（计算机应用技术专业论文）基于射频识别卡的学生考勤系统的设计与实现.pdf

基于射频识别卡的学生考勤系统的设计与实现 中文摘要 中文摘要 传统的点名考勤方法，不仅占用大量的授课时间，也不能真实地反映学生出勤情 况，教师对学生出勤情况的报告与统计工作难度极大、信息的准确性差。根据实际应 用的需求，本文应用f r e e s c a l e ( 原m o t o r o l a ) 的新型8 位m c u 设计了基于射频识别卡 的学生考勤系统，实现了对学生考勤和记录的智能管理。学生考勤管理系统是在长时 间的教学调查后，根据教学的实际情况，开发的一个实用的系统模块。 本系统由硬件和软件两大部分组成。硬件平台包含为整个系统提供电源的电源模 块、能识别标签频率的射频基站模块、能显示当前系统时间与学生标签号的时钟和液 晶模块、能与p c 机进行通信的u s b 模块以及具有报警功能的蜂鸣器模块；软件平 台由m c u 方软件与p c 方管理软件组成。m c u 方软件主要功能为射频芯片对电子标 签进行解码、将液晶显示缓冲区所指字符或汉字显示在液晶屏上以及与p c 机的通信 等。p c 方高端软件是利用m i c r o s o f tv i s u a l s t u d i 0 6 0 集成开发环境选用v b 语言开发 的应用程序，实现学生考勤信息的采集。文章给出了学生考勤系统的硬件设计、硬件 模块的原理框图以及硬件测试流程；重点阐述了射频基站模块和u s b 通信模块的设 计要点、难点和细节，包括射频频率、射频天线iu s b 数据通信等模块子程序的设 计；对射频电路的频率切换、射频芯片的解码以及实现系统与p c 机通信等问题进行 了深入的讨论。本学生考勤系统在测试、调试完毕后，已经用于教学管理中，实践证 明：该系统读写非接触式i c 卡方便、快捷、稳定、可靠。 关键词：射频识别，i c 卡，读写设备，u s b 通信，学生考勤系统 作者：桑静 指导老师：王宜怀 a b s t r a c tt h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no f s t u d e n t s a t t e n d a n c ec h e c k i n gs y s t e mb a s e do nr a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o nc a r d a b s t r a c t t h et r a d i t i o n a la t t e n d a n c ec h e c k i n gm e t h o dn o to n l yt a k e sm a s s i v e l yt e a c h i n g t i m e b u ta l s oc a nn o tr e a l l yr e f l e c tt h ea t t e n d a n c es i t u a t i o n t e a c h e r s r e p o r ta n d s t a t i s t i c a lw o r ko ft h es t u d e n t s a t t e n d a n c es i t u a t i o ni sv e r yd i f j f i c u l t a n dt h ea c c r u c y o ft h ei n f o r m a t i o ni sb a d a c c o r d i n gt o p r a c t i c a la p p l i c a t i o nd e m a n d ，t h i sp a p e r d e s i g n e dt h es t u d e n t s a t t e n d a n c ec h e c k i n gs y s t e mo fr a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n c a r d s ( r fc a r d s ) b yu s i n gt h en e w8m c u o ft h ef r e e s c a l e ( t h eo r i g i n a lm o t o r o l a ) ， a n dr e a l i z e dt h ei n t e l l i g e n tm a n a g e m e n to fc h e c k i n ga n dr e p o r t i n gt h es t u d e n t s a t t e n d a n c es i t u a t i o n t h i ss y s t e mi sa p r a t i c a ls y s t e mm o d u l e ，a c c o r d i n gt ot h ea c t u a l t e a c h i n gs i t u a t i o n ，w h i c hw a sd e v e l o p e da f t e ral o n gt i m eo ft e a c h i n gi n v e s t i g a t i o n t h es y