基于非接觸式IC卡的考勤系統設計

吉林農業大學工程技術學院 于豐華 雷宇橋 胡玉杰 孫 浩 朱鳳武

1.引言

當今世界已形成非接觸IC卡的龐大應用和供應市場，僅＜135KHz的低頻產品的全體出貨量就達42億片以上，而以標準非接觸式IC卡為主的13.56MHz高頻產品的全球年出貨量則達4億片以上。其中，標準非接觸IC卡芯片的國際市場最大供應商，從20世紀90年代至今，始終為荷蘭PHILIPS半導體公司。2001年，該公司向中國北京市政一卡通有限公司交付了它的第2億片Mifare非接觸讀寫芯片，再一次證明了它在世界標準非接觸IC卡芯片市場穩固的領導地位；而其他RFID產品——“非標卡”芯片全球主要供應商，則為美國的TI公司和瑞士的EM公司等。

與國外先進技術相比，國內的非接觸IC卡芯片研制水準差距較大，市場流通的非接觸IC卡多為進口產品。即便部分有實力廠商已具備非接觸IC卡封裝能力，但卡內芯片多為進口產品。真正能夠研制這類芯片并具備產業化生產能力的廠家不多。令人欣慰的是：進入21世紀后，國內集成電路行業尤其是具備雄厚的電子工業基礎的上海，在非接觸IC卡芯片的研發上進展頗大。

而“堅持國產芯片、自主版權、注重國產化、立足國內、以我為主”等建設原則，迄今為止世界最大的非接觸IC卡應用項目——中華人民共和國第二代居民身份證卡的研制和頒發工作的穩步開展以及城市公共交通等非接觸IC卡應用項目的成功和拓展深化所呈現的市場前景，外來將進一步推動這類發展。

1.1 系統概述

本考勤系統的具體設計目標為：持有效卡人能很方便、很直觀地刷卡考勤；能夠方便地處理請假、加班等考勤相關事項；管理人員能方便地查詢考勤刷卡記錄；系統能如實地反映每個人的考勤情況；管理人員能方便地統計、打印或導出考勤統計結果；系統具有經濟合理的運營成本。

1.2 設計原則

(1)先進性

系統的設計選型和產品性能在投入使用時應具有一定的技術先進性，但不盲目追求上不成熟的新技術或不實用的新功能。

(2)安全性

系統的設計具有高度的可靠性，產品成熟性能穩定，保證系統長時間無故障運行，幾百年遭遇事故造成中斷后也能確保數據的準確性、完整性和一致性，并可迅速恢復正常，以確保整個系統的安全性。

(3)卡號的安全性

卡號的安全性包括能夠防止重復卡、防止卡等安全漏洞。系統數據庫中不僅保存了寫入的加密卡號，同時也保存了每張卡的原始序列號，這樣在以后對系統進行擴展或升級時，用戶可以選擇某一種卡號，既保證了系統的安全性，又保證了系統的擴展性。

(4)實用性

系統選用的不見和產品都能較好地滿足用戶需求，并符合近期使用哪個和遠期的方向。

(5)方便性

以現有成熟的產品為對象設計，同時還考慮到周邊信息通信環境的現狀和技術的發展趨勢，使設計方案可行。

(6)開放性

為保證各供應商產品的協同運行，同時考慮到投資者的長遠利益，系統結構必須是開放的，并結合相關國際標準或工業標準執行。

2.系統的硬件設計

2.1 RFID系統的工作原理

無線射頻識別技術的基本原理是利用射頻信號和空間藕合(電感或電磁藕合)或雷達反射的傳輸特性，實現對被識別物體的自動識別。系統組成模型見圖2-1。

RFID系統至少包含應答器(又稱電子標簽，應答標簽)和讀寫器(又稱閱讀器)兩部分，典型的射頻識別系統通常由應答器、讀寫器、PC上位機三部分組成。應答器是射頻識別系統的數據載體，由天線和專用芯片組成，存儲著需要被識別的信息，它所存儲的信息通常可被射頻讀寫器通過非接觸方式讀/寫獲取。應答器按照自身是否帶電源分有源標簽和無源標簽兩種，有源標簽是自帶電源，無源標簽所需的能量從讀寫器的射頻場內獲得。

