隨著電子信息技術的發展，智能卡(IC卡)已經在我們的生活中隨處可見。射頻識別卡(簡稱射頻卡、RFID卡)誕生于20世紀90年代初，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卡由于成功地結合射頻識別技術和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(見圖1)。在學生考勤系統的設計中，利用無線射頻識別技術(RFID)，可實現對學生進行考勤、記錄等功能。 

1 學生考勤系統結構和工作原理  

    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)由射頻卡基站芯片U2270B及其支撐電路、主控芯片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(見圖2)。 

    學生考勤系統的工作原理為：平時，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芯片U2270B及其支撐電路的設計。 

2 射頻卡基站芯片U2270B及支撐電路的設計  

    U2270B芯片是ATMEL公司生產的基站芯