、MFRC500射频模块、继电器和DS1302等模块的工作电压都是5V，5V电源需要的功率较大，因此，电源设计采用了效率更高、输入范围更宽、功能更强的DC-DC转换器LM2596-5.0。LM2596系列是美国国家半导体公司(现已被TI公司收购)生产的3A电流输出降压开关型集成稳压电路，它内含固定频率振荡器和基准稳压器，并具有完善的保护电路，包括电流限制及热关断电路等，利用该器件只需极少的外围器件便可构成高效稳压电路^[3]。AT45DB16存储器模块是3.3V工作电压，由REG-1117-3.3V电源模块单独供电。由于LM2596是宽电压输入模块，因此，系统的输入电压的范围为7.5~40V。D3是防止电源接反保护二极管，LP1、LP2是系统的LED电源状态指示灯。系统电源设计原理图如图2所示。

2.2 MFRC500电路接口设计

　　综合成本、性能等各方面考虑，主控芯片选用宏晶科技公司的IAP15F2K61S2单片机，它是指令代码完全兼容传统8051的增强型单片机，它具有高速、高可靠、超低功耗、超级抗干扰等优点。内部集成高可靠复位电路，可用在高速通信、智能控制、强干扰等场合[4]。它内部具有2K的RAM、61K的Flash存储器，支持IAP编程，并可以存储系统密码、设备地址、设置参数等。射频读卡芯片采用的是NXP公司生产的MFRC500，该芯片为5V工作电压，和单片机接口支持扩展总线方式和模拟总线方式，此处其采用的是模拟总线方式，单片机的P0口连接MFRC500的D0~D7，地址和数据复用，NWR、NRD及ALE引脚用单片机的通用IO口控制即可^[5]。MFRC500具有工作稳定、读卡距离远(距离可达10cm)等优点。MFRC500电路接口设计原理图如图3所示。

2.3 主控继电器扩展电路接口设计

　　为了适应不同楼层的电梯，方便刷卡控制系统的安装，继电器控制板采用的是“主控+16路继电器扩展板”的方式，扩展板之间可以实现级联扩展楼层范围，方便管理，最多可以扩展到128路，即最多可以支持128层楼，可以满足大部分高层建筑的需要。

　　为了防止主控板与扩展板以及扩展板与扩展板之间的信号干扰，主控板和扩展板之间采用了光耦隔离，并采用74HC245作为驱动器，防止信号衰减，保持信号稳定可靠。IAP15F2K61S2单片机P3.3、P3.4和P3.5引脚分别作为三个光耦的输入端，光耦输出信号经过74HC14D进行反相，再经过74HC245驱动后送入扩展板的74HC595芯片实现串转并。主控继电器扩展电路接口设计原理图如图4所示。