基于RFID的學(xué)生考勤系統設計

　　隨著(zhù)電子信息技術(shù)的發(fā)展，智能卡(IC卡)在生活中隨處可見(jiàn)。而射頻識別卡(簡(jiǎn)稱(chēng)射頻卡、RFID卡)正逐漸取代傳統的接觸式IC卡，成為智能卡領(lǐng)域的新潮流。RFID卡由于成功結合了射頻識別技術(shù)和IC卡技術(shù)，解決了無(wú)源(卡內無(wú)電池)和免接觸的難題，因此，具有磁卡和接觸式IC卡不可比擬的優(yōu) 點(diǎn)。RFID卡由IC芯片、感應天線(xiàn)組成，完全密封在一個(gè)標準PVC卡片中，無(wú)外露部分。學(xué)生考勤系統設計利用無(wú)線(xiàn)射頻識別(RFID)技術(shù)，實(shí)現對學(xué)生 進(jìn)行考勤、記錄等功能。

　　通過(guò)點(diǎn)名、磁卡和接觸式IC卡等方式對學(xué)生的到課情況進(jìn)行考勤、記錄管理，既耗時(shí)又容易相互干擾;而非接觸式RFID學(xué)生考勤系統實(shí)現了利用無(wú)線(xiàn)射頻識別 技術(shù)對學(xué)生考勤管理，既方便快捷，又省時(shí)。學(xué)生考勤系統由應答器和閱讀器組成，其中應答器由標簽(即卡片)構成，閱讀器(讀卡器)由射頻卡基站器件 U2270B及其支撐電路、主控器件MCU及其支撐電路和外圍接口電路(鍵盤(pán)、液晶、時(shí)鐘和串口模塊)構成，如圖1所示。

　　學(xué)生考勤系統的工作原理為：MCU工作于低功耗狀態(tài)，標簽因為沒(méi)有能量而處于休眠狀態(tài)。當按下鍵盤(pán)上的IRQ按鈕時(shí)，MCU被換醒，同時(shí)激活U2270B 開(kāi)始工作，U2270B的兩個(gè)天線(xiàn)端子通過(guò)線(xiàn)圈將能量傳輸給外界。當有標簽靠近線(xiàn)圈時(shí)，標簽獲得能量開(kāi)始工作，并將其內部存儲的信息發(fā)送到U2270B的 輸入端，U2270B經(jīng)過(guò)轉換后再將信息送至輸出端口發(fā)送給MCU，MCU接收到信息后將其轉換成可識別的數據，再將其送至液晶顯示。本文著(zhù)重介紹考勤系 統中的射頻卡基站器件U2270B及其支撐電路設計。

　　1 射頻卡基站器件U2270B及其電路設計

　　U2270B是ATMEL公司生產(chǎn)的基站器件，是一個(gè)對IC卡進(jìn)行讀寫(xiě)操作的非接觸式工作基站，內部由振蕩器、天線(xiàn)驅動(dòng)器、電源供給電路、頻率調節電路、低通濾波電路、高通濾波電路、輸出控制電路等部分組成。

　　1.1 頻卡基站器件U2270B的射頻頻率

　　U2270B基站的射頻頻率要求在100～150 kHz范圍內，在頻率為125 kHz情況下標準的數據傳輸速率可以達到5000波特率，它可以采用曼徹斯特和雙相調制兩種方式?；镜墓ぷ麟娫纯梢允瞧?chē)電瓶或其他的5 V標準電源。U2270B具有可微調功能，與其他微控制器有很好的兼容接口，在低功耗模式下低能量消耗，并可以為IC卡提供電源輸出。U2270B器件內部結構如圖2所示。

　　U2270B的射頻頻率是通過(guò)調整U2270B內部結構中的RF引引腳所接電阻的大小，可以將內部振蕩頻率固定在特定的頻率上(典型為125 kHz)，然后通過(guò)天線(xiàn)驅動(dòng)器的放大作用，在天線(xiàn)附近形成特定頻率的射頻場(chǎng)，當應答器進(jìn)入該射頻場(chǎng)內時(shí)，由于電磁感應的作用，在標簽內的天線(xiàn)端會(huì )產(chǎn)生感應 電勢，該感應電勢也是標簽的能量來(lái)源。將數據寫(xiě)入應答器是采用場(chǎng)間隙方式，即由數據的“0”和“l”控制振蕩器的肩振和停振，并由天線(xiàn)產(chǎn)生帶有窄間歇的射 頻場(chǎng)，不同的場(chǎng)寬度分別代表數據“0”和“l”，這樣完成將基站發(fā)射的數據寫(xiě)入標簽的過(guò)程。

　　對場(chǎng)的控制通過(guò)控制器件的引腳6(CFE端)實(shí)現。應答器的負載調制會(huì )在基站天線(xiàn)上產(chǎn)生微弱的調幅，這樣，通過(guò)二極管對基站天線(xiàn)電壓的解調即可回收標簽調制的數據流。U2270B的外圍電路如圖3所示。

　　1.2 射頻卡基站器件U2270B的支撐電路

　　1.2.1 電源模塊

　　U2270B的VS(電源)為內部電路提供電源，VEXT為天線(xiàn)和外部電路提供電壓。對于U2270B基站電源有3種設計模式：第1種是單電壓供電，即引 腳DVS、VEXT、VS、VBall使用5 V電源;第2種是雙電壓供電，即引腳Vs使用5 V電壓，而引腳DVS、VEXT、VBall使用7～8 V電壓;第3種是電池電壓供電，引腳VEXT和Vs由內部電池供給，而引腳DVS和VBall使用7~16 V外部電壓，對于這種供電方式，U2270B的低功耗模式是可供選擇的。該學(xué)生考勤系統設計采用第2種電源供給方案。