讀寫器通過天線與應答器進行無線通信，可以實現對應答器識別碼和內存數據的讀出或寫入操作。典型的讀寫器包含有射頻模塊、控制單元以及讀寫器天線。

PC上位機通常用于對數據進行管理，完成通信傳輸功能，讀寫器通過標準接口與PC上位機連接，以便實現通信和數據傳輸功能。

讀寫器和應答器通過各自的天線構建了二者的非接觸信息傳輸信道，電磁場理論中的麥克斯韋方程可以解釋能量的產生，能量以電場、磁場的形式相互轉換不向外傳播，距離天線越近，場強越強。射頻識別系統工作過程中始終以能量作為基礎，通過一定時序方式來實現數據交換。對于無源標簽來說，讀寫器向應答器提供工作能量，當應答器離開讀寫器的工作范圍時，沒有能量激活而處于“休眠”狀態，當應答器進入讀寫器的工作范圍，監測到讀寫器發出的一定特征的射頻信號，即通過整流的方式將接受到的能量轉換為電能儲存在應答器內的電容器里，以此擁有工作能量，狀態由“休眠”變為“接收”，接收讀寫器的命令后進行處理，再向其返回結果，這類只有接收到讀寫器特殊命令才發送數據的應答器被稱為RTF方式(Reader Talks First，讀寫器先發言)。與RTF相對應的是TTF方式(Tag Talks First，標簽先發言)，即應答器進入讀寫器的能量場就主動發送自身序列號的方式。TTF和RTF相比具有識別速度快的特點，適用于需要高速應用的場合，在噪聲環境中更穩健，更適用于工業環境的跟蹤應用。射頻識別系統中，讀寫器和應答器之間的數據交換方式分為負載調制和反向散射調制。

2.2 AT89C52系列單片機

AT89C52單片機是由Atmel公司開發的低功耗高性能CMOS 8位微處理器。帶有8K字節可編程和可電擦除的只讀存儲器。指令完全兼容與MCS-51系列的MCU的標準，包括指令的尋址方式，各種數據的操作和管腳兼容等。內設P0，P1，P2，P3等四個端口，其中P0，P2為數據/地址雙向的多用端口。內有3個定時器：T0，T1和T2。其振蕩晶體選用11.0592MHz石英振蕩器，以便于以后和微處理器通信時波特率的精確設計和設置。AT89C52中還內設8級中斷控制系統。片上閃速存儲器可由通用非易失性編程器在線編程，其內建8K EEPROM，256bytes的RAM。利用這一特點可以省略外部程序存儲器，簡化硬件系統的設計的同時節約單片機有限的管腳資源。同時，AT89C52單片機具有3級單向一次性可編程的密碼內存，可以防止芯片內的程序被非法讀寫、拷貝等，在安全性方面性能非常高，提高安全性的同時也保護了知識產權。

圖2-1 RFID系統的組成模型Figure 2-1 Composition Model of RFID System

圖2-2 MCM與MCU接口電路原理Figure 2-2 The MCM interface circuit principle

圖2-3 電源電路原理圖Figure 2-3 power supply circuit principle diagram

圖3-1 MCU程序設計流程圖Figure 3-1 Flow chart of MCU programme

圖3-2 上位機串口通信設計流程圖Figure 3-2 Flow chart of PC Serial Communication

AT89C52是具有高性能和性能價格比的微處理器。有多個系列和型號可供選擇，已經廣泛地應用于各種內嵌式控制系統和設備。鑒于AT89C52的優良性能，在智能卡讀寫系統的應用開發上，多為以AT89C52系列單片機為核心，制作智能卡的讀寫設備。與微處理機方便靈活的通訊方式，可以使智能卡讀寫設備與微處理機強大的數據處理功能相結合，大大提高智能卡讀寫系統的智能化。故考勤系統的單片機選取AT89C52作為微處理器。