s t e mi sc o m p o s e db yt w om a j o rp a r t s ：t h eh a r d w a r ea n dt h es o f t w a r e t h e h a r d w a r ep l a t f o r mo ft h i ss y s t e r mc o n t a i n s5m o d u l e s ：t h es o u r c em o d u l ew h i c h s u p p o r tt h ew h o l es y s t e mt h ep o w e rs o u r c e t h er fb a s es t a t i o nm o d u l ew h i c hc a n r e c o g n i z et h el a b e lf r e q u e n c y , t h ec l o c ka n dl i q u i dc r y s t a lm o d u l ew h i c hc a n d e m o n s t r a t et h ec u r r e n ts y s t e mt i m ea n dt h es t u d e n tl a b e ln u m b e r , t h eu s bm o d u l e w h i c hc a nc a r r yo nt h ec o r r e s p o n d e n c ew i t hp cm a c h i n e ，a n dt h eb u z z e rm o d u l e w h i c hh a saf u n c t i o no fw a r n i n g ；a n dt h es o f t w a r ep l a t f o r i l li sc o m p o s e db yt h e l o w e n ds o f t w a r eo fm c ua n dt h em a n a g e m e n ts o f t w a r eo fp c t h em a i nf u n c t i o n so f t h ef o r m e rc o n t a i n ：d e c o d i n gt h ee l e c t r o n i cl a b e lf o rt h er fc h i p ，d i s p l a y i n gt h e c h a r a c t e ro rt h ec h i n e s ec h a r a c t e rr e f e rt ot h el i q u i dc r y s t a ld i s p l a yb u f f e ro nt h e l i q u i dc r y s t a ls c r e e na sw e l la sc a r r y i n go nt h ec o r r e s p o n d e n c ew i t hp cm a c h i n e t h e l a t t e rd e v e l o p e dt h ea p p l i c a t i o np r o g r a mb yu s i n gt h em i c r o s o f tv i s u a l s t u d i o6 0a s t h ei n t e g r a t e dd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n ta n ds e l e c t i n gv ba st h ep r o g r a ml a n g u a g e ， r e a l i z e dg a t h e r i n gt h ei n f o r m a t i o no ft h es t u d e n t s a t t e n d a n c es i t u a t i o n t h i sp a p e r o f f e r e dt h eh a r d w 时ed e s i g no ft h es y s t e m ，t h ef u n c t i o n a ld i a g r a mo f 。t h eh a r d w a r e m o d u l ea sw e l la st h eh a r d w a r et e s t i n gf l o w ；e l a b o r a t e dt h em a i np o i n t ，t h ed i f f i c u l t y a n dt h ed e t a i li nd e s i g n i n gt h er fb a s es t a t i o nm o d u l ea n du s bc o n n e c t i o nm o d u l e w i t he m p h a s i s i n c l u d i n gt h em o d u l es u b r o u t i n ed e s i g no fr ff r e q u e n c y , r fa n t e n n a a n du s bd a t ac o m