　　1.2.2 頻率設置

　　該頻率設置是U2270B輸出的天線(xiàn)驅動(dòng)頻率，而天線(xiàn)端子線(xiàn)圈的發(fā)射頻率最終是由線(xiàn)圈回路的電阻、電容決定的，這個(gè)頻率越接近發(fā)射頻率，則發(fā)射功率越強。 U2270B的天線(xiàn)驅動(dòng)頻率可自行設置，該系統設計頻率設置是由流入RF端的電流值決定的，而Vs是由內部電源供給，所以可以通過(guò)改變Vs端和RF端之間 的電阻值進(jìn)行設定。

　　經(jīng)過(guò)計算，設定的電阻值分別為R8=68 Ω，R9=43 Ω，這樣射頻頻率為125 kHz。

　　1.2.3 天線(xiàn)模塊

　　該系統設計的天線(xiàn)模塊只涉及到電容，電阻和線(xiàn)圈，但是對于各個(gè)元器件的選值是比較精確的。從U2270B的Coil1和Coil2端口出來(lái)經(jīng)電容，電阻和 線(xiàn)圈組成一個(gè)IC串聯(lián)諧振選頻回路，其作用就是從眾多頻率中選出有用信號，濾除或抑制無(wú)用信號。由串聯(lián)諧振電路的諧振角頻率可知諧振頻率：

　　當從Coil1、Coil2出來(lái)的脈沖滿(mǎn)足該頻率設置要求后，串聯(lián)諧振電路就會(huì )啟振，在回路兩端產(chǎn)生一個(gè)較高的諧振電壓VL=QVs。其中，Vs為 U2270B的Coil1、Coil2端的輸出電壓，線(xiàn)圈兩端的諧振電壓VL一般可能介于200～350 V之間，所以線(xiàn)圈兩端的電容耐壓值要高，熱穩定性要好，因此對諧振回路的電容要求就比較高。當諧振電壓達到一定數值就會(huì )通過(guò)感應電場(chǎng)給應答器供電，當應答 器進(jìn)入感應電場(chǎng)范圍內，應答器內部電路就會(huì )在諧振脈沖的基礎上進(jìn)行非常微弱的調幅調制，再由U2270B讀取。Q為諧振回路的品質(zhì)因數，用于描述回路的儲 能與其耗能之比：

　　本設計中應答器標簽的頻率為125 kHz，線(xiàn)圈的電感L約1.35 mH，這樣可由式(3)計算出電容C的容值。另外通過(guò)調節電阻R(注意線(xiàn)圈也含有一定的電阻)來(lái)調節品質(zhì)因數Q，改變諧振電壓，提高讀寫(xiě)距離。

　　1.2.4 數據輸入

　　這里的數據輸入是U2270B從天線(xiàn)回路讀回的數據?；緩膽鹌髯x入的是經(jīng)過(guò)載波調制后的信號，它通過(guò)C7電容耦合輸入到INPUT輸入端，經(jīng)過(guò)低通濾 波器、放大器、施密特觸發(fā)器等環(huán)節后，在OUTPUT端輸出解調后的信號。低通濾波器的截止頻率由fosc決定。引腳INPUT的耦合電容C7以及引腳 HIPASS的去耦電容C6的值決定解調電路的高通特性，有利于更進(jìn)一步濾除無(wú)用及干擾信號。C6和C7的容值隨射頻卡的數據傳輸波特率的不同而不同，該 學(xué)生考勤系統設計采用的波特率為focs/32，此時(shí)C6，C7分別為100 nF和680 pF。

　　C6與下限截止頻率fCVT的關(guān)系：

　　式中，Ri=2.5Ω。

　　需要注意的是OUTPUT端輸出的信號只是經(jīng)過(guò)解調，并沒(méi)有解碼。解碼需要通過(guò)單片機編程完成。

　　2 U2270B模塊軟件設計

　　U2270B模塊提供給高層調用的主要有4個(gè)子函數，分別為初始化函數、停止工作函數、開(kāi)啟函數和解碼函數。

　　1)U2270B初始化函數 U2270B的初始化主要就是將U2270B必要的控制端口提供滿(mǎn)足條件的電平，由于不是馬上開(kāi)始解碼，所以同時(shí)應將U2270B停止工作，并且默認是125 kHz的解碼。

　　2)U2270B停止工作函數 考慮到該系統設計的低功耗和具體功能，只有在光敏電阻中斷被允許或按下“IRQ”鍵時(shí)才調用一次解碼函數，在其他情況下一般U2270B處于空閑狀態(tài)。

　　3)開(kāi)啟U2270B函數 當“開(kāi)始上課”按鈕有效時(shí)，光敏電阻中斷被允許，或者利用“IRO”按鈕使讀卡器從低功耗模式下被喚醒，U2270B處于工作狀態(tài)。

　　4)U2270B解碼函數 解碼部分完全由軟件程序實(shí)現，通過(guò)輸入捕捉接收到的脈沖進(jìn)行解碼，這也是U2270B的不足之處。

　　3 結束語(yǔ)

　　學(xué)生考勤系統設計的核心是射頻卡讀寫(xiě)器，而射頻卡讀寫(xiě)器的關(guān)鍵是射頻卡基站器件，該器件主要完成數據的調制、發(fā)射和射頻接收以及數據解調任務(wù)。從射頻識別 卡的使用方便、交易速度快、便于維護和使用壽命較長(cháng)等優(yōu)點(diǎn)來(lái)看，射頻識別卡正在逐漸替代目前廣泛使用的接觸式IC卡。這里所設計的學(xué)生考勤系統實(shí)現了方 便、快捷、省時(shí)的學(xué)生考勤管理功能。