基于2．4G射頻技術(shù)的遠(yuǎn)距離考勤讀卡器的設(shè)計(jì)

摘要：設(shè)計(jì)了一種基于2.4G無線射頻傳輸技術(shù)的移動(dòng)式遠(yuǎn)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(xì)闡述了用于傳輸數(shù)據(jù)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(gòu)架。該系統(tǒng)通過13.56 MHz(RC 522)模塊讀取IC卡的ID號(hào)，當(dāng)車輛通過考勤門口時(shí)不需要下車而是使用2.4G無線射頻電路將所讀到的數(shù)據(jù)傳送到接收端，接受端通過串口將數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)端。即可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離考勤。由于2.4G無線射頻技術(shù)具有網(wǎng)絡(luò)布線少且靈活，性能穩(wěn)定，傳輸距離遠(yuǎn)，傳輸速度快等優(yōu)點(diǎn)，所以非常適合應(yīng)用于學(xué)校不停車考勤系統(tǒng)。

RFID(Radio Frequency Identification)技術(shù)，無需接觸只需通過無線射頻信號(hào)即可自動(dòng)識(shí)別并獲得特定對(duì)象的數(shù)據(jù)，整個(gè)過程并不需要人工的干預(yù)，是一種自動(dòng)識(shí)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(yīng)用中，如門禁控制，校園卡等)，高頻(3～30 MHz用于需要傳輸大量數(shù)據(jù)的系統(tǒng))和超高頻(300 MHz～3 GHz用于需要較長的讀寫距離和高度寫速度的場合，如高速公路收費(fèi)系統(tǒng)中)。近年來，隨著RFID技術(shù)的迅速發(fā)展，同時(shí)由于其具有標(biāo)簽體積小、壽命長、移動(dòng)識(shí)別、可工作于各種惡劣環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)，RFID技術(shù)廣泛應(yīng)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(shè)計(jì)的移動(dòng)式遠(yuǎn)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(hào)，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的繁瑣。另外一方面由于2.4GHz射頻技術(shù)具有傳輸距離遠(yuǎn)(可達(dá)到10～20m);采用專用數(shù)據(jù)通道干擾少并搭載有跳頻技術(shù)和數(shù)據(jù)加密從而傳輸信號(hào)穩(wěn)定;屬于免費(fèi)頻段無需當(dāng)局許可即可使用等優(yōu)點(diǎn)，從而可以可以使整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)功能。

1 讀卡器的系統(tǒng)組成

整個(gè)考勤系統(tǒng)由讀卡器，接收器，上位機(jī)3部分組成。讀卡器主要負(fù)責(zé)讀取IC卡中的信息，并通過2.4 G無線通信將數(shù)據(jù)發(fā)送到接收端。接收端收到讀卡器發(fā)送來的信息后，通過串口將數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)，卡片信息的最終處理由上位機(jī)完成。本文主要完成讀卡器的設(shè)計(jì)。移動(dòng)式RFID讀卡器屬于便攜式設(shè)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(shè)計(jì)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(jié)中詳細(xì)介紹。人機(jī)互動(dòng)通過鍵盤和1602液晶得以實(shí)現(xiàn)，從而使讀卡器具有更加好的用戶體驗(yàn)度。上位機(jī)通過串口獲得MCU的數(shù)據(jù)。

2 移動(dòng)式RFID讀卡器的硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控芯片STC89C52RC的硬件電路設(shè)計(jì)

STC89C52是STC公司研發(fā)的一種基于51內(nèi)核微控制器，其特點(diǎn)是速度快、功耗低、抗干擾能力強(qiáng)，單指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051單片機(jī)，且ISP(在系統(tǒng)可編程)/IAP(在應(yīng)用可編程)，免去了使用專用編程器，仿真器帶來的不必要的麻煩，可通過串口(RXD/P3.0，TXD/ P3.1)直接下載用戶程序，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。其外圍電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。