2.3 讀卡部分設計

多芯片模塊(MCM)的硬件內核比較復雜，芯片中中有兩個主要模塊：數字模塊和模擬電路模塊。數字模塊由狀態機編碼器譯碼邏輯等組成；模擬電路模塊有調制器、天線驅動器、接收器和放大電路組成，兩個模塊間的接口可以配置如下，即接口信號可加載到MFIN和MFOUT上。

對于MCM的硬件設計，總體上來說主要包括了如下幾大部分接口電路：

1)與MCU(微處理機CPU)接口電路；

2)RF模塊接口電路；

3)與天線射頻接口電路；

4)與電源接口電路等四大功能模塊的接口部分。

MCM可以由標準的MCU接口信號來控制。這些標準的控制信號可以控制MCM的ASIC進行工作。其間使用了標準的微控制器和微處理機通信協議。讀寫模塊可由外部MCU發出特定命令來啟動運行。在任何情況下，MCM都可以由對地址的選擇來啟動工作。例如MCM的RST引腳，/CS引腳和CS引腳的信號設置等。

對MCM讀寫模塊內部存儲器的存取，必須激活/CS和CS信號，以及對地址為OOH～OFH的寄存器進行適當的設置。通過讀特殊工//0地址的信息，可以得到MCM的狀態信息。采用不同的MCU及其連接方法，將會有不同的硬件信號時序及數據信息流信息等。圖2-2為MCM和MCU接口示意圖。

2.4 考勤系統電源與天線研究

本考勤系統工作時，需要+5V的穩壓電源，為了使系統的輕巧、便捷控制器電路設計時沒把線圈和整流橋部分設計到控制板上，將220V的交流市電經過變壓后生成12V直流電源，然后再接入到控制板的電源變換電路。其中電路原理圖如圖2-3所示。

Mifare系統工作頻率為13.56MHZ，此由石英晶振產生并為MCM200提供時鐘信號，且驅動13.56MHZ載波的天線。此不僅產生13.56MHZ發射功率，而且產生高諧振發射功率。國際EMC規定定義了較大范圍的發射功率放大范圍。因而提供適當的輸出信號濾波對滿足規定要求是必須的。MCM200內置的接收部分原理是利用載波對卡應答信號進行調制。一般采用內部產生的VMID電位作為Rx上的輸入電位。為提供穩定的參考電壓，C4的接地電容應連在VMID上，閱讀器的接收部件要求Rx和VMID之間連接分壓器，另外，在天線線圈與分壓器之間多使用串聯電容。

3.軟件設計

3.1 主控MCU與上位機通訊的傳輸協議設定

PC(上位機)與主控MCU(下位機)進行串行接口通信過程中一幀的數據格式采用1個起始位，8個數據位、無奇偶校驗位、1個停止位。波特率為9600。為更便利的描述本設計中的自定協議，表3-1表示出本自定協議中設定的關鍵控制字符常量。

表3-1 關鍵控制字符常量Table 3-1 Key control character constants

3.2 自定協議的詳細描述

上位機與主控MCU程序間的數據傳輸采用幀為最小單位，一個幀就包含有開始符、終止符、以及相關的數據、校驗等。一個幀就可以理解為一個完整的數據包，并且在設計中采用了一個包號的概念，它被設計為連續累加的一個字節，范圍為0-255，我們通過對該包號的檢測就可以查看到是否存在丟幀(丟數據包)的情況，表3-2為幀的完整結構：