m u n i c a t i o na n ds oo n ；d i s c u s s e ds o m ep r o b l e m si n c l u d i n g ：t h e f r e q u e n c yc u t t i n g o fr fc i r c u i t ，t h ed e c o d i n go fr fc h i p ，t h er e a l i z i n go f c o r r e s p o n d e n c eb e t w e e nt h es y s t e ma n dt h ep cm a c h i n e a f t e rt h et e s ta n dt h ed e b u g ， t h es y e t e mh a sb e e nu s e di nt h et e a c h i n gm a n a g e m e n t ，a n dt h ep r a c t i c ep r o v e dt h a t t h en o n - c o n t a c tr e a di cc a r do ft h i ss y s t e mi sc o n v e n i e n t ，q u i c k ，s t a b l ea n dr e l i a b l e k e y w o r d s ：r a d i o f r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ，i cc a r d ，r e a d e r , u s b c o m m u n i c a t i o n ，s t u d e n t s a t t e n d a n c ec h e c k i n gs y s t e m i i w r i t t e n b y ： s u p e r v i s e db y ： s a n gj i n g w a n gy i h u a i 苏州大学学位论文独创性声明及使用授权声明 学位论文独创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含其他个人或集体已 经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得苏州大学或其它教育机构的学位证书 而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本人承担本声明的法律责任。 研究生签名：霪盔盘 日 期： 2 q q 2 ：! q ：! 墨 学位论文使用授权声明 苏州大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、清华大学论文合作部、 中国社科院文献信息情报中心有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文 档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以 公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权苏州大 学学位办办理。 研究生签名： 导师签名： 盟日 啦日 基于射频识别卡的学生考勤系统的设计与实现第一章绪论 第一章绪论 射频识别卡技术是近几年发展起来的一项新技术，它成功地结合射频识别技术和 i c 卡技术解决了无源( 卡中无电源) 和免接触的难题，是电子信息技术领域的一大突 ： 破。由于其方便性、耐用性，且可高速通信和多卡操作等特点，射频识别卡在门禁安 善 防、身份识别、公共交通等众多领域正逐渐取代传统的接触式i c 卡，在市场上所占 的份额越来越大n 1 。射频识别卡的应用日益广泛，相应的促进了嵌入式应用领域开发 人员对其读写技术的研究和对读写设备的开发。根据实际应用的需求，本文将应用 f r e e s c a l e ( 原m o t o r o l a ) 的新型8 位m c u 设计了射频识别卡的学生考勤系统，实现了 对学生考勤和记录的智能管理。 本章首先介绍了嵌入式系统、单片机、射频识别技术及射频识别卡的一些基本概 念，及本课题的开发背景和项目开发要求，最后介绍了本文的研究内容。 基本概念及开发背景 1 1 1 基本概念 嵌入式系统( e m b e d d e ds y s t e m s ) ：嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为 基础，采用可剪裁软硬件，适用于对功能、可靠性、成本、体积、功耗等有严格要求 的专用计算机系统瞄1 。 单片机( m i c r o c o n t r o l l e ru n i t ，m c u ) ：单片机是在一块芯片上集成了中央处理单 元( c p u ) 、存储器( r a m r o m 等) 、定时器计数器及多种输入输出( i o ) 接口的比较完 整的数字处理系统】。 射频识另t j ( p , a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ，r f i d ) 技术：是一种非接触自动识别技 术，利用射频信号通过空间耦合( 电感或电磁耦合) 实现无接触信息传递并通过所传递 的信息达到识别目的n 1 。 