基于RFID的學(xué)生考勤系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：提出了一種無線射頻非接觸式RFID學(xué)生考勤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。采用以射頻卡U2270B器件為核心完成支撐電路設(shè)計(jì)，包括電源模塊、頻率模塊、天線模塊和數(shù)據(jù)輸入；以及軟件模塊設(shè)計(jì)，主要模塊有初始化、開啟、停止和解碼。目的是實(shí)現(xiàn)利用無線射頻識(shí)別技術(shù)對(duì)學(xué)生進(jìn)行考勤記錄管理，從而達(dá)到考勤工作方便、快捷、省時(shí)。主要技術(shù)涵蓋了射頻卡讀寫器，和其關(guān)鍵器件射頻卡基站器件。結(jié)果表明，該系統(tǒng)能快速實(shí)現(xiàn)各種考勤記錄，提高了學(xué)校的教學(xué)管理效率。
關(guān)鍵詞：考勤系統(tǒng)；設(shè)計(jì)；IC卡；學(xué)生；RFID

    隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展，智能卡(IC卡)在生活中隨處可見。而射頻識(shí)別卡(簡(jiǎn)稱射頻卡、RFID卡)正逐漸取代傳統(tǒng)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(jié)合了射頻識(shí)別技術(shù)和IC卡技術(shù)，解決了無源(卡內(nèi)無電池)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(yīng)天線組成，完全密封在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)PVC卡片中，無外露部分。學(xué)生考勤系統(tǒng)設(shè)計(jì)利用無線射頻識(shí)別(RFID)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生進(jìn)行考勤、記錄等功能。
    通過點(diǎn)名、磁卡和接觸式IC卡等方式對(duì)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(tǒng)實(shí)現(xiàn)了利用無線射頻識(shí)別技術(shù)對(duì)學(xué)生考勤管理，既方便快捷，又省時(shí)。學(xué)生考勤系統(tǒng)由應(yīng)答器和閱讀器組成，其中應(yīng)答器由標(biāo)簽(即卡片)構(gòu)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、液晶、時(shí)鐘和串口模塊)構(gòu)成，如圖1所示。

    學(xué)生考勤系統(tǒng)的工作原理為：MCU工作于低功耗狀態(tài)，標(biāo)簽因?yàn)闆]有能量而處于休眠狀態(tài)。當(dāng)按下鍵盤上的IRQ按鈕時(shí)，MCU被換醒，同時(shí)激活U2270B開始工作，U2270B的兩個(gè)天線端子通過線圈將能量傳輸給外界。當(dāng)有標(biāo)簽靠近線圈時(shí)，標(biāo)簽獲得能量開始工作，并將其內(nèi)部存儲(chǔ)的信息發(fā)送到U2270B的輸入端，U2270B經(jīng)過轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換成可識(shí)別的數(shù)據(jù)，再將其送至液晶顯示。本文著重介紹考勤系統(tǒng)中的射頻卡基站器件U2270B及其支撐電路設(shè)計(jì)。

1 射頻卡基站器件U2270B及其電路設(shè)計(jì)
    U2270B是ATMEL公司生產(chǎn)的基站器件，是一個(gè)對(duì)IC卡進(jìn)行讀寫操作的非接觸式工作基站，內(nèi)部由振蕩器、天線驅(qū)動(dòng)器、電源供給電路、頻率調(diào)節(jié)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(nèi)，在頻率為125 kHz情況下標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)傳輸速率可以達(dá)到5000波特率，它可以采用曼徹斯特和雙相調(diào)制兩種方式?；镜墓ぷ麟娫纯梢允瞧囯娖炕蚱渌? V標(biāo)準(zhǔn)電源。U2270B具有可微調(diào)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(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

    U2270B的射頻頻率是通過調(diào)整U2270B內(nèi)部結(jié)構(gòu)中的RF引引腳所接電阻的大小，可以將內(nèi)部振蕩頻率固定在特定的頻率上(典型為125 kHz)，然后通過天線驅(qū)動(dòng)器的放大作用，在天線附近形成特定頻率的射頻場(chǎng)，當(dāng)應(yīng)答器進(jìn)入該射頻場(chǎng)內(nèi)時(shí)，由于電磁感應(yīng)的作用，在標(biāo)簽內(nèi)的天線端會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，該感應(yīng)電勢(shì)也是標(biāo)簽的能量來源。將數(shù)據(jù)寫入應(yīng)答器是采用場(chǎng)間隙方式，即由數(shù)據(jù)的“0”和“l(fā)”控制振蕩器的肩振和停振，并由天線產(chǎn)生帶有窄間歇的射頻場(chǎng)，不同的場(chǎng)寬度分別代表數(shù)據(jù)“0”和“l(fā)”，這樣完成將基站發(fā)射的數(shù)據(jù)寫入標(biāo)簽的過程。
    對(duì)場(chǎng)的控制通過控制器件的引腳6(CFE端)實(shí)現(xiàn)。應(yīng)答器的負(fù)載調(diào)制會(huì)在基站天線上產(chǎn)生微弱的調(diào)幅，這樣，通過二極管對(duì)基站天線電壓的解調(diào)即可回收標(biāo)簽調(diào)制的數(shù)據(jù)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(nèi)部電路提供電源，VEXT為天線和外部電路提供電壓。對(duì)于U2270B基站電源有3種設(shè)計(jì)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(nèi)部電池供給，而引腳DVS和VBall使用7~16 V外部電壓，對(duì)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(tǒng)設(shè)計(jì)采用第2種電源供給方案。
1．2．2 頻率設(shè)置
    該頻率設(shè)置是U2270B輸出的天線驅(qū)動(dòng)頻率，而天線端子線圈的發(fā)射頻率最終是由線圈回路的電阻、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(qiáng)。U2270B的天線驅(qū)動(dòng)頻率可自行設(shè)置，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)頻率設(shè)置是由流入RF端的電流值決定的，而Vs是由內(nèi)部電源供給，所以可以通過改變Vs端和RF端之間的電阻值進(jìn)行設(shè)定。
   
