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,。 RFID卡由IC芯片、感應(yīng)天線組成,，完全密封在一個標準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(xué)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(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(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100～150 kHz范圍內(nèi),，在頻率為125 kHz情況下標準的數(shù)據(jù)傳輸速率可以達到5000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(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)動器的放大作用，在天線附近形成特定頻率的射頻場,，當應(yīng)答器進入該射頻場內(nèi)時,，由于電磁感應(yīng)的作用，在標簽內(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”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”，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(yīng)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。
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,。 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端之間的電阻值進行設(shè)定,。
經(jīng)過計算，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200～350 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(yīng)電場給應(yīng)答器供電,，當應(yīng)答器進入感應(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)?；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(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“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,。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,。