基于STM8的智能人員考勤定位卡系統設計*

陳 聰

(江蘇航空職業技術學院，江蘇 鎮江 212132)

0 引言

智能化考勤管理控制系統的提出和設計極大地方便了對企事業單位員工的管理，不僅滿足了現代社會對高效率辦公的不斷追求與向往，而且很大程度上推進了日常生產生活的智能化管理與運作。近場通信(Near Field Communication,NFC)技術是一種短距離的高頻無線通信技術，允許電子設備之間進行非接觸式點對點數據傳輸和交換數據。NFC通信技術數據同RFID類似，也是通過頻譜中無線頻率部分的電磁感應耦合方式傳遞。STM8系列處理器是意法半導體公司生產的8位單片機，該系列處理器是超低功耗的MCU，具有五種低功耗模式，分別是等待、低功耗運行(5.1 μA)、低功耗等待(3 μA)、帶完全RTC的活動暫停(1.3 μA)和暫停(350 nA)；其具有32 kB Flash、16 MHz CPU并集成了EEPROM，內部帶有RTC、LCD、timers、USART、I2C、SPI和ADC等功能。

1 考勤卡系統簡介

本文主要研究一種智能考勤卡系統，該考勤卡內部搭載STM8處理器，采用M24LR04E-R芯片作為RFID標簽，負責存儲用戶ID，進行NFC通信考勤；采用三軸加速度計傳感器芯片LIS3DHTR來記錄人員運動軌跡，采用2.4G無線通信芯片SI24R1來實時向上位機傳送考勤卡數據。整個考勤卡系統主要工作流程如下：當考勤卡通過讀卡器第一次刷卡時(人員上班)，讀卡器將讀取到的信息傳輸給上位機，同時M24LR04E-R芯片的RF_BUSY引腳返回控制信號，得到控制信號后，STM8處理器開始訪問加速度計芯片，記錄此刻人員位置并通過2.4G無線通信上傳至上位機。同時系統設置每隔一段時間定時獲取加速度計芯片數據，并上傳至上位機。當考勤卡通過讀卡器第二次刷卡時(人員下班)，中止所有數據訪問及傳輸。智能考勤卡系統設計框圖如圖1所示。

圖1 考勤卡系統設計框圖

2 系統硬件電路設計

2.1 M24LR04芯片外圍電路設計

M24LR04系列是ST公司的一款NFC芯片，支持ISO15693和ISO1800-3等協議，包括RF和I2C兩種通信模式。在RF模式下，采用13.56 MHz無線電載波通信；在I2C模式下，作為從機應答主機的請求。圖2為M24LR04芯片的內部結構圖，其內部分別有I2C總線接口和RF接口，芯片內部還帶有電源管理功能，可以將天線圈獲得的能量轉化為電能，給處理器和系統電路供電。芯片內部還帶有4 kB/16 kB/64 kB的EEPROM，可以存放64 bit的UID號。本設計使用的具體型號為M24LR04E-R，該型號帶有4 kB EEPROM。

圖2 M24LR04芯片內部結構圖

根據M24LR04芯片的內部結構圖可知，芯片共有8個引腳，其中AC0、AC1連接RF天線。天線在制作PCB板時參照13.56 MHz、45 mm×75 mm天線進行布局設計。SCL、SDA連接STM8的I2C通信引腳，并分別通過兩個15 kΩ電阻連接到電源以保證通信質量。因本設計的考勤卡體積不大，因此電阻采用0402封裝。RF_BUSY引腳連接STM8的一個I/O引腳，檢測芯片是否忙碌。在芯片電源設計方面，當沒有靠近NFC通信設備時，VCC由STM8引腳輸出高電平并通過一個1N4148二極管供電；當靠近NFC通信設備時，芯片VOUT引腳輸出高電平，二極管截止，VCC由VOUT引腳輸出電源供電。VOUT引腳通過一個100 nF電容進行濾波。二極管和電容也是采用小封裝形式器件。M24LR04芯片硬件電路如圖3所示。

