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RFID技術(shù)在學(xué)生考勤系統(tǒng)中的應(yīng)用

作者:RFID世界網(wǎng)收錄
來源:中國安防展覽網(wǎng)
日期:2013-09-16 10:58:46
摘要: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。而射頻識別卡(簡稱射頻卡、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)。
關(guān)鍵詞:RFID卡閱讀器U2270B

  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。而射頻識別卡(簡稱射頻卡、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,完全密封在一個標(biāo)準(zhǔn)PVC卡片中,無外露部分。學(xué)生考勤系統(tǒng)設(shè)計利用無線射頻識別(RFID)技術(shù),實現(xiàn)對學(xué)生進(jìn)行考勤、記錄等功能。

RFID技術(shù)在學(xué)生考勤系統(tǒng)中的應(yīng)用

  通過點(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,既耗時又容易相互干擾;而非接觸式RFID學(xué)生考勤系統(tǒng)實現(xiàn)了利用無線射頻識別技術(shù)對學(xué)生考勤管理,既方便快捷,又省時。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)簽因為沒有能量而處于休眠狀態(tài)。當(dāng)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(dāng)有標(biāo)簽靠近線圈時,標(biāo)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(shè)計。

  1射頻卡基站器件U2270B及其電路設(shè)計

  U2270B是ATMEL公司生產(chǎn)的基站器件,是一個對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100~150kHz范圍內(nèi),在頻率為125kHz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125kHz),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(dāng)應(yīng)答器進(jìn)入該射頻場內(nèi)時,由于電磁感應(yīng)的作用,在標(biāo)簽內(nèi)的天線端會產(chǎn)生感應(yīng)電勢,該感應(yīng)電勢也是標(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,不同的場寬度分別代表數(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。

  對場的控制通過控制器件的引腳6(CFE端)實現(xiàn)。應(yīng)答器的負(fù)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(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。對于U2270B基站電源有3種設(shè)計模式:第1種是單電壓供電,即引腳DVS、VEXT、VS、VBall使用5V電源;第2種是雙電壓供電,即引腳Vs使用5V電壓,而引腳DVS、VEXT、VBall使用7~8V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7~16V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(tǒng)設(shè)計采用第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(qiáng)。U2270B的天線驅(qū)動頻率可自行設(shè)置,該系統(tǒng)設(shè)計頻率設(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)過計算,設(shè)定的電阻值分別為R8=68Ω,R9=43Ω,這樣射頻頻率為125kHz。

  1.2.3天線模塊

  該系統(tǒng)設(shè)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Coil1和Coil2端口出來經(jīng)電容,電阻和線圈組成一個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,濾除或抑制無用信號。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200~350V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(dāng)諧振電壓達(dá)到一定數(shù)值就會通過感應(yīng)電場給應(yīng)答器供電,當(dāng)應(yīng)答器進(jìn)入感應(yīng)電場范圍內(nèi),應(yīng)答器內(nèi)部電路就會在諧振脈沖的基礎(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),用于描述回路的儲能與其耗能之比:

  本設(shè)計中應(yīng)答器標(biāo)簽的頻率為125kHz,線圈的電感L約1.35mH,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)?;緩膽?yīng)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(jìn)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(xué)生考勤系統(tǒng)設(shè)計采用的波特率為focs/32,此時C6,C7分別為100nF和680pF。

  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(jī)編程完成。

  2U2270B模塊軟件設(shè)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(yīng)將U2270B停止工作,并且默認(rèn)是125kHz的解碼。

  2)U2270B停止工作函數(shù)考慮到該系統(tǒng)設(shè)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(dāng)“開始上課”按鈕有效時,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

  學(xué)生考勤系統(tǒng)設(shè)計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)。從射頻識別卡的使用方便、交易速度快、便于維護(hù)和使用壽命較長等優(yōu)點(diǎn)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。這里所設(shè)計的學(xué)生考勤系統(tǒng)實現(xiàn)了方便、快捷、省時的學(xué)生考勤管理功能。