基于STM32工业级IC刷卡机系统设计

于韶东，解品星，李聪

（上汽通用东岳汽车有限公司，山东烟台，264010）

0 引言

现代汽车厂有许多叉车、电瓶车、物料运输车等特种车辆，为了安全起见，需要针对这些特种车辆进行权限管理，掌握车辆运行状态，驾驶人的信息。基于STM32开发的工厂级IC刷卡机，从应用安全入手，通过原理分析，设计实现搭载无线射频技术与红外传感器的刷卡机，安装在各特种车辆上，使工厂管理人员对各特种车辆进行权限管理、信息数据收集等得到高效利用，同时对操作特种车辆增加双重安全保护。

1 IC刷卡机系统原理分析

■1.1 权限卡类别

本系统将工卡分为超级卡、管理卡、会员卡三种。

超级卡：直接将卡号写再单片机内部，掉电不会丢失，每个系统仅有一张，作用是授权管理卡。

管理卡：授权会员卡，将读取的卡号会写在存储器，完成授权，可授权2张管理卡，授权完成的2张管理卡可独立对会员卡授权。

会员卡：由管理卡授权，将新刷入的卡将被依次记忆在地址1-16中（可以扩展到256，增加EEPROM单元），完成授权，具有DRIVER功能，即具有操作特种车辆的权限。

只有在人体感应开关感应状态下，会员卡操作才能使特种车辆上电；操作完成后，人体感应开关没被感应超过10秒，特种车辆自动断电。

■1.2 刷卡机系统逻辑

刷卡机系统逻辑图如图1所示。

图1 刷卡机系统逻辑图

2 IC刷卡机硬件设计

■2.1 RC522射频技术电路设计

2.1.1 重要参考参数

EEPROM： 8K位；

扇区：16个扇区，每个扇区有4个块，每块16个字节，块是其基本存储单位；

工作频率：13.56MHZ；

读写距离：10 cm以内；

读写次数：写10万次，可改写10万次，读无限次；

综上所述，90后藏族大学生的婚恋观是比较健康理智的，且具有民族特性，他们都不支持在校大学生结婚，认为会影响学业。而且不论男生还是女生都认为家庭和事业同样重要，这打破了以往男性以事业为重、女性以家庭为重的传统观念，说明即使在藏族文化传统下，女主内的现象已经在慢慢改变，体现了社会的进步，也体现了现代少数民族女性追求成功、要求脱离繁重的家庭劳动、走向独立的精神。总的说来，处在社会文化转型期的90后藏族大学生的婚恋观正处于调整转变期，呈现出明显的多元格局，大体上与社会文化转型、价值观念重塑的历史主流相适应，是被社会肯定和接受的。

工作温度：-20℃～50℃(湿度为90%)。

2.1.2 组成及功能

卡片组成：天线和ASIC。

天线：卡片的天线是只有几组绕线的线圈，很适于封装到IS0卡片中。

ASIC：卡片的ASIC由一个高速（106KB波特率）的RF接口，一个控制单元和一个 8K位EEPROM组成。电气原理图如图2所示。

图2 RC522原理图

工作原理：读写器向M1卡发一组固定频率的电磁波，卡片内有一个LC串联谐振电路，其频率与读写器发射的频率相同，在电磁波的激励下，LC谐振电路产生共振，从而使电容内有了电荷，在这个电容的另一端，接有一个单向导通的电子泵，将电容内的电荷送到另一个电容内储存，当所积累的电荷达到2V时，此电容可做为电源为其它电路提供工作电压，将卡内数据发射出去或接取读写器的数据。

功能：具有防冲突机制，支持多卡操作；无电源，自带天线；内含加密控制逻辑和通讯逻辑电路。

2.1.3 加密控制

每个扇区有4个块，块0、块1、块2是数据块，块3是控制块。每个扇区的密码和存取控制是独立的，可根据需求进行设定。

存取控制有4个字节，共32位。每个块有三个控制位，以正和反两种形式存在于存取控制字节中，决定了该块的访问权限。

2.1.4 通讯逻辑

射频卡与读写器的通讯：通过复位应答、防冲突机制的判断、选择卡片和进行三次相互确认后进行数据操作。

对数据块的操作： 读、写、加、减、存储、传输、中止。RC522通讯逻辑如图3所示。

图3 RC522通讯逻辑图

■2.2 EEPROM存储电路设计

选用AT24C02作为 EEPROM存储电路的芯片，增加卡号存储需用。原理图如图4所示。

图4 AT24C02原理图

特点：低压和标准电压操作-2.7(VCC=2.7V至5.5V)-1.8(VCC=1.8V至5.5V)；两线串行接口，施密特触发器、滤波输入以抑制噪声；双向数据传输协议，100k Hz(1.8V)和400k Hz(2.7V，5V)兼容性；为硬件数据保护编写保护销；自动计时写周期(5msmax)，100万写周期。

■2.3 电源电路设计

刷卡机电路板有DC 5V和DC 3.3V电压的需求，而工厂中电动叉车、电瓶车、物流运输车具有不同的电压等级，有输入DC 24V、DC 36V、DC 48V等，为了满足各类车辆对不同输入电压的需求，在设计电源电路时，选用型号：LM2576HV-5.0V稳压芯片，设计电路将输入转换成稳定的DC 5V；选用型号：AMS1117-3.3V稳压芯片，同样设计电路获得所需的DC 3.3V。

2.3.1 稳压芯片LM2576HV-5.0特点

能提供降压开关稳压器的各种功能，优异的线性和负载调整能力；内部有频率补偿器和固定频率振荡器，减少外部元件的数量，不需要加外部散热片使用方便；TTL关断能力，低功耗待机模式；能驱动3A的负载，热关断及电流限制保护；输入范围广，最高可达DC 60V，满足各电压等级的特种车辆使。

2.3.2 稳压芯片AMS1117-3.3V特点

低dropout电压调节器，可提供高达1A的输出电流；优异的过载及过热保护能力，防止环境影响；最大负载调整率:0.5%；高效的线性调节，优化电压输出。

3 IC刷卡机软件设计与实现

（1）超级卡的卡号已经写进单片机，掉电不会丢失，用来授权管理卡。当满足授权条件，刷一次超级卡，便可以对管理卡进行授权。

4 总结

本文通过对工厂特种车辆使用权限管理的调研，设计实现了基于STM32工业级刷卡器，通过红外技术实现了双重安全保护，并且采用性价比高的芯片等电子元器件，可以批量应用于工厂内不同输入电压等级的特种车辆、具有可管控的特种设备等。此款工业级刷卡器制作成本低，安全可靠性强，应用实效简单，可推广使用，助力安全生产。