非接触式RFID学生考勤系统的设计

      随着电子信息技术的发展，智能卡(IC卡)已经在我们的生活中随处可见。射频识别卡(简称射频卡、RFID卡)诞生于20世纪90年代初，正逐渐取代传统的接触式IC卡，成为智能卡领域的新潮流。RFID卡由于成功地结合射频识别技术和IC卡技术，解决了无源(卡内无电池)和免接触的难题，因此，具有磁卡和接触式IC卡不可比拟的优点。RFID卡由IC芯片、感应天线组成，完全密封在一个标准PVC卡片中，无外露部分(见图1)。在学生考勤系统的设计中，利用无线射频识别技术(RFID)，可实现对学生进行考勤、记录等功能。 

1 学生考勤系统结构和工作原理  

    通过点名、磁卡和接触式IC卡等方式对学生的到课情况进行考勤、记录管理，既耗时又相互干扰；而非接触式RFID学生考勤系统实现了利用无线射频识别技术对学生考勤管理，既方便、快捷，又省时。学生考勤系统由应答器和阅读器组成，其中应答器由标签(即卡片)构成，阅读器(读卡器)由射频卡基站芯片U2270B及其支撑电路、主控芯片MCU及其支撑电路和外围接口电路(键盘、液晶、时钟和串口模块)构成(见图2)。 

    学生考勤系统的工作原理为：平时，MCU工作于低功耗状态，标签因为没有能量而处于休眠状态。当按下键盘上的IRQ按钮时，MCU被换醒，同时激活U2270B开始工作，U2270B的两个天线端子通过线圈将能量传输给外界。当有标签靠近线圈时，标签获得能量开始工作，并将其内部 存储的信息发送到U2270B的输入端，U2270B经过转换后再将信息送至输出端口发送给MCU，MCU接收到信息后将其转换成可识别的数据，再将其送至液晶显示。本文着重介绍考勤系统中的射频卡基站芯片U2270B及其支撑电路的设计。 

2 射频卡基站芯片U2270B及支撑电路的设计  

    U2270B芯片是ATMEL公司生产的基站芯片，是一个对IC卡进行读写操作的非接触式工作基站，内部由振荡器、天线驱动器、电源供给电路、频率调节电路、低通滤波电路、高通滤波电路、输出控制电路等部分组成，其内部结构见图3。 

2．1 射频卡基站芯片U2270B的射频频率  

    U2270B基站的射频频率要求在100kHz一150kHz范围内，在频率为125kHz情况下标准的数据传输速率可以达到5000波特率，它可以采用曼彻斯特和双相调制两种方式。基站的工作电源可以是汽车电瓶或其他的5V 标准电源。U2270B具有可微调功能，与其它微控制器有很好的兼容接口，在低功耗模式下低能量消耗，并可以为IC卡提供电源输出。 

    U2270B的射频频率是通过调整U2270B内部结构中的RF引脚所接电阻的大小，可以将内部振荡频率固定在特定的频率上(典型为125kHZ)，然后通过天线驱动器的放大作用，在天线附近形成特定频率的射频场，当应答器进入该射频场内时，由于电磁感应的作用，在标签内的天线端会产生感应电势，该感应电势也是标签的能量来源。将数据写入应答器是采用场间隙方式，即由数据的“0”和“1”控制振荡器的启振和停振，并由天线产生带有窄间歇的射频场，不同的场宽度分别代表数据“0”和“1”，这样完成将基站发射的数据写入标签的过程，对场的控制可通过控制芯片的第6脚(CFE端)来实现。l_5 J由应答器返回的数据流可采用对应答器天线的负载调制方式来实现。应答器的负载调制会在基站天线上产生微弱的调幅，这样，通过二极管对基站天线电压的解调即可回收标签调制的数据流。U2270B应用参考电路见图4。 

2．2 射频卡基站芯片U2270B的支撑电路  

2．2．1 电源模块  

    U2270B的Vs(电源)为内部电路提供电源，VEXT为天线和外部电路提供电压。对于U2270B基站电源有三种设计模式：第一种是单电压供电，即DVS、VEXT、VS、Ⅶ A1vr使用一个5V电源；第二种是双电压供电，即VS使用5V 电压，DVS、VEXT、VBATT使用7V～8V 电压；第三种是电池电压供电，VEXT和VS由内部电池供给，DVS和VBATT使用7V～16V外部电压，对于这种供电方式，U2270B的低功耗模式是可供选择的。在学生考勤系统设计中采用的是第二种电源供给方案。 

