基于RFID的学生考勤系统设计

摘要：提出了一种无线射频非接触式RFID学生考勤系统的设计方法。采用以射频卡U2270B器件为核心完成支撑电路设计，包括电源模块、频率模块、天线模块和数据输入；以及软件模块设计，主要模块有初始化、开启、停止和解码。目的是实现利用无线射频识别技术对学生进行考勤记录管理，从而达到考勤工作方便、快捷、省时。主要技术涵盖了射频卡读写器，和其关键器件射频卡基站器件。结果表明，该系统能快速实现各种考勤记录，提高了学校的教学管理效率。
关键词：考勤系统；设计；IC卡；学生；RFID

    随着电子信息技术的发展，智能卡(IC卡)在生活中随处可见。而射频识别卡(简称射频卡、RFID卡)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卡由于成功结合了射频识别技术和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。学生考勤系统设计利用无线射频识别(RFID)技术，实现对学生进行考勤、记录等功能。
    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，既耗时又容易相互干扰；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)由射频卡基站器件U2270B及其支撑电路、主控器件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，如图1所示。

    学生考勤系统的工作原理为：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器件U2270B及其支撑电路设计。

1 射频卡基站器件U2270B及其电路设计
    U2270B是ATMEL公司生产的基站器件，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。
1．1 频卡基站器件U2270B的射频频率
    U2270B基站的射频频率要求在100～150 kHz范围内，在频率为125 kHz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5 V标准电源。U2270B具有可微调功能，与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，并可以为IC卡提供电源输出。U2270B器件内部结构如图2所示。

    U2270B的射频频率是通过调整U2270B内部结构中的RF引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125 kHz)，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“l”控制振荡器的肩振和停振，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“l”，这样完成将基站发射的数据写入标签的过程。
    对场的控制通过控制器件的引脚6(CFE端)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的外围电路如图3所示。

1．2 射频卡基站器件U2270B的支撑电路
1．2．1 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3种设计模式：第1种是单电压供电，即引脚DVS、VEXT、VS、VBall使用5 V电源；第2种是双电压供电，即引脚Vs使用5 V电压，而引脚DVS、VEXT、VBall使用7～8 V电压；第3种是电池电压供电，引脚VEXT和Vs由内部电池供给，而引脚DVS和VBall使用7~16 V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。该学生考勤系统设计采用第2种电源供给方案。
1．2．2 频率设置
    该频率设置是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行设置，该系统设计频率设置是由流入RF端的电流值决定的，而Vs是由内部电源供给，所以可以通过改变Vs端和RF端之间的电阻值进行设定。
   
    经过计算，设定的电阻值分别为R8=68 Ω，R9=43 Ω，这样射频频率为125 kHz。
1．2．3 天线模块
    该系统设计的天线模块只涉及到电容，电阻和线圈，但是对于各个元器件的选值是比较精确的。从U2270B的Coil1和Coil2端口出来经电容，电阻和线圈组成一个IC串联谐振选频回路，其作用就是从众多频率中选出有用信号，滤除或抑制无用信号。由串联谐振电路的谐振角频率可知谐振频率：
   
    当从Coil1、Coil2出来的脉冲满足该频率设置要求后，串联谐振电路就会启振，在回路两端产生一个较高的谐振电压VL=QVs。其中，Vs为U2270B的Coil1、Coil2端的输出电压，线圈两端的谐振电压VL一般可能介于200～350 V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就比较高。当谐振电压达到一定数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读取。Q为谐振回路的品质因数，用于描述回路的储能与其耗能之比：
   
    本设计中应答器标签的频率为125 kHz，线圈的电感L约1．35 mH，这样可由式(3)计算出电容C的容值。另外通过调节电阻R(注意线圈也含有一定的电阻)来调节品质因数Q，改变谐振电压，提高读写距离。
1．2．4 数据输入
    这里的数据输入是U2270B从天线回路读回的数据。基站从应答器读入的是经过载波调制后的信号，它通过C7电容耦合输入到INPUT输入端，经过低通滤波器、放大器、施密特触发器等环节后，在OUTPUT端输出解调后的信号。低通滤波器的截止频率由fosc决定。引脚INPUT的耦合电容C7以及引脚HIPASS的去耦电容C6的值决定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的容值随射频卡的数据传输波特率的不同而不同，该学生考勤系统设计采用的波特率为focs／32，此时C6，C7分别为100 nF和680 pF。
    C6与下限截止频率fCVT的关系：
   
式中，Ri=2．5Ω。
    需要注意的是OUTPUT端输出的信号只是经过解调，并没有解码。解码需要通过单片机编程完成。

2 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，分别为初始化函数、停止工作函数、开启函数和解码函数。
    1)U2270B初始化函数 U2270B的初始化主要就是将U2270B必要的控制端口提供满足条件的电平，由于不是马上开始解码，所以同时应将U2270B停止工作，并且默认是125 kHz的解码。
    2)U2270B停止工作函数 考虑到该系统设计的低功耗和具体功能，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U2270B处于空闲状态。
    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“IRO”按钮使读卡器从低功耗模式下被唤醒，U2270B处于工作状态。
    4)U2270B解码函数 解码部分完全由软件程序实现，通过输入捕捉接收到的脉冲进行解码，这也是U2270B的不足之处。

3 结束语
    学生考勤系统设计的核心是射频卡读写器，而射频卡读写器的关键是射频卡基站器件，该器件主要完成数据的调制、发射和射频接收以及数据解调任务。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，射频识别卡正在逐渐替代目前广泛使用的接触式IC卡。这里所设计的学生考勤系统实现了方便、快捷、省时的学生考勤管理功能。