基于2．4G射頻技術(shù)的遠距離考勤讀卡器的設計

摘要：設計了一種基于2.4G無線射頻傳輸技術(shù)的移動式遠距離考勤讀卡器，同時給出該讀卡器的原理框圖，并且詳細闡述了用于傳輸數(shù)據(jù)的2. 4G射頻芯片nrf24101+，讀卡芯片RC522與處理器STC89C52RC的外圍電路，以及整個讀卡器的軟件構(gòu)架。該系統(tǒng)通過13.56 MHz(RC 522)模塊讀取IC卡的ID號，當車輛通過考勤門口時不需要下車而是使用2.4G無線射頻電路將所讀到的數(shù)據(jù)傳送到接收端，接受端通過串口將數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機端。即可實現(xiàn)遠距離考勤。由于2.4G無線射頻技術(shù)具有網(wǎng)絡布線少且靈活，性能穩(wěn)定，傳輸距離遠，傳輸速度快等優(yōu)點，所以非常適合應用于學校不停車考勤系統(tǒng)。

RFID(Radio Frequency Identification)技術(shù)，無需接觸只需通過無線射頻信號即可自動識別并獲得特定對象的數(shù)據(jù)，整個過程并不需要人工的干預，是一種自動識別技術(shù)。在射頻領域，把電磁波按頻率劃分為6大部分。RFID主要工作在3個頻段上;低頻(30～300 kHz主要用在短距離低成本的應用中，如門禁控制，校園卡等)，高頻(3～30 MHz用于需要傳輸大量數(shù)據(jù)的系統(tǒng))和超高頻(300 MHz～3 GHz用于需要較長的讀寫距離和高度寫速度的場合，如高速公路收費系統(tǒng)中)。近年來，隨著RFID技術(shù)的迅速發(fā)展，同時由于其具有標簽體積小、壽命長、移動識別、可工作于各種惡劣環(huán)境等優(yōu)點，RFID技術(shù)廣泛應用于公共安全、生產(chǎn)管理、物流管理、交通管理等多個領域。

本文所設計的移動式遠距離讀卡器采用2.4GHz+13.56 MHz的雙頻段模式，一方面使用13.56 MHz射頻技術(shù)讀取職工IC卡的ID號，這種做法便于兼容職工原有的IC卡，從而在降低成本的同時減少了額外攜帶一張卡帶來的繁瑣。另外一方面由于2.4GHz射頻技術(shù)具有傳輸距離遠(可達到10～20m);采用專用數(shù)據(jù)通道干擾少并搭載有跳頻技術(shù)和數(shù)據(jù)加密從而傳輸信號穩(wěn)定;屬于免費頻段無需當局許可即可使用等優(yōu)點，從而可以可以使整個系統(tǒng)實現(xiàn)目標功能。

1 讀卡器的系統(tǒng)組成

整個考勤系統(tǒng)由讀卡器，接收器，上位機3部分組成。讀卡器主要負責讀取IC卡中的信息，并通過2.4 G無線通信將數(shù)據(jù)發(fā)送到接收端。接收端收到讀卡器發(fā)送來的信息后，通過串口將數(shù)據(jù)傳送給上位機，卡片信息的最終處理由上位機完成。本文主要完成讀卡器的設計。移動式RFID讀卡器屬于便攜式設備，由電池供電，因此低功耗，高性能價格比的原則貫穿于整個設計之中。讀卡器的組成框圖如圖1所示。

STC89C52RC與RC522，NRF24L01+之間都使用SPI方式通信，具體接口電路將在下面一節(jié)中詳細介紹。人機互動通過鍵盤和1602液晶得以實現(xiàn)，從而使讀卡器具有更加好的用戶體驗度。上位機通過串口獲得MCU的數(shù)據(jù)。

2 移動式RFID讀卡器的硬件設計

2.1 主控芯片STC89C52RC的硬件電路設計

STC89C52是STC公司研發(fā)的一種基于51內(nèi)核微控制器，其特點是速度快、功耗低、抗干擾能力強，單指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051單片機，且ISP(在系統(tǒng)可編程)/IAP(在應用可編程)，免去了使用專用編程器，仿真器帶來的不必要的麻煩，可通過串口(RXD/P3.0，TXD/ P3.1)直接下載用戶程序，速度非常快僅需要幾秒鐘，這些特點非常有利于產(chǎn)品的開發(fā)，同時縮小了產(chǎn)品的體積，大幅度縮減了產(chǎn)品的成本，非常有利產(chǎn)品迅速占有市場。其外圍電路結(jié)構(gòu)設計如圖2所示。