表3-2 幀的完整結構Table 3-2 Frame structure of the complete

(1)在同一次通訊中，及上位機與下位機的一次對話中，將采用同一號碼，確保是針對本幀的應答。

(2)命令/狀態是針對上位機和下位機的主動通訊關系。上位機主動為CMD值為1，下位機主動為STATUS，值為0。

(3)數據長度為數據信息的長度，如無信息則為0。

(4)校驗和為從包號開始至數據信息的最后一個字節的所有字節碼的異或取反。

(5)根據以上的規則，我們可以對數據的完整性及準確行進行檢測，上位機與下位機的通訊都將遵循以上規則，如果數據長度不對應或BCC校驗和沒有通過驗證，則本幀數據就被理解為錯誤數據而被拋棄。

3.3 主控MCU程序流程(見圖3-1)

主控MCU上電后，首先將控制腳的電位進行重置、例如蜂鳴器，LED燈等，然后將MFRC522進行RESET并且將其天線進行重新開啟。當MFRC天線正確開啟后，一旦卡片到達可響應范圍后，就能夠被MFRC522進行檢測以及讀取，而主控MCU就會循環的讀取MFRC522是否有卡片數據進行了傳輸。當有卡片信息被讀取的時候，就對該卡片的數據進行“打包”，制作成為我們上一小節約束好的幀格式，然后傳輸給上位機。同樣，主控MCU也要循環檢測是否收到了來自上位機的命令。如果有命令收取，則首先對其完整性以及準確性進行校驗，如果沒有通過校驗，則將本幀數據拋棄，不予響應，如果通過了校驗則執行對應的命令，并且執行那個結果“打包”，發送給上位機，并繼續進行卡片、上位機命令的循環檢測。

3.4 上位機串口通信

上位機串口通信流程圖見圖3-2。本程序的主要職能是負責上位機(PC)與下位機(主控MCU)之間的數據通信。通訊接口采用RS232協議的COM串口。此處選擇COM串口的原因主要有：

(1)COM串口的通訊程序已經非常成熟，有很多的可用控件、第三方的lib包等支持，對于上位機的程序部署較為簡單。

(2)即使針對目前主流主機都不配備COM端口的情況。我們也可以很方便的采用基于PL2303芯片的USB轉串口芯片外設作為傳輸“中繼”，此方案成本低廉，而且部署極為簡便。本設計的調試以及部署過程就采用的本芯片外設。接口為便利的USB，但程序編寫依然基于com端口，沒有增加復雜度。

當程序啟動后，首先按照配置文件的設定去嘗試初始化指定的COM端口。如果COM端口被占用或不存在，則程序會拋出例外并退出。當com端口被成功初始化后，需要將其的通訊方式設置為與MCU的通訊方式一致。

上位機與下位機通訊的部分，采用了com端口的通訊，而沒有直接采用USB通訊，主要是考慮目前串口的程序編制更為簡便。調試工具也比較豐富。能夠較為便利的發現問題。并且從實質接口方面，也能夠非常方便的找到USB接口作為中繼，則無論從軟件方面還是使用方便都大大降低了實施難度。確保在有限的時間內能取得預期效果理論指導實踐的重要意義，此處對于IS014443協議的充分了解，對程序的編寫具有很大的益處。

4.結束語

近幾年來，隨著IC智能卡中的接觸式CPU卡以及非接觸式IC智能射頻卡的高度安全保密性，使之在IC智能卡領域中異軍突起，特別是非接觸式IC智能射頻卡代表了整個“刷卡”領域的發展方向，由于其應用領域日益滲透到社會生活的方方面面，必然提出對射頻卡的深入研究。

本文結合具體考勤系統的設計，對射頻卡的應用系統設計進行了研究，主要包括：分析了非接觸式IC卡的工作原理和設計原理。對讀卡系統的軟硬件設計方法，和設計流程進行了分析和研究。分別從硬件和軟件的角度，對系統的工作進行了分析。編譯了考勤系統的后臺函數程序。

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