射频识别卡( 简称射频卡、r f i d 卡) ：也被称作非接触式i c 卡( c o n t a c t l e s ss m a r t c a r d ，c s c ) 或非接触i c 卡、非接触卡、感应卡“1 ，诞生于2 0 世纪9 0 年代初。由于 成功地结合射频识别技术和i c 卡技术，解决了无源( 卡内无电池) 和免接触的难题1 ， r f d 卡拥有磁卡和接触式i c 卡不可比拟的优点。其一问世便立即引起广泛关注，并 第一章绪论 基于射频识别卡的学生考勤系统的设计与实现 以惊人的速度得到推广应用。 阅读器：读取或读写电子标签信息的设备，主要任务是控制射频模块向标签发 射读取信号，并接收标签的应答，对标签的对象标识信息进行解码，将对象标识信息 连带标签上其它相关信息传输到主机以供处理1 。 电子标签( t a g ，或称射频标签、应答器) ：由芯片及内置天线组成。芯片内保存 有一定格式的电子数据，作为待识别物品的标识性信息，是射频识别系统真正的数据 载体。内置天线用于和射频天线间进行通信】。 天线：标签与阅读器之间传输数据的发射、接收装置口。 u s b 接口：m c u 与p c 机进行通信的桥梁。 1 1 2 开发背景 1 嵌入式系统的发展历程 随着后p c 时代的到来，计算机技术、半导体技术及电子技术的飞速发展为 社会各领域带来了巨大的生产效益，人们越来越多地接触到一个新的概念嵌 入式系统( e m b e d d e ds y s t e m ) 。但是对于何为嵌入式系统，什么样的技术可以归属 于嵌入式技术，仍在讨论之中，有关嵌入式系统的概念也没有统一的定义。纵观 嵌入式领域资深人士关于嵌入式系统的讨论嘲叫，可将其定义归结为广义和狭义 两个方面。 广义上将其定义为：嵌入到对象体系中的专用计算机系统。狭义上则认为嵌 入式系统是以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系 统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。应该说后者 从功能应用特征上比较好的给出了嵌入式系统的定义。 今天嵌入式系统带来的工业年产值已超过了1 万亿美元，在嵌入式系统中占 市场份额最大的是嵌入式微控制器( m c u ) ，它占整个嵌入式系统约7 0 的市场份 额。目前嵌入式系统除了部分为3 2 位处理器外，大量存在的是8 位和1 6 位的嵌 入式微控制器。嵌入式微控制器目前的品种和数量很多，比较有代表性的通用系 列包括8 0 5 1 、m i p s 、r 8 c t i n y 、p o w e r p c 、m c 6 8 h c 0 5 1 1 1 2 1 6 、c o l d f i r e 6 8 k 、 a r m 等。 2 基于射频识别卡的学生考勤系统的设计与实现 第一章绪论 由于嵌入式微控制器可靠性高、功能强、体积小、使用方便，并随着相配套 的成熟的集成开发平台和开发环境的相继出现，使其应用深入到社会的各个领 域j 对各行各业的技术改造、产品更新换代、加速自动化进程、提高生产率等方 面起到了极其重要的推动作用n 们。 2 国内外研究现状 ( 1 ) 国外研究现状 目前欧美门禁系统市场正逐渐进入成熟阶段，其产业的分工己进入细分阶 段，生产标签和读卡器的厂家就只生产标签和读卡器，如美国的h m d 公司、 h 1 d a t a 公司、德国的d e s t l e 公司。生产控制器的公司只研究生产控制器和软件， 如美国的n o r t h e r nc o m p u t e r 公司、c s i 公司。随着其产业化的形成，各大专业公 司由于其财力的雄厚、技术的先进、市场的先导以及专业人员的积累，垄断势头 不断呈现出来。正是由于市场的不断成熟，人们在普遍接受门禁系统的观念之后， 在采购方面就可以很方便地分别从不同公司采购到各部分设备，自己进行系统集 成安装成整套系统。从目前全球门禁系统的前端输入设备的水平及发展方向来 ：看；：虽然磁卡和接触式i c 卡读卡器在门禁系统的应用中还有一部分市场，但从 发展趋势上看，除宾馆锁外，磁卡和接触式i c 卡读卡器己逐步退出门禁系统市 场m 1 。 国外对i c 卡的研究和应用较早，特别是在美国和欧洲，但非接触式i c 卡方 面的研究使用也只是近几年的事。非接触式i c 卡和读卡器的关键技术掌握在欧 美国家和部分亚洲国家中，但真正形成大批量生产的厂家只有美国；德国、英国 次之；日本、台湾、新加坡处于同一档次。 p h i l i p s 公司的m i f a r ei c 卡系列产品有三大类：m i f a r es t a n d a r d ，m i f a r el i g h t ， m i f a r ep l u s ( 第一代) 和m i f a r ep r o ( 第二代) 。最近又推出一种新型m i f a r e 卡，即 m i f a r e u l t r a l i g h t 非接触式i c 卡，简称为m f oi cu 1 ，有5 1 2 字节e e p r o m ，专 用于车票系统，m f o 卡最大的特点是交易时间只有3 1 4 m s ，比其它m i f a r e 卡要 短得多。