2.2 數(shù)據(jù)傳送芯片nRF24L01+的外圍硬件電路

設計過程中發(fā)現(xiàn)在有些設計中使用的是Zigbee技術(shù)進行數(shù)據(jù)傳輸，但是通過分析發(fā)現(xiàn)，Zigbee雖然傳輸距離更加遠，能夠達到本設計的要求，但是，在滿足本文所設計系統(tǒng)指標的情況下無需那么遠的傳輸距離一方面價格貴出了好幾倍增加成本，同時由于傳輸距離遠反而可能出現(xiàn)多個多點之間的信號干擾問題。因此綜合考慮使用2.4 GHz射頻技術(shù)。2.4 G技術(shù)是一種低功耗，低成本，低復雜度，高速率的近距離無線通信技術(shù)，在設計中選用的是NORDIC公司研發(fā)的nRF24L01+芯片。該款芯片屬于2.4 GHz無線射頻頻段收發(fā)芯片，但是工作頻率在2.4～2.4835GHz之間可調(diào)，可以同時接收6路不同通道數(shù)據(jù)。通訊速度最高可調(diào)至2 Mbps，芯片內(nèi)部固化有CRC與地址校驗校驗協(xié)議，并支持自動應答功能，在確認收到數(shù)據(jù)，可以自動回應應答方，從而提高了通信的安全可靠性，在ShockBurstTMC模式下低速單片機也可以與其通信，這些功能都可以用MCU經(jīng)芯片提供的SPI接口配置相應的寄存器得以實現(xiàn)。其外圍電路如圖3所示。

2.3 讀卡芯片RC522的外圍硬件電路

讀卡芯片使用恩智浦公司研發(fā)的RC522，這款芯片目前在相應領域得到廣泛的應用。其特點是支持ISO/IEC 14442TypeA接口和MIFARE協(xié)議，調(diào)制電路高度集成，天線的驅(qū)動只需要少量的外圍器件，特有的掉電機制可以關(guān)閉天線，即關(guān)閉射頻場，從而降低功耗。作者在相關(guān)論文上看到有設計者選用RC500作為讀卡芯片。它們本屬于同一個系列的產(chǎn)品，但是相對于RC 500，RC522具有如下優(yōu)勢。

1)兩者和MCU的通訊方式不同，RC500僅支持并口通訊，而RC522是UART，SPI，I2C 3種方式可配置，因此RC522使用范圍更廣，同時因為并口存在8位數(shù)據(jù)通道相互干擾，以及時序不一致等缺點，因此串口的傳輸速度相比于并口更快，因此無論從安全穩(wěn)定性與速度上來分析RC5 22更加具有優(yōu)勢。

2)RC522的工作電壓是3.3 V，而RC500的工作電壓是5 V的因此在功耗上RC500同時具有比較大的優(yōu)勢，作為移動設備功耗的大小在設計中我們嚴格注意。

3)RC522相對于RC500在價格上具有明顯的優(yōu)勢。

經(jīng)過上面的分析，及實際需要因此選擇RC522作為讀卡芯片。RC522硬件電路圖如圖4所示。

2.4 RC522與主控芯片的通信接口的設計

本文所設計的讀卡器中，RC522與MCU之間采用SPI方式進行通信，SPI采用主從模式工作最高傳輸速率達到10 Mbps。只需要四條信號線及RST復位端口，因為STC89C52RC內(nèi)部不具有SPI寄存器，所以需要使用MCU進行模擬SPI時序，實現(xiàn)RC522寄存器數(shù)值的讀寫。四條信號線分別為(時鐘線SCK，輸入數(shù)據(jù)線MOSI，輸出數(shù)據(jù)線及芯片選通線CSN)，在對芯片進行讀寫的時候需要先通過拉低CSN選通芯片選通芯片，在SCK低電平期間可以通過王MOSI引腳上寫值，一旦將SCK拉高后即將MOSI口數(shù)據(jù)寫入RC522，亦可以從從MISO管腳讀出數(shù)據(jù)。由于SPI屬于串口通信所以每讀寫一個寄存器的值(一個字節(jié))需要8個回合的MOSI管腳或MISO管腳的讀寫。

3 移動式RFID讀卡器系統(tǒng)軟件設計

移動遠距離讀卡器程序流程如圖5所示。軟件總體上分為兩部分，1)實現(xiàn)對RC522芯片進行初始化設置，讀卡等功能。2)實現(xiàn)nRf24L01+發(fā)送數(shù)據(jù)等功能。對RC522處理的主要函數(shù)主要包括InitRC522(void)其功能是對RC522相應寄存器進行配置初始化、pcdRequest(unsigned charreq_ code，unsigned char*pTagType)尋找天線范圍內(nèi)的卡片、可能存在多張卡片處于讀卡的范圍之內(nèi)，所還需要有防碰撞處理函數(shù)pcdAnticoll(unsingned char*psnr)其原理是利用了RC522內(nèi)部固化的防碰撞協(xié)議，通過這個函數(shù)可以獲得眾多IC卡唯一一個UID，進而可以使用選擇函數(shù)選擇該卡，便于進一步的卡片的讀寫操作。以得到多個IC卡中確定的一個卡的ID號。

對于2.4 GHz發(fā)送數(shù)據(jù)模塊處理的函數(shù)除了必要初始化設置外最主要的是發(fā)送函數(shù)nRF24L01_TxPacker(unsigned char*tx_buf)。該函數(shù)可以把之前讀到的員工ID卡發(fā)送至用于接收數(shù)據(jù)的2.4 GHz模塊。這部分功能也是整個遠距離讀卡器的核心部分。

4 結(jié)論

文中對基于2.4 G技術(shù)的RFID讀卡器的硬件設計和軟件設計做了詳細的論述介紹并和其他類似設計進行了多方面比較。實驗測試，其傳輸距離可以達到目標要求并且性能穩(wěn)定，并在學校考勤系統(tǒng)中得到了實際應用。由于2.4 G無線射頻技術(shù)是無線通訊省去了布線的麻煩，傳輸速度快，性能穩(wěn)定，因此相信其將具有越來廣泛的應用前景。