2．2．2 频率设置  

    频率指的是U2270B输出的天线驱动频率，而天线端子线圈的发射频率最终是由线圈回路的电阻、电容来决定的，这个频率越接近发射频率，，则发射功率越强。U2270B的天线驱动频率可自己设定，本设计设定的频率是由流人RF端的电流值所决定的，而Vs是内部电源供给，所以可以通过改变Vs端和RF端之间的电阻值来进行设定。具体的计算公式如下： 

经过计算，设定的电阻值分别为Rs=68Ω，R9 =43Ω，实现了射频频率为125kHz的目的。  

2．2．3 天线模块  

    U2270B关于天线部分只涉及到一个电容，一个电阻和线圈，但是对于各个器件的选值是比较精确的。 

    从U2270B的Coill和Coil2端口出来经过电容，电阻和线圈组成一个LC串联谐振选频回路，它的作用就是从众多的频率中选出有用信号，滤除或抑制无用信号。串联谐振电路的谐振角频率：

从而谐振频率：

    当从Coill、Coil2出来的脉冲满足这一频率要求后，串联谐振电路就会起振，在回路两端产生一个较高的谐振电压： VL=QVs

    其中Vs为U2270B的Coill、Coil2端的输出电压， 为线圈两端的谐振电压，一般可能在200V一350V之间，所以线圈两端的电容耐压值要高，热稳定性要好，因此，对谐振回路的电容要求是比较高的，购买选择时需要注意。当谐振电压达到一定的值就会通过感应电场给应答器供电，当应答器进入感应电场范围内，应答器内部电路就会在谐振脉冲的基础上进行非常微弱的调幅调制，再由U2270B来读取。其中Q为谐振回路的品质因数，它描述了回路的储能与它的耗能之比：

    在本设计中，应答器标签的频率为125kHZ，线圈的电感L约为1．35mH，这样电容C的容值就可由上面的公式算出固定的值。另外可以通过调节电阻R(注意线圈也含有一定的电阻)来调节品质因数，从而改变谐振电压来提高读写距离。 

2．2．4 数据输入 

    这里所讲的数据输入指的是U2270B从天线回路读回的数据。 

    基站从应答器读人的是经过载波调制后的信号，它通过C17电容耦合输入到INPUT输入端，经过低通滤波器，放大器，施密特触发器等几个环节后，在ourPUT端输出解调后的信号。低通滤波器的截止频率由fosc决定。INPUT管脚的耦合电容C7 以及HIPASS管脚的去耦电容C6 的值决定了解调电路的高通特性，有利于更进一步滤除无用及干扰信号。C6和C7 的值依射频卡的数据传输波特率的不同而不同，本学生考勤系统采用的波特率为 focs／32，此时c6，C7 分别为100nF和680pF。

C6与下限截止频率的关系如下：

式中：Ri=2．5Ω

    需要注意的是OUTPUT端输出的信号只是经过了解调，并没有解码。解码任务要通过单片机编程来完成。 

3 U2270B模块软件设计

    U2270B模块提供给高层调用的主要有4个子函数。 

3．1 U2270B初始化函数 

    在U2270B的初始化工作中主要就是将U2270B必要的控制口打上满足条件的电平，因为不是马上就要开始解码工作，所以同时也将U2270B停止工作。并且默认是125kHz的解码。 

3．2 U2270B停止工作函数 

    为低功耗和具体功能的考虑，只有在光敏电阻中断被允许或按下“IRQ”键时才调用一次解码函数，在其他情况下一般让U2270B处于不工作状态。

3．3 开启U2270B函数 

    当开始上课按钮有效时光敏电阻中断被允许，或者利用“IRQ”按钮使读卡器从低功耗模式下被唤醒，U2270B处于工作状态。 

3．4 U2270B解码函数 

    解码部分完全由软件程序来实现，通过输入捕捉接受到的脉冲来进行解码，这也是U2270B的不足之处。 

4 结语 

    由于篇幅有限，文中不再对考勤系统阅读器的主控芯片MCU及其支撑电路和外围接口电路做具体介绍。从射频识别卡的使用方便、交易速度快、便于维护和使用寿命较长等优点来看， 射频识别卡正在各种场合逐渐替代目前广泛使用的接触式Ic卡，应用前景十分广阔。