解析基于RFID技術的學生考勤系統參考設計

隨著電子信息技術的發展，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 點。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。學生考勤系統設計利用無線射頻識別(RFID)技術，實現對學生 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學生考勤系統實現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。

學生考勤系統的工作原理為：MCU工作于低功耗狀態，標簽因為沒有能量而處于休眠狀態。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，并將其內部存儲的信息發送到U2270B的 輸入端，U2270B經過轉換后再將信息送至輸出端口發送給MCU，MCU接收到信息后將其轉換成可識別的數據，再將其送至液晶顯示。本文著重介紹考勤系 統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，內部由振蕩器、天線驅動器、電源供給電路、頻率調節電路、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，在頻率為125 kHz情況下標準的數據傳輸速率可以達到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器件內部結構如圖2所示。

U2270B的射頻頻率是通過調整U2270B內部結構中的RF引引腳所接電阻的大小，可以將內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時，由于電磁感應的作用，在標簽內的天線端會產生感應 電勢，該感應電勢也是標簽的能量來源。將數據寫入應答器是采用場間隙方式，即由數據的“0”和“l”控制振蕩器的肩振和停振，并由天線產生帶有窄間歇的射 頻場，不同的場寬度分別代表數據“0”和“l”，這樣完成將基站發射的數據寫入標簽的過程。

對場的控制通過控制器件的引腳6(CFE端)實現。應答器的負載調制會在基站天線上產生微弱的調幅，這樣，通過二極管對基站天線電壓的解調即可回收標簽調制的數據流。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輸出的天線驅動頻率，而天線端子線圈的發射頻率最終是由線圈回路的電阻、電容決定的，這個頻率越接近發射頻率，則發射功率越強。 U2270B的天線驅動頻率可自行設置，該系統設計頻率設置是由流入RF端的電流值決定的，而Vs是由內部電源供給，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Coil1和Coil2端口出來經電容，電阻和 線圈組成一個IC串聯諧振選頻回路，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置要求后，串聯諧振電路就會啟振，在回路兩端產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，應答器內部電路就會在諧振脈沖的基礎上進行非常微弱的調幅調制，再由U2270B讀取。Q為諧振回路的品質因數，用于描述回路的儲 能與其耗能之比：