此外还有一种m f 3i c d 4 0 卡，密码机制更加完善，不是按块而是按文 件操作，波特率高达1 0 6 4 2 4 k b p s ，有防撕扯功能、值文件功能等2 8 种用途n 羽。 a t m e l 公司生产的t e m i c 非接触式i c 卡e 5 5 5 0 芯片是一种i d ( 身份) 识别芯 3 第一章绪论基于射频识别卡的学生考勤系统的设计与实现 片，容量为2 6 4 位e e p r o m ，采用1 2 5 k h z 射频频率，是一种低频卡，操作距离 5 - 1 0 e m 。相应的读写基站芯片为u 2 2 7 0 b ，此芯片在动物身份识别等方面得到了 应用。瑞士e m 公司的h 4 0 0 1 非接触i c 卡，容量为6 4 位e e p r o m ，采用1 2 5 k h z 射频频率，也是低频卡，其读写芯片为p 4 0 9 5 。l e g i e 射频卡容量为2 5 6 字节 e e p r o m ，读写距离1 0 e m ，可用于公交系统等。美国德州仪器公司( t i 公司) 的 i d 卡是一种低频只读卡，内部有8 字节( 6 4 位) i d 号码，可应用在门禁考勤系统 中i t 3 1 1 4 o ( 2 ) 国内研究现状 随着国内厂商硬件技术的成熟，其单套系统的最终用户价格己进入3 0 0 0 元 以内。因此，国内市场也表现出向成长期迅速发展的明显趋势。 我国政府在1 9 9 3 年制定的“金卡工程实施计划 及全国范围的金融卡网络 系统1 0 年规划，是一个旨在加速推动我国国民经济信息化进程的重大国家级工 程。它的实施，推动了金融电子化、商业和流通领域电子化的步代，使我国银行 业务得到迅速发展，并逐渐在电信、公安、石油、海关、工商管理、税收征管、 卫生医疗、交通管理、公共事业、社会保障等各行各业得到广泛应用，并带动了 读写机器和各类应用产品及系统的开发、生产和推广应用，初步形成了从芯片设 计、c o s 开发、模块生产、制卡、读写机具及应用产品开发、生产的完整体系。 如2 0 0 0 年1 2 月份在上海推出的社会保障卡，存储了持卡者的指纹、姓名、身份 证号码、照片、工作单位、婚姻状况等信息，真正做到了个人信息电子化。但目 前我国非接触式i c 卡的制卡技术及其相应的读、写卡设备技术仍处于相对落后 状态，这种要求有极高安全性和保密性的金融行业制约了我国金卡工程的实施和 发展。也正因为如此，许多软硬件企业也纷纷瞄准这一新的i c 卡领域进行生产 与开发，相信非接触式i c 片的广泛应用前景必将带来这一市场越来越激烈的竞 争和更快的发展。 3 高校学生管理的实际需求 在高校管理中，学生是学校里最大群体，其管理十分复杂。由于每门课的出勤情 况直接影响学生在某门课结束后，能否参加这门课的考试。所以，学生的出勤率直接 和学生顺利完成学业有着密切相关的联系。由于高校上课还存在着一位教师上多个班 4 基于射频识别卡的学生考勤系统的设计与实现第一章绪论 级，或者一位教师上大课等特点，用传统的点名考勤的方法，。不仅会占用大量的上课 时间，而且也不能真实的反映学生的到课情况，导致学生出勤情况的报告与统计工作 难度极大。虽然每个班主任和任课老师都参与考勤信息的收集，但考勤信息的汇总和 统计仍很繁琐。 学生考勤管理系统是在长时间的教学调查后，根据教学的实际情况，开发出一个 实翔的系统模块，上课教师可以在课前或课后，对学生的考勤情况进行抽查，并把结 果记录到系统，在学期结束时可以很方便的看出学生平时表现。该考勤系统的一些必 备功能有： ( 1 ) 设置系统时间：将p c 机的系统时间设置为读卡器的内部时钟时间。 ( 2 ) 读写器i d 号：显示读卡器的m 号。 ( 3 ) 总的记录数：得到读卡器当前已存储的记录数。 ( 4 ) 导出所有记录：读出读卡器中已存储的所有记录。 ( 5 ) 清除所有记录：将读卡器的记录存放区整体清空。 ( 6 ) 得到标签号：读标签的号码，但与按键读卡不同，读出标签号时不存储记录。 1 2 考勤系统的实现目标和开发要求 1 2 1 考勤系统的实现目标 本课题的目标是开发一个教师对学生的出勤情况进行记录和管理的考勤系统。为 便于携带、方便使用，此考勤系统最终设计为电池供电的便携式设备，因而阅读器在 电路设计上需要突出实现低功耗功能目。基于通用性考虑，阅读器同时能够支持2 种频率的标签，采用了瑞士s o k y m a t 公司生产的，频率为1 3 4 2 k h z 的z o o d i a c 电子 标签和频率为1 2 5 k h z 的u n i q u e 电子标签。z o o d i a c 电子标签内部有1 2 8 b i t s 存储空间， 编码格式采用的是双相位编码，并在通讯过程中采用c r c 校验；u n i q u e 格式的电子 标签( 对于通用的t 4 1 0 0 也可以进行识别) ，内部有6 4 b i t s 存储空间，编码格式采用的 是曼彻斯特编码，通讯过程中采用的是奇偶校验。电子标签是通过与u 2 2 7 0 b 的天线 端进行能量耦合，以进行与阅读器之间的数据传送。在实现读取标签的时候，读卡器 能够发射这2 种不同频率的射频信号，并在软件上实现了自动切换功能以读取2 种频 率的标签信息。