基于PR9200 芯片的门禁系统设计

丰子豪，王赵，洪瑶，周鹏

（安徽工程大学 电气工程学院，安徽芜湖，241000）

0 引言

随着时代的发展，科技的不断进步，人们正享受着高科技所带来的便利和舒适，智能门禁系统关乎人们的人身安全、财产安全、系统安全和信息安全等重大问题，它在我们生活中已经成为不可缺失的一部分。有关报告指出，全球门禁系统市场规模大约为628 亿元，预计到2028 年将达到1119 亿元。2021 年中国门禁系统市场达到268 亿元，预计到2023 年门禁系统市场规模有望突破300 亿元。由此可以看出，如今，门禁已经成为人们生活中必不可少的智能化产品之一，而人们对门禁系统的需求量将会逐年增加。更高效、便捷的门禁系统一直社会关注的热点的问题，我们利用PR9200 芯片设计了一套非接触式门禁系统可以有效提高上述所说的问题。本文主要是针对医院的人流量大的同时又需进行自我防护这一情景设计的系统，具有重要的应用价值。

1 整体系统设计

系统在正常工作过程中，当标签进入到读写器的识别范围内，读写器会发射超高频电磁波（本文硬件的工作频率在902～928MHz），而当标签接收到读写器发射的电磁波后会回传电磁波给读写器，经由读写器获取电子标签信息，读写器将标签序列号发送给计算机后台应用系统进行权限比对，只有达到权限级别，门禁系统才能控制闸机的开启。系统结构图如图1 所示。

图1 方案设计结构框图

2 系统的硬件设计

■2.1 PR9200 芯片

2.1.1 PR9200 芯片的特点

PR9200 微型RFID 的模块有如下特点：小体积、低成本、低功耗，高性能，可同时读取多张标签；支持多平台对接；可自由调节发射功率以控制识别距离；识别速度快等。

2.1.2 PR9200 芯片的介绍

PR9200 芯片是一种集成度极高的芯片，其作为超高频射频读写核心模块的核心芯片，内部集成强大的ARMCortexTM-M0 处 理 器、 高 效 能 的UHF 射 频 收 发器、基带调制解调器、RF/模拟控制器与存储器（64K 闪存16KSRAM） 以 及 其 他 模 块 等， 完 全 支 持ISO18000-6C&EPCC1G2 协议，而且PR9200 芯片上集成了更多的功能，所以外围电路将更加简单，开发难度大大降低，缩短开发周期。此外，在该芯片的基础上可增加不同的外设，可以实现不同的功能，从而很大程度上拓展了超高频RFID 的应用领域。PR9200 芯片内部功能框图如图2 所示。

图2 PR9200 芯片内部功能框图

■2.2 HC0900A03 芯片

HC0900A03 是一款先进的高性能计算机芯片。该芯片采用了先进的制程技术，拥有多个处理核心，可以同时执行多个任务，提供出色的计算性能。它还具有高度的集成度和低功耗特性，可以在各种应用场景下提供高效的计算能力，它还配备了丰富的存储器接口和高速缓存，可以实现快速的数据读取和存储，提高计算效率。

此外，HC0900A03 芯片还支持多种外设接口，如USB、Ethernet、HDMI 等，可以与其他设备进行高速数据传输和通信。它还具有良好的可扩展性和兼容性，可以与各种操作系统和软件平台完美配合使用。

■2.3 RFID READER 硬件电路设计

RFID READER 是一个超低功耗的超高频射频天线一体化的开发模块，由于PR9200 芯片本身的高效能，高集成度，使得RFID READER 开发模块不需要太过繁杂的外围电路与外部设备，仅仅需要一些维持模块正常运转的基本元器件，其中包括高性能的PR9200 芯片、圆极化陶瓷天线、LED指示电路、PC 端通信模块接口等。RFID READER 开发模块如图3 所示。

■2.4 接口及其他电路

PR9200 芯片内部集成了ARMCortexTM-M0 处理器，对外接口包括：使能接口、复位接口、UART、SPI、I2C 等。

ARMCortexTM-M0 复位的触发由持续的低电平信号来控制，为了保持芯片的正常工作，需要持续给复位接口稳定的高电平信号，本文采用上拉电阻电路维持高电平，利用软件系统实现复位功能。

使能控制芯片处的输入输出信号，可以用来调整芯片当前的工作状态，可以大大减少功耗，以达到节能的目的，其工作状态与复位类似，也是需要给芯片持续的高电平来维持正常的工作。

4.2.1 华法林。华法林是临床应用最广泛的抗凝药物，其作用机制是通过干扰维生素K参与的凝血因子Ⅱ、Ⅶ、Ⅸ、X在肝脏的合成过程而起到抗凝血作用。房颤病人应用华法林抗凝治疗可使发生卒中的相对危险度降低50%以上，死亡发生率降低1/3左右。在严格检测INR的前提下，华法林并不增加出血风险[17]。

PR9200 芯片包含四个正极引脚，它们分别为数字调制解调器、模拟电路、内部集成PA 和MCU 提供电源，输入为3.3V。去耦电容的设计用来提供稳定的电源，应让其尽可能靠近PR9200 芯片。此电容的作用是消除电源中的噪声信号，以达到稳定电源。与此同时，为了优化线路，减小线路对电源产生的影响，去耦电容应当离核心芯片较近。

■2.5 读写器天线的选择

在无线通信的领域中，天线是其中不可缺少的重要组成部分。RFID 的信息传递是通过无线电波来实现的，要想使信息在空间中进行传播，需要通过天线来实现无线电波的产生和接受。同时，再通过无线电波进行能量传输时，也需要通过天线来完成非信号的能量传送。天线对RFID 系统是非常重要的，其是无线通信系统中第一个也是最后一个器件，其一定程度上能够决定RFID 系统的性能。天线的种类非常多，本设计中读写器的天线选择使用陶瓷天线。