圖3 M24LR04芯片硬件電路圖

2.2 LIS3DHTR外圍電路設計

LIS3DHTR三軸加速度傳感器是ST公司推出的一款寬電壓、超低功耗的加速度傳感器，最低功耗低至2 μA,支持I2C/SPI通信接口，支持單擊、雙擊、自由落體、6D運動/位置檢測等工作模式，應用較廣泛。LIS3DHTR輸出數據為16位，內含2個獨立的可編程中斷發生器，用于自由落體和運動檢測。芯片有16個引腳，本設計采用SPI通信方式，因此，引腳4、6、7、8分別作為SPI通信接口的SCLK、MOSI、MISO、CS四線與STM8處理器的SPI接口相連接。引腳1為芯片I/O口供電，與電源引腳14一起接電源。引腳5、12為接地引腳，引腳10根據數據手冊要求也是接地。13、15、16為三軸輔助加速度模數轉換輸入引腳，不用時可以懸空、接地或接電源，為減少干擾，本設計中將這三個引腳接地。9、11引腳為芯片的內部中斷引腳，分別連接STM8的兩個I/O端口，當檢測到芯片加速度產生一定變化時產生中斷信號，通知處理器采集加速度數據。LIS3DHTR芯片具體硬件電路如圖4所示。

圖4 LIS3DHTR芯片硬件電路圖

2.3 SI24R1外圍電路設計

SI24R1是ST公司推出的低功耗無線收發器芯片，其工作在2.4 GHz～2.5 GHz世界通用ISM頻段，支持126個通訊頻道，滿足多點通訊、分組、跳頻等應用需求。通過SPI接口進行芯片輸出功率頻道選擇和協議的設置。

SI24R1芯片有20個引腳，引腳1為芯片使能引腳，連接STM8處理器一個I/O口進行控制；引腳2、3、4、5分別對應SPI的片選信號、時鐘信號和輸入、輸出信號，連接STM8處理器對應的SPI接口；引腳6 IRQ可屏蔽芯片中斷信號，連接STM8處理器I/O口進行控制；引腳9、10為芯片外接晶振輸入、輸出引腳，在本設計中芯片外接16 MHz晶振；引腳11為給芯片內置功率放大器供電的電源輸出引腳；引腳12、13為天線接口；引腳16為內部基準電流輸出引腳；引腳19為內部數字電路電源輸出引腳。因芯片通信頻率高，在電源和地之間設計了LC濾波電路，進一步防止干擾。SI24R1外圍電路如圖5所示。

圖5 SI24R1芯片外圍電路圖

3 系統軟件設計

在系統上電后，配置STM8為低功耗運行模式，對NFC通信芯片M24LR04、三軸加速度傳感器芯片LIS3DHTR、2.4G無線通信芯片SI24R1進行初始化配置。接著，檢測該考勤卡是否已經是公司正式注冊的卡片，通過I2C通信接口讀取M24LR04的EEPROM，M24LR04E-R芯片的用戶區域被劃分為四個扇區，每個扇區1 024位，包含32塊，每塊32位。當讀取到扇區的數值為0xff時，代表卡片沒有被注冊，通過I2C通信向M24LR04的EEPROM的扇區0寫入用戶ID數值，并將上位機中的數據庫更新。然后，等待刷卡，當檢測到RF_BUSY引腳忙時，代表考勤卡靠近刷卡機，系統開始讀取三軸加速計芯片數值，得到刷卡人實時位置，并通過2.4G無線通信上傳至上位機。之后設置系統定時器，每隔1 h讀取一次三軸加速度計芯片數值，得到人員實時位置，并通過2.4G無線通信上傳至上位機。當檢測到RF_BUSY引腳再次忙碌時，表示考勤卡又靠近了刷卡機，人員下班，關閉定時器，中止數據上傳，配置STM8為暫停模式。考勤卡系統軟件流程如圖6所示。

圖6 考勤卡系統軟件流程

4 結語

本文設計的基于低功耗芯片STM8的智能人員考勤定位卡系統利用NFC通信原理實現考勤，還能實時分析掌握人員運動軌跡，卡片內部均采用低功耗芯片設計，確保了考勤卡的續航。本文詳細介紹了該考勤卡系統的硬件電路設計及主要的軟件工作流程，有一定的推廣使用價值。