在设计时还考虑到u s b 接口具有速度快、易扩展、支持热拔插和即 第一章绪论基于射频识别卡的学生考勤系统的设计与实现 插即用，并可提供总线供电，还可通过u s b 的级联星型拓扑结构连接多达1 2 7 个外 部设备等优点n 邮力，将i c 卡读卡器以r s 2 3 2 与p c 机通信的传统接口改为u s b 接 口，使得本考勤系统同时又具备u s b 通信的诸多优点。 该系统在外观上主要有1 个u s b 接口、一个读卡按钮以及一个电源开关；在功 能上咽前可以识别两种频率的标签，。并将识别的内容进行保存。本考勤系统m c u 方软件采用c 语言编写，主要完成按键读取标签码，在汉字液晶上显示所读到的标 签码和读卡时问，并且能够实现u s b 通信：p c 方能够读取考勤系统读卡器中的记录 内容，并能通过p c 将读取的内容显示出来；高端软件采用v b 面向对象编程，主要 进行系统时间的设置、班级信息的管理、学生信息的管理等。p c 方与m c u 方之间 采用u s b 通信方式进行通信。 该系统主要由应答器和阅读器组成，应答器由标签( 即卡片) 构成，阅读器由射频 卡( u 2 2 7 0 b 解码器芯片) 及其工作支撑电路、主控芯片m c u 及其工作支撑电路和外围 接口电路( 键盘、液晶、时钟和串口模块) 构成。 该系统的p c 方软件采用v b 编程，具有友好的用户界面，操作简便；具有良好 的交互性能；整体结构设计美观；方便对学生信息及数据的存档和管理；为教师上课 节约了时间；同时大大提高了教师管理的效率。 1 2 2 考勤系统的开发要求 考勤系统的开发要求具体如下： 1 项目开发规范统一，模块划分，代码编写均遵循文档命名规范。 2 程序优化、安全。 3 系统具有良好的稳定性和可扩展性。 4 用户界面简洁明了，操作简单实用。 5 与用户保持良好的沟通，及时根据用户的新需求改善系统功能。 6 基于射频识别卡的学生考勤系统的设计与实现第一章绪论 1 3 本文工作与论文结构 1 3 1 本文工作 1 本文的主要工作 。 ( 1 ) 总体设计：对软硬件设计的具体内容进行分析，确定软件平台、硬件系统的 设计方案。 ( 2 ) 硬件选型和独立元件实验：根据硬件系统的设计方案，选择适当的芯片和电 子元件，并对部分电子元件进行相关的测试实验，最终确定可行的硬件方案。 ( 3 ) 电路板设计、焊接和测试：根据硬件系统设计方案和硬件选型结果，完成电 路原理图和p c b 电路图的设计，并完成最终的p c b 布板、元件焊接以及硬件测试。 ( 1 4 ) 软件设计：根据软件设计方案进行本系统的m c u 方软件设计和p c 方软件 设计，并做相关的测试实验。 ( 5 ) 综合调试：软件与硬件联合调试，完成最终的系统设计。 ( 6 ) 论文：总结系统开发设计的过程，完成毕业论文写作。 萤2 项目分工 + 本项目的研制与开发主要由作者本人完成，p c b 布板和软硬件测试部分由实验 室的一位师弟协助完成。 1 3 2 论文结构 本论文主要介绍射频识别卡的学生考勤系统设计与实现，共分为六章，各章内容 安排如下： 第一章介绍相关基本概念及本课题的开发背景，提出项目实现目标和项目开发要 求，并介绍本文的工作和论文结构。 第二章介绍系统的总体设计方案和相关技术基础，即对系统功能进行概述，提出 系统的硬件需求，绘制系统的总体流程以及系统的读卡流程，并给出设计该系统的相 关技术。 第三章详细讲述系统硬件设计过程。具体介绍硬件系统设计框图、硬件的选型、 硬件电路的设计与测试，以及硬件设计过程中的体会。 7 第一章绪论 基于射频识别卡的学生考勤系统的设计与实现 第四章详细介绍m c u 方的软件设计。首先介绍m c u 方各功能模块及整个系统 的总流程以及其实现的部分主要代码；接着介绍2 个中断程序的设计，包括输入捕捉 中断、i r q 中断；还介绍各个子模块的软件设计；最后给出p c 方软件测试结果。 第五章详细介绍u s b 的通信过程以及u s b 通信子模块的设计，并通过基于u s b 通信的实例对系统进行测试。 第六章总结了基于射频识别卡的学生考勤系统的设计与实现的过程，展望在以后 的研究中继续努力的方向。 基于射频识别卡的学生考勤系统的设计与实现第二章系统总体设计及相关技术基础 第二章系统总体设计及相关技术基础 射频识另j ( p f i d ) 技术作为先进的自动识别技术，被列为新世纪十大重要技术项目 之一，? 射频识别技术最早的应用可追溯到第二次世界大战中用于区分联军和纳粹飞 。 机的“敌我辨识”系统n 引；直到上世纪八十年代，射频识别技术及产品才真正进入到 商业应用领域；九十年代以后，射频识别技术标准化问题日趋得到重视，射频识别技 术的理论得到进一步丰富和完善，射频识别产品开始广泛应用。 了解射频识别的相关理论与技术是开发基于射频识别卡的学生考勤系统的基础， 本章将主要介绍嵌入式系统的设计的过程、系统功能概述及系统结构，以及射频通信 实现的一些原理、方法与相关技术。 2 1 系统设计过程 嵌入式产品的开发过程必须遵循软件工程的原则嘲。嵌入式系统的设计可以分成 三个阶段：分析阶段、设计阶段和实现阶段。分析阶段是确定要解决的问题及需要完 成的目标，也称为需求阶段；设计阶段主要是解决如何在给定的约束条件下完成用户 的要求；实现阶段主要是解决如何在所选择的硬件和软件的基础上进行整个软、硬件 系统的协调实现。 