2.2 數(shù)據(jù)傳送芯片nRF24L01+的外圍硬件電路

設(shè)計(jì)過程中發(fā)現(xiàn)在有些設(shè)計(jì)中使用的是Zigbee技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，但是通過分析發(fā)現(xiàn)，Zigbee雖然傳輸距離更加遠(yuǎn)，能夠達(dá)到本設(shè)計(jì)的要求，但是，在滿足本文所設(shè)計(jì)系統(tǒng)指標(biāo)的情況下無需那么遠(yuǎn)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(yuǎn)反而可能出現(xiàn)多個(gè)多點(diǎn)之間的信號(hào)干擾問題。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(fù)雜度，高速率的近距離無線通信技術(shù)，在設(shè)計(jì)中選用的是NORDIC公司研發(fā)的nRF24L01+芯片。該款芯片屬于2.4 GHz無線射頻頻段收發(fā)芯片，但是工作頻率在2.4～2.4835GHz之間可調(diào)，可以同時(shí)接收6路不同通道數(shù)據(jù)。通訊速度最高可調(diào)至2 Mbps，芯片內(nèi)部固化有CRC與地址校驗(yàn)校驗(yàn)協(xié)議，并支持自動(dòng)應(yīng)答功能，在確認(rèn)收到數(shù)據(jù)，可以自動(dòng)回應(yīng)應(yīng)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(jī)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(yīng)的寄存器得以實(shí)現(xiàn)。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(yīng)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。其特點(diǎn)是支持ISO/IEC 14442TypeA接口和MIFARE協(xié)議，調(diào)制電路高度集成，天線的驅(qū)動(dòng)只需要少量的外圍器件，特有的掉電機(jī)制可以關(guān)閉天線，即關(guān)閉射頻場，從而降低功耗。作者在相關(guān)論文上看到有設(shè)計(jì)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(duì)于RC 500，RC522具有如下優(yōu)勢(shì)。

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?yàn)椴⒖诖嬖?位數(shù)據(jù)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，因此無論從安全穩(wěn)定性與速度上來分析RC5 22更加具有優(yōu)勢(shì)。

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(shì)，作為移動(dòng)設(shè)備功耗的大小在設(shè)計(jì)中我們嚴(yán)格注意。

3)RC522相對(duì)于RC500在價(jià)格上具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

經(jīng)過上面的分析，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(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)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(dá)到10 Mbps。只需要四條信號(hào)線及RST復(fù)位端口，因?yàn)镾TC89C52RC內(nèi)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(xiàn)RC522寄存器數(shù)值的讀寫。四條信號(hào)線分別為(時(shí)鐘線SCK，輸入數(shù)據(jù)線MOSI，輸出數(shù)據(jù)線及芯片選通線CSN)，在對(duì)芯片進(jìn)行讀寫的時(shí)候需要先通過拉低CSN選通芯片選通芯片，在SCK低電平期間可以通過王MOSI引腳上寫值，一旦將SCK拉高后即將MOSI口數(shù)據(jù)寫入RC522，亦可以從從MISO管腳讀出數(shù)據(jù)。由于SPI屬于串口通信所以每讀寫一個(gè)寄存器的值(一個(gè)字節(jié))需要8個(gè)回合的MOSI管腳或MISO管腳的讀寫。

3 移動(dòng)式RFID讀卡器系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

移動(dòng)遠(yuǎn)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(xiàn)對(duì)RC522芯片進(jìn)行初始化設(shè)置，讀卡等功能。2)實(shí)現(xiàn)nRf24L01+發(fā)送數(shù)據(jù)等功能。對(duì)RC522處理的主要函數(shù)主要包括InitRC522(void)其功能是對(duì)RC522相應(yīng)寄存器進(jìn)行配置初始化、pcdRequest(unsigned charreq_ code，unsigned char*pTagType)尋找天線范圍內(nèi)的卡片、可能存在多張卡片處于讀卡的范圍之內(nèi)，所還需要有防碰撞處理函數(shù)pcdAnticoll(unsingned char*psnr)其原理是利用了RC522內(nèi)部固化的防碰撞協(xié)議，通過這個(gè)函數(shù)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(shù)選擇該卡，便于進(jìn)一步的卡片的讀寫操作。以得到多個(gè)IC卡中確定的一個(gè)卡的ID號(hào)。

對(duì)于2.4 GHz發(fā)送數(shù)據(jù)模塊處理的函數(shù)除了必要初始化設(shè)置外最主要的是發(fā)送函數(shù)nRF24L01_TxPacker(unsigned char*tx_buf)。該函數(shù)可以把之前讀到的員工ID卡發(fā)送至用于接收數(shù)據(jù)的2.4 GHz模塊。這部分功能也是整個(gè)遠(yuǎn)距離讀卡器的核心部分。

4 結(jié)論

文中對(duì)基于2.4 G技術(shù)的RFID讀卡器的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)做了詳細(xì)的論述介紹并和其他類似設(shè)計(jì)進(jìn)行了多方面比較。實(shí)驗(yàn)測試，其傳輸距離可以達(dá)到目標(biāo)要求并且性能穩(wěn)定，并在學(xué)校考勤系統(tǒng)中得到了實(shí)際應(yīng)用。由于2.4 G無線射頻技術(shù)是無線通訊省去了布線的麻煩，傳輸速度快，性能穩(wěn)定，因此相信其將具有越來廣泛的應(yīng)用前景。