    經(jīng)過計(jì)算，設(shè)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 天線模塊
    該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的天線模塊只涉及到電容，電阻和線圈，但是對(duì)于各個(gè)元器件的選值是比較精確的。從U2270B的Coil1和Coil2端口出來經(jīng)電容，電阻和線圈組成一個(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(hào)，濾除或抑制無用信號(hào)。由串聯(lián)諧振電路的諧振角頻率可知諧振頻率：
   
    當(dāng)從Coil1、Coil2出來的脈沖滿足該頻率設(shè)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，線圈兩端的諧振電壓VL一般可能介于200～350 V之間，所以線圈兩端的電容耐壓值要高，熱穩(wěn)定性要好，因此對(duì)諧振回路的電容要求就比較高。當(dāng)諧振電壓達(dá)到一定數(shù)值就會(huì)通過感應(yīng)電場(chǎng)給應(yīng)答器供電，當(dāng)應(yīng)答器進(jìn)入感應(yīng)電場(chǎng)范圍內(nèi)，應(yīng)答器內(nèi)部電路就會(huì)在諧振脈沖的基礎(chǔ)上進(jìn)行非常微弱的調(diào)幅調(diào)制，再由U2270B讀取。Q為諧振回路的品質(zhì)因數(shù)，用于描述回路的儲(chǔ)能與其耗能之比：
   
    本設(shè)計(jì)中應(yīng)答器標(biāo)簽的頻率為125 kHz，線圈的電感L約1．35 mH，這樣可由式(3)計(jì)算出電容C的容值。另外通過調(diào)節(jié)電阻R(注意線圈也含有一定的電阻)來調(diào)節(jié)品質(zhì)因數(shù)Q，改變諧振電壓，提高讀寫距離。
1．2．4 數(shù)據(jù)輸入
    這里的數(shù)據(jù)輸入是U2270B從天線回路讀回的數(shù)據(jù)?；緩膽?yīng)答器讀入的是經(jīng)過載波調(diào)制后的信號(hào)，它通過C7電容耦合輸入到INPUT輸入端，經(jīng)過低通濾波器、放大器、施密特觸發(fā)器等環(huán)節(jié)后，在OUTPUT端輸出解調(diào)后的信號(hào)。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(diào)電路的高通特性，有利于更進(jìn)一步濾除無用及干擾信號(hào)。C6和C7的容值隨射頻卡的數(shù)據(jù)傳輸波特率的不同而不同，該學(xué)生考勤系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(hào)只是經(jīng)過解調(diào)，并沒有解碼。解碼需要通過單片機(jī)編程完成。

2 U2270B模塊軟件設(shè)計(jì)
    U2270B模塊提供給高層調(diào)用的主要有4個(gè)子函數(shù)，分別為初始化函數(shù)、停止工作函數(shù)、開啟函數(shù)和解碼函數(shù)。
    1)U2270B初始化函數(shù) U2270B的初始化主要就是將U2270B必要的控制端口提供滿足條件的電平，由于不是馬上開始解碼，所以同時(shí)應(yīng)將U2270B停止工作，并且默認(rèn)是125 kHz的解碼。
    2)U2270B停止工作函數(shù) 考慮到該系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(diào)用一次解碼函數(shù)，在其他情況下一般U2270B處于空閑狀態(tài)。
    3)開啟U2270B函數(shù) 當(dāng)“開始上課”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(shù) 解碼部分完全由軟件程序?qū)崿F(xiàn)，通過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(jié)束語(yǔ)
    學(xué)生考勤系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心是射頻卡讀寫器，而射頻卡讀寫器的關(guān)鍵是射頻卡基站器件，該器件主要完成數(shù)據(jù)的調(diào)制、發(fā)射和射頻接收以及數(shù)據(jù)解調(diào)任務(wù)。從射頻識(shí)別卡的使用方便、交易速度快、便于維護(hù)和使用壽命較長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)來看，射頻識(shí)別卡正在逐漸替代目前廣泛使用的接觸式IC卡。這里所設(shè)計(jì)的學(xué)生考勤系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了方便、快捷、省時(shí)的學(xué)生考勤管理功能。