在分析阶段结束后，开发者通常面临一个棘手的问题就是硬件平台和软件平台的 选择，因为它的好坏直接影响着实现阶段的任务完成口1 。硬件和软件的选择包括：处 理器、硬件部件、编程语言、软件开发工具、硬件调试工具等的选择。本系统的硬件 设计详见第三章，系统软件的设计详见第四章、第五章。 2 一系统功能概述与系统结构 2 2 1 系统功能概述 本系统是为了方便教师对学生的出勤情况进行快速、方便和智能地管理而设计 的。在不使用读卡器时，m c u 工作于低功耗状态，标签因为没有能量而处于休眠状 态。当按下键盘上的读卡按钮，按键有效后有一声提示音，m c u 被唤醒，同时激活 9 第二章系统总体设计及相关技术基础 基于射频识别卡的学生考勤系统的设计与实现 射频识别卡开始工作，射频卡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，并将其内部存贮的信息发送到射频卡的输入端， 经过转换后再将信息送至输出端口发送给m c u ，m c u 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，并将标签号和当时的时间一起保存起来。同时，m c u 还可以接收上位机( p c 机) 来的命令进行相应的操作。5 分钟内，没有中断触发读卡器， 系统进入低功耗状态，同时伴有一声提示音。 2 2 2 系统结构 1 系统外部硬件需求 基于射频卡的学生考勤系统所需的外部硬件主要有以下几部分： ( 1 ) 主控m c u - m c u 是读写设备的数据处理控制核心。它不仅要控制射频处理 模块完成对r f i d 卡的读写，还要负责通过通信接口与p c 方应用系统进行通信以及 对显示设备等其他外部设备的控制乜。 ( 2 ) 射频处理模块：射频处理模块负责射频信号的处理和数据的传输，完成对 r f i d 卡的读写。射频处理模块可以采用厂商提供的专用模块或射频基站芯片乜习，射 频基站芯片即r f i d 卡读写芯片，也称射频读写芯片。 ( 3 ) 天线及匹配电路：天线的作用就是产生磁通量，为卡片提供电源，在读写设备 和卡片之间传送信息。天线的有效电磁场范围就是系统的工作区域盯】。 2 系统总体结构图 该系统的总体结构如图2 1 所示。 i o 基于射频识别卡的学生考勤系统的设计与实现 第二章系统总体设计及相关技术基础 3 系统读卡流程图 该系统在休眠状态下，m c u 处于低功耗模式。当上电开机后，m c u 会等待一个 中断的到来，如果在5 分钟内没有中断，系统仍然保持低功耗状态。如果有中断，系 统会判断此中断来自p c 机还是由于按下读卡按钮产生的中断。若中断来自p c 机， 那么p c 机中的高端程序会读取m c u 中f l a s h 区域中的数据，并将读取的数据保存到 p e 机中建好的数据库中；若中断是由于按下读卡按钮而产生的，就进入读卡处理程 序，完成对标签的识别，在液晶上显示出来，并将标签号和当时的时间保存到m c u 的f l a s h 区域中，完成此次读卡。该系统的读卡流程如图2 2 所示。 图2 - 2 系统读卡流程图 第二章系统总体设计及相关技术基础基于射频识别卡的学生考勤系统的设计与实现 2 3 相关技术基础 2 3 1 射频识别系统的基本原理 最基本的r f i d 系统由三部分组成：电子标签、阅读器和天线。见图2 3 。 图2 - 3r f i d 系统基本模型图 r f i d 的工作原理是：电子标签进入天线磁场后，如果接收到阅读器发出的特殊 射频信号，就能凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息( 无源标 签) ，或者主动发送某一频率的信号( 有源标签) ，阅读器读取信息并解码后，送至中央 信息系统进行有关数据处理洲。 2 3 2 射频识别系统的分类 射频识别系统中标签与读写器之间的作用距离是射频识别系统应用中的一个重 要指标。通常，这种作用距离也就是指标签与阅读器之间能可靠交换数据的距离。根 据作用距离，标签天线和读写器之间的耦合可以分为三类：密耦合系统、遥耦合系统 和远距离系统m 。 1 密耦合系统 密耦合系统的典型作用距离范围是0 - 1 c m 。实际应用中，必须把标签插入阅读 器中或者放置到阅读器的天线表面。密耦合系统的标签与阅读器之间是电感耦合。其 工作频率一般在3 0 m h z 以下。密耦合系统适合于安全要求较高，但不要求作用距离 的应用系统，如电子门锁等。 1 2 基于射频识别卡的学生考勤系统的设计与实现第二章系统总体设计及相关技术基础 2 遥耦合系统 遥耦合系统的典型作用距离可以达到i m 。遥耦合系统可以细分为近耦合系统和 疏耦合系统，前者的典型作用距离为1 5 e r a ，后者为i m 。所有遥耦合系统在阅读器和 标签之间都是电感耦合。遥耦合系统的典型工作频率为1 3 5 6 m h z ，也有其他频率，如 6 7 5 m 也，2 7 1 2 5 m h z 或者1 3 5 k h z 以下。 3 远墨巨离系统 远距离系统的典型作用距离是l - - 1 0 m ，个别系统也有更远的作用距离。所有的 远距离系统的阅读器和标签之间都是电磁反向散射耦合。远距离系统都是在微波范围 内用电磁波工作的，发送频率通常为2 4 5 g h z ，也有系统使用的频率为5 8 g h z 和 2 4 1 2 5 g h z 。 