基于2．4G射頻技術(shù)的遠距離考勤讀卡器的設計

摘要：設計了一種基于2.4G無(wú)線(xiàn)射頻傳輸技術(shù)的移動(dòng)式遠距離考勤讀卡器，同時(shí)給出該讀卡器的原理框圖，并且詳細闡述了用于傳輸數據的2. 4G射頻芯片nrf24101+，讀卡芯片RC522與處理器STC89C52RC的外圍電路，以及整個(gè)讀卡器的軟件構架。該系統通過(guò)13.56 MHz(RC 522)模塊讀取IC卡的ID號，當車(chē)輛通過(guò)考勤門(mén)口時(shí)不需要下車(chē)而是使用2.4G無(wú)線(xiàn)射頻電路將所讀到的數據傳送到接收端，接受端通過(guò)串口將數據發(fā)送至上位機端。即可實(shí)現遠距離考勤。由于2.4G無(wú)線(xiàn)射頻技術(shù)具有網(wǎng)絡(luò )布線(xiàn)少且靈活，性能穩定，傳輸距離遠，傳輸速度快等優(yōu)點(diǎn)，所以非常適合應用于學(xué)校不停車(chē)考勤系統。

RFID(Radio Frequency Identification)技術(shù)，無(wú)需接觸只需通過(guò)無(wú)線(xiàn)射頻信號即可自動(dòng)識別并獲得特定對象的數據，整個(gè)過(guò)程并不需要人工的干預，是一種自動(dòng)識別技術(shù)。在射頻領(lǐng)域，把電磁波按頻率劃分為6大部分。RFID主要工作在3個(gè)頻段上;低頻(30～300 kHz主要用在短距離低成本的應用中，如門(mén)禁控制，校園卡等)，高頻(3～30 MHz用于需要傳輸大量數據的系統)和超高頻(300 MHz～3 GHz用于需要較長(cháng)的讀寫(xiě)距離和高度寫(xiě)速度的場(chǎng)合，如高速公路收費系統中)。近年來(lái)，隨著(zhù)RFID技術(shù)的迅速發(fā)展，同時(shí)由于其具有標簽體積小、壽命長(cháng)、移動(dòng)識別、可工作于各種惡劣環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)，RFID技術(shù)廣泛應用于公共安全、生產(chǎn)管理、物流管理、交通管理等多個(gè)領(lǐng)域。

本文所設計的移動(dòng)式遠距離讀卡器采用2.4GHz+13.56 MHz的雙頻段模式，一方面使用13.56 MHz射頻技術(shù)讀取職工IC卡的ID號，這種做法便于兼容職工原有的IC卡，從而在降低成本的同時(shí)減少了額外攜帶一張卡帶來(lái)的繁瑣。另外一方面由于2.4GHz射頻技術(shù)具有傳輸距離遠(可達到10～20m);采用專(zhuān)用數據通道干擾少并搭載有跳頻技術(shù)和數據加密從而傳輸信號穩定;屬于免費頻段無(wú)需當局許可即可使用等優(yōu)點(diǎn)，從而可以可以使整個(gè)系統實(shí)現目標功能。

1 讀卡器的系統組成

整個(gè)考勤系統由讀卡器，接收器，上位機3部分組成。讀卡器主要負責讀取IC卡中的信息，并通過(guò)2.4 G無(wú)線(xiàn)通信將數據發(fā)送到接收端。接收端收到讀卡器發(fā)送來(lái)的信息后，通過(guò)串口將數據傳送給上位機，卡片信息的最終處理由上位機完成。本文主要完成讀卡器的設計。移動(dòng)式RFID讀卡器屬于便攜式設備，由電池供電，因此低功耗，高性能價(jià)格比的原則貫穿于整個(gè)設計之中。讀卡器的組成框圖如圖1所示。

STC89C52RC與RC522，NRF24L01+之間都使用SPI方式通信，具體接口電路將在下面一節中詳細介紹。人機互動(dòng)通過(guò)鍵盤(pán)和1602液晶得以實(shí)現，從而使讀卡器具有更加好的用戶(hù)體驗度。上位機通過(guò)串口獲得MCU的數據。

2 移動(dòng)式RFID讀卡器的硬件設計

2.1 主控芯片STC89C52RC的硬件電路設計

STC89C52是STC公司研發(fā)的一種基于51內核微控制器，其特點(diǎn)是速度快、功耗低、抗干擾能力強，單指令代碼完全兼容傳統8051單片機，且ISP(在系統可編程)/IAP(在應用可編程)，免去了使用專(zhuān)用編程器，仿真器帶來(lái)的不必要的麻煩，可通過(guò)串口(RXD/P3.0，TXD/ P3.1)直接下載用戶(hù)程序，速度非?？靸H需要幾秒鐘，這些特點(diǎn)非常有利于產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)，同時(shí)縮小了產(chǎn)品的體積，大幅度縮減了產(chǎn)品的成本，非常有利產(chǎn)品迅速占有市場(chǎng)。其外圍電路結構設計如圖2所示。

2.2 數據傳送芯片nRF24L01+的外圍硬件電路

設計過(guò)程中發(fā)現在有些設計中使用的是Zigbee技術(shù)進(jìn)行數據傳輸，但是通過(guò)分析發(fā)現，Zigbee雖然傳輸距離更加遠，能夠達到本設計的要求，但是，在滿(mǎn)足本文所設計系統指標的情況下無(wú)需那么遠的傳輸距離一方面價(jià)格貴出了好幾倍增加成本，同時(shí)由于傳輸距離遠反而可能出現多個(gè)多點(diǎn)之間的信號干擾問(wèn)題。因此綜合考慮使用2.4 GHz射頻技術(shù)。2.4 G技術(shù)是一種低功耗，低成本，低復雜度，高速率的近距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，在設計中選用的是NORDIC公司研發(fā)的nRF24L01+芯片。該款芯片屬于2.4 GHz無(wú)線(xiàn)射頻頻段收發(fā)芯片，但是工作頻率在2.4～2.4835GHz之間可調，可以同時(shí)接收6路不同通道數據。通訊速度最高可調至2 Mbps，芯片內部固化有CRC與地址校驗校驗協(xié)議，并支持自動(dòng)應答功能，在確認收到數據，可以自動(dòng)回應應答方，從而提高了通信的安全可靠性，在ShockBurstTMC模式下低速單片機也可以與其通信，這些功能都可以用MCU經(jīng)芯片提供的SPI接口配置相應的寄存器得以實(shí)現。其外圍電路如圖3所示。

2.3 讀卡芯片RC522的外圍硬件電路

讀卡芯片使用恩智浦公司研發(fā)的RC522，這款芯片目前在相應領(lǐng)域得到廣泛的應用。其特點(diǎn)是支持ISO/IEC 14442TypeA接口和MIFARE協(xié)議，調制電路高度集成，天線(xiàn)的驅動(dòng)只需要少量的外圍器件，特有的掉電機制可以關(guān)閉天線(xiàn)，即關(guān)閉射頻場(chǎng)，從而降低功耗。作者在相關(guān)論文上看到有設計者選用RC500作為讀卡芯片。它們本屬于同一個(gè)系列的產(chǎn)品，但是相對于RC 500，RC522具有如下優(yōu)勢。

1)兩者和MCU的通訊方式不同，RC500僅支持并口通訊，而RC522是UART，SPI，I2C 3種方式可配置，因此RC522使用范圍更廣，同時(shí)因為并口存在8位數據通道相互干擾，以及時(shí)序不一致等缺點(diǎn)，因此串口的傳輸速度相比于并口更快，因此無(wú)論從安全穩定性與速度上來(lái)分析RC5 22更加具有優(yōu)勢。

2)RC522的工作電壓是3.3 V，而RC500的工作電壓是5 V的因此在功耗上RC500同時(shí)具有比較大的優(yōu)勢，作為移動(dòng)設備功耗的大小在設計中我們嚴格注意。

3)RC522相對于RC500在價(jià)格上具有明顯的優(yōu)勢。

經(jīng)過(guò)上面的分析，及實(shí)際需要因此選擇RC522作為讀卡芯片。RC522硬件電路圖如圖4所示。

2.4 RC522與主控芯片的通信接口的設計

本文所設計的讀卡器中，RC522與MCU之間采用SPI方式進(jìn)行通信，SPI采用主從模式工作最高傳輸速率達到10 Mbps。只需要四條信號線(xiàn)及RST復位端口，因為STC89C52RC內部不具有SPI寄存器，所以需要使用MCU進(jìn)行模擬SPI時(shí)序，實(shí)現RC522寄存器數值的讀寫(xiě)。四條信號線(xiàn)分別為(時(shí)鐘線(xiàn)SCK，輸入數據線(xiàn)MOSI，輸出數據線(xiàn)及芯片選通線(xiàn)CSN)，在對芯片進(jìn)行讀寫(xiě)的時(shí)候需要先通過(guò)拉低CSN選通芯片選通芯片，在SCK低電平期間可以通過(guò)王MOSI引腳上寫(xiě)值，一旦將SCK拉高后即將MOSI口數據寫(xiě)入RC522，亦可以從從MISO管腳讀出數據。由于SPI屬于串口通信所以每讀寫(xiě)一個(gè)寄存器的值(一個(gè)字節)需要8個(gè)回合的MOSI管腳或MISO管腳的讀寫(xiě)。

3 移動(dòng)式RFID讀卡器系統軟件設計

移動(dòng)遠距離讀卡器程序流程如圖5所示。軟件總體上分為兩部分，1)實(shí)現對RC522芯片進(jìn)行初始化設置，讀卡等功能。2)實(shí)現nRf24L01+發(fā)送數據等功能。對RC522處理的主要函數主要包括InitRC522(void)其功能是對RC522相應寄存器進(jìn)行配置初始化、pcdRequest(unsigned charreq_ code，unsigned char*pTagType)尋找天線(xiàn)范圍內的卡片、可能存在多張卡片處于讀卡的范圍之內，所還需要有防碰撞處理函數pcdAnticoll(unsingned char*psnr)其原理是利用了RC522內部固化的防碰撞協(xié)議，通過(guò)這個(gè)函數可以獲得眾多IC卡唯一一個(gè)UID，進(jìn)而可以使用選擇函數選擇該卡，便于進(jìn)一步的卡片的讀寫(xiě)操作。以得到多個(gè)IC卡中確定的一個(gè)卡的ID號。

對于2.4 GHz發(fā)送數據模塊處理的函數除了必要初始化設置外最主要的是發(fā)送函數nRF24L01_TxPacker(unsigned char*tx_buf)。該函數可以把之前讀到的員工ID卡發(fā)送至用于接收數據的2.4 GHz模塊。這部分功能也是整個(gè)遠距離讀卡器的核心部分。

4 結論

文中對基于2.4 G技術(shù)的RFID讀卡器的硬件設計和軟件設計做了詳細的論述介紹并和其他類(lèi)似設計進(jìn)行了多方面比較。實(shí)驗測試，其傳輸距離可以達到目標要求并且性能穩定，并在學(xué)?？记谙到y中得到了實(shí)際應用。由于2.4 G無(wú)線(xiàn)射頻技術(shù)是無(wú)線(xiàn)通訊省去了布線(xiàn)的麻煩，傳輸速度快，性能穩定，因此相信其將具有越來(lái)廣泛的應用前景。