陶瓷天线有如下优点：耐高温（100℃以上），耐高温性好于一般的金属材质的天线。一般金属材质的天线最高温度不超过80℃，而采用特殊处理的陶瓷天线可承受200℃～300℃高温，天线在此高温环境下没有形变或形变极小；具有良好的导电性，进而实现天线的辐射；具有良好的抗干扰性；制作成本较低，贴片陶瓷天线的制作工艺相对简单，成本低廉，可以满足大规模的生产。陶瓷材料对酸、碱、盐等化学物质具有较好的抗腐蚀性能，能够在恶劣的环境下长期稳定工作；陶瓷材料的介电常数较低，能够减少信号传输过程中的能量损耗，提高天线的传输效率。基于上述优点，本次设计中我们选择使用3dbi 的圆极化陶瓷天线来发射电磁波，用来读取标签，最远的有效距离在2m 左右，在3.5V供电的前提下持续电流＜200mA，能够有效解决读写板的发热问题。陶瓷天线如图4 所示。

图4 陶瓷天线图

图5 贴片式电子标签

■2.6 电子标签

电子标签（Tag）又被称为射频标签、应答器或是射频卡。电子标签是射频识别系统中真正的数据载体，从专业技术的角度来说，电子标签才是射频识别的核心，读写器的设计是由电子标签的性能决定的。电子标签主要由标签专用芯片以及标签天线所组成，芯片主要用来存储数据，而收发电磁波由天线来完成。对电子标签的选择，这里选取贴片式电子标签，这类电子标签可以粘贴在物体表面甚至镶嵌到物体内部。对电子标签的天线选取本文使用对称振子天线，用印刷法制作工艺来生产天线，这种设计降低生产成本的同时能够大大减少天线的长度，可以进行量产实现电子标签的普及。

3 软件设计

■3.1 终端监控

本设计基于PR9200 芯片的门禁系统设计，在RFID READER 硬件模块进行读卡操作，可进行多目标读取、远距离读取、快速读取。在PC 端使用Reader Utility，进入界面，PR9200 芯片内已经处理完成的信息将通过串口将信息传输到PC 端，最后在PC终端Reader Utility 内显示。PC 终端监控图如图6 所示，该读写模块同时读取三张标签卡，可迅速对进入指定范围内的人进行身份识别。

图6 PC 终端监控图

■3.2 软件介绍

Reader Utility 软件界面主要分为两个板块，一部分是控制区，一部分是接收区，控制区又分为五个小区，分别是EPC/TID 读取、预处理设定、标签读写操作、标签记忆区保护设定、标签销毁；接收区又分为两个小区，分别为标签统计、通信讯息，下面具体对每个小模块进行解释说明。

（1）EPC/TID 读取

（2）预处理设定

由于读卡器可以多目标连续识别，当处于存在多张卡的状态时，需要选择某张标签做其操作标签读写操作，我们需要用到该模块，勾选Set Select to pre-command，在相应的地方填入对应的地址、数据长度，还有指定的标签的编码，最后输入所选定的卡片的密码，即选定该标签。

（3）标签读写操作

标签中分为多个分区，该模块就是用来对不同区的不同位置，不同长度进行选定，然后对相对应的扇区进行读与写的操作；首先选择相应的扇区，其次在该扇区内选择地址与要进行读取的数据长度，最后进行读操作或者写操作（不同的扇区拥有的可写区域大小不同，进行写操作时应注意数据长度）。

（4）标签记忆区保护设定

对标签的各个区域的保护设定，对分区密码、进入密码、EPC 区块、TID 区块、用户区块等进行保护等级设定，该设定分为四个等级分别为，略过，可写、永久可写、永久密码才能写。

（5）标签销毁

当我们不需要该卡片或者该卡片需要销毁时，我们在该模块输入待销毁卡片的密码，按下kill 按钮，此操作会将TAG 标签删除无法再使用。

（6）标签统计

在进行多标签读取时，所读取的每一张标签卡片的信息都会保存在此，比如卡片EPC 号、读卡次数等，当我们需要这些卡片的信息时可以一键导出，存放在需要的地方。

（7）通信讯息

该区域用于显示相关操作底层指令，比如，当我们进行读卡操作时，读取标签的底层代码都会显示，当读取失败时，或写数据失败时，可以根据底层代码指令来判断是何种原因，提高效率。

■3.3 RFID READER 通信模块

PR9200 芯片 支 持GPIO、I2C、UART 等对外接 口，本文的通信接口选择使用UART 接口，为TTL 电平，与计算机系统通信中则需要将TTL 电平转换为RS232 电平。计算机系统使用UART 接口向芯片发送相关的控制命令、接收返回信息和写入程序等操作。PR9200 的GPIO 接口是可编程的通用输入输出端口，可以通过内部程序来控制输入输出以到达实现其他附加功能的目的。

4 结论

本文使用PR9200 芯片设计开发了一种微型的RFID 射频模块，使用PR9200 芯片设计读写器，使用抗干扰性能强、散热较好的3dBi 圆极化陶瓷天线，以及半波对称振子天线组成的便捷式贴片标签，可以实现对电子标签进行2m 范围内的信息读取。该系统利用自身高灵敏度、低功耗等优势性能，提高了识别速率，实现了远距离快速识别，从而减少在某些特殊场所人们的停留时间，避免人与人之间的间接接触。本次设计中，实现的功能较为单一，在成本、环境的处理等方面仍有进步的空间。在今后的学习生活中，我们将继续对该模块进入深入研究，扩展其更多的模块，完善功能，将其应用在更加广阔的领域。