2 3 3 射频识别系统中信号的编码和调制 对射频识别系统来说，阅读器与应答器( 通常是非接触i c 卡) 之间的数据传输需 要三个主要的功能块。按照从阅读器到i c 卡的数据传输方向，它们是阅读器中的信 号编码( 信号处理) 和调制器( 载波电路) ，传输介质( 通路) 以及应答器中的解调器( 载波 回路) 和信号译码( 信号处理) 嘲。 信号编码系统的作用是使要传输的信息和它的信号表示尽可能最佳地与传输通 道的性能相匹配，以及对某些信号特性的蓄意改变，也称作在基带中的编码。 调制是改变高频载波的信号处理，即使其振幅、频率或相位，与调制的基带信号 相关。 1 基带中的编码 对于给定的代码情况下，使用不同的编码类型可以形成各异的二进制脉冲序列。 主要的编码类型有： ( 1 ) n r z 编码：“高 信号表示1 ，“低”信号表示0 。 ( 2 ) 曼彻斯特编码：在半个比特周期的负边沿表示1 ，在半个比特周期的正边沿 表示0 。 ( 3 ) 单击归零编码：在第一个半比特周期中的“高”信号表示1 ，而持续整个比 特周期的“低”信号表示0 。 第二章系统总体设计及相关技术基础基于射频识别卡的学生考勤系统的设计与实现 ( 4 ) 差动双相编码：在半比特周期的任意边沿表示l ，而无边沿表示1 。 ( 5 ) 米勒编码：在半比特周期的任意边沿表示1 ，而经过下一个比特周期中不变 的l 电平表示o 。 ( 6 ) 差动编码：每个要传输的1 将引起信号电平的改变，而0 使电平保持不变。 在为射频识别系统挑选合适的信号编码系统时，应当考虑每种编码的边界条件， 最重要的是调制后的信号频谱，以及对传输故障的敏感度。另外对于无源应答器来说， 不允许由于信号编码与调制方法的不适当的组合而导致能量转化的中断。射频识别系 统一般采用曼彻斯特( m a n c h e s t e r ) 编码和n r z 编码。 2 数字调制技术 调制就是用基带信号对载波波形的某些参量进行控制，这些参量随基带信号的变 化而变化。未经过调制的电磁波被称作载波，调制的载波可以分为两大类：用正弦信 号作为载波和用脉冲或一组数字信号作为载波。调制在通信系统中具有十分重要的作 用，通过调制不仅可以进行频谱搬移，把调制信号的频谱搬移到所希望的位置上，将 调制信号转换成合适信道传输或便于信道多路复用的己调制信号。而且调制对系统的 传输有效性和传输的可靠性有很大的影响，调制的方式往往决定了一个通信系统的性 能搠。 射频识别系统采用的调制方法通常有三种：对载波振幅调制称为振幅键控 ( a s k - - a m p l i t u d es h i f tk e y i n g ) ) 对载波频率调制称为频移键控( f s k - - f r e q u e n c ys h i f t k e y i n g ) ；对载波相位调制称为相移键控( p s k - - p h a s es h i f tk e y i n g ) 的数字调制法3 。 2 3 4 射频识别系统数据传输的完整性 对于r f i d 系统，使用非接触技术传输数据时，很容易遇上干扰，使传输数据发 生意外的改变从而导致传输错误。 使用校验和法，能够识别传输错误，并进行校正操作，如重新传输错误的数据块。 在射频识别系统中，最常用的方法是奇偶校验和循环冗余码校验( c r c ) 法n 们。 1 奇偶校验 这是一种很简单的但广泛使用的校验方法。该方法将一个奇偶校验位组合到每一 字节中一块传输，即每字节发送九位。在数据传输前必须确定是用偶校验还是奇校验， 1 4 基于射频识别卡的学生考勤系统的设计与实现第二章系统总体设计及相关技术基础 以保证发送端与接收端使用相同的方法进行校验。奇偶校验的值是这样设定的：奇校 验时，是每字节的数据位中“l 的个数为奇数，则检验位为“0 ，反之，则为“1 ； 偶数校验与之相反。这种方法简单易行，缺点是识别错误能力低。 2 循环冗余码校验( c r c ) 法 该方法的计算是一种循环过程。c r c 的计算包括了要计算其c r c 值的数据字节 以及所有前面的数据字节的c r c 值。数据块中的每一被校验过的字节都用来计算整 个数据块的c r c 值。 当一数据块被传输时，在发送端计算数据的c r c 值，并将此值附在数据块后一 起传输，在接收端计算接收到的数据( 包括附加的c r c 字节) 的c r c 值，结果应该为 零，否则出现了传输错误。 2 3 5l i c 总线简介 i i c 主要用于同一电路板内各集成电路模块( i c ) 之间的连接。它采用双向2 线制 串行数据传输方式，支持任何一种i c 制造工艺，简化i c 之间的通信连接乜羽。 微 ? 1 i i c 主要特点如下： ( 1 ) 在硬件上，二线制的i i c 串行总线使得各i c 只需最简单的连接，而且总线接 口都集成在i c 中，不需另加总线接口电路。电路的简化省去了电路板上大量走线， 减少电路板面积，提高了可靠性，降低了成本。在i i c 总线上各i c 除了个别中断引 线外，相互之间没有其他连线，用户常用的i c 基本上与系统电路无关，故极易形成 用户自己的标准化、模块化设计。 ( 2 ) i i c 总线还支持多主控( ( m u l t i - m a s t e r i n g ) ，如果两个