基于RFID的學生考勤系統(tǒng)設計

白敏丹

（中國傳媒大學 信 息工程學院，北京 1 00024）

隨著電子信息技術的發(fā)展，智能卡（IC卡）在生活中隨處可見。而射頻識別卡（簡稱射頻卡、RFID卡）[1]正逐漸取代傳統(tǒng)的接觸式IC卡，成為智能卡領域的新潮流。RFID卡由于成功結合了射頻識別技術和IC卡技術，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[2]。RFID卡由IC芯片、感應天線組成，完全密封在一個標準PVC卡片中，無外露部分[3]。學生考勤系統(tǒng)設計利用無線射頻識別（RFID）技術，實現(xiàn)對學生進行考勤、記錄等功能。

通過點名、磁卡和接觸式IC卡等方式對學生的到課情況進行考勤、記錄管理，既耗時又容易相互干擾；而非接觸式RFID學生考勤系統(tǒng)實現(xiàn)了利用無線射頻識別技術對學生考勤管理，既方便快捷，又省時。學生考勤系統(tǒng)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、液晶、時鐘和串口模塊）構成，如圖1所示。

圖1 學生考勤系統(tǒng)框圖

學生考勤系統(tǒng)的工作原理為：MCU工作于低功耗狀態(tài)，標簽因為沒有能量而處于休眠狀態(tài)。當按下鍵盤上的IRQ按鈕時，MCU被換醒，同時激活U2270B開始工作，U2270B的兩個天線端子通過線圈將能量傳輸給外界。當有標簽靠近線圈時，標簽獲得能量開始工作，并將其內(nèi)部存儲的信息發(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，是一個對IC卡進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 射頻卡基站器件U2270B的射頻頻率

U2270B基站的射頻頻率要求在100～150 kHz范圍內(nèi)[4]，在頻率為125 kHz情況下標準的數(shù)據(jù)傳輸速率可以達到5 000波特率，它可以采用曼徹斯特和雙相調(diào)制兩種方式。基站的工作電源可以是汽車電瓶或其他的5 V標準電源。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)部結構如圖2所示。

圖2 U2270B內(nèi)部結構

U2270B的射頻頻率是通過調(diào)整U2270B內(nèi)部結構中的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)動器的放大作用，在天線附近形成特定頻率的射頻場，當應答器進入該射頻場內(nèi)時，由于電磁感應的作用，在標簽內(nèi)的天線端會產(chǎn)生感應電勢，該感應電勢也是標簽的能量來源。將數(shù)據(jù)寫入應答器是采用場間隙方式，即由數(shù)據(jù)的“0”和“1”控制振蕩器的啟振和停振，并由天線產(chǎn)生帶有窄間歇的射頻場，不同的場寬度分別代表數(shù)據(jù)“0”和“1”，這樣完成將基站發(fā)射的數(shù)據(jù)寫入標簽的過程，

對場的控制通過控制器件的引腳6（CFE端）實現(xiàn)。應答器的負載調(diào)制會在基站天線上產(chǎn)生微弱的調(diào)幅，這樣，通過二極管對基站天線電壓的解調(diào)即可回收標簽調(diào)制的數(shù)據(jù)流。U2270B的外圍電路如圖3所示。

圖3 U2270B的外圍電路

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[4]。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 D VS、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 D VS、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，對于這種供電方式，U2270B的低功耗模式是可供選擇的。該學生考勤系統(tǒng)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輸出的天線驅(qū)動頻率，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，這個頻率越接近發(fā)射頻率，則發(fā)射功率越強。U2270B的天線驅(qū)動頻率可自行設置，該系統(tǒng)設計頻率設置是由流入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端之間的電阻值進行設定。

經(jīng)過計算，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天線模塊

該系統(tǒng)設計的天線模塊只涉及到電容，電阻和線圈，但是對于各個元器件的選值是比較精確的。從U2270B的Coill和Coil2端口出來經(jīng)電容，電阻和線圈組成一個LC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Coill、Coil2出來的脈沖滿足該頻率設置要求后，串聯(lián)諧振電路就會啟振，在回路兩端產(chǎn)生一個較高的諧振電壓VL=QVS。其中，VS為U2270B的Coill、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，因此對諧振回路的電容要求就比較高。當諧振電壓達到一定數(shù)值就會通過感應電場給應答器供電，當應答器進入感應電場范圍內(nèi)，應答器內(nèi)部電路就會在諧振脈沖的基礎上進行非常微弱的調(diào)幅調(diào)制，再由U2270B讀取。Q為諧振回路的品質(zhì)因數(shù)，用于描述回路的儲能與其耗能之比：

本設計中應答器標簽的頻率為125 kHz，線圈的電感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)。基站從應答器讀入的是經(jīng)過載波調(diào)制后的信號，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。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，有利于更進一步濾除無用及干擾信號。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，該學生考勤系統(tǒng)設計采用的波特率為focs／32，此時C6，C7分別為100 nF和680 pF。

C6與下限截止頻率fCVT的關系：

式中，Ri=2.5 Ω。

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

2 U2270B模塊軟件設計

U2270B模塊提供給高層調(diào)用的主要有4個子函數(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(shù)考慮到該系統(tǒng)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“開始上課”按鈕有效時，光敏電阻中斷被允許，或者利用“IRQ”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行解碼，這也是U2270B的不足之處。

3 結束語

學生考勤系統(tǒng)設計的核心是射頻卡讀寫器，而射頻卡讀寫器的關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。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等優(yōu)點來看，射頻識別卡正在逐漸替代目前廣泛使用的接觸式IC卡[5]。這里所設計的學生考勤系統(tǒng)實現(xiàn)了方便、快捷、省時的學生考勤管理功能。

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[2]Floerkemeier C，Wille M.Comparison of transmission schemes for framed ALOHA based RFID protocols PPIEEEP roceeding applications and the internet workshops[J].Hilton Phoenix East，Arizona，2006（92295）：210-223.

[3]LIU Lei-an，LAI Sheng-li.ALOHA based collisional gorithms used in RFID system PP IEEE proceeding wireless communication[C].Networking and Mobile Computing.Wuhan，China，2006：12.

[4]馬慶容，張綱.發(fā)展中國自己的RFID產(chǎn)業(yè)[J].信息技術與標準化，2004（5）：11-16.

[5]Finkenzeller，K.射頻識別（RFID）技術[M]．陳大才，譯.北京：電子工業(yè)出版社，2001：97-130.

[6]周曉光，王曉華.射頻識別（RFID）技術原理與應用實例[M].北京：人民郵電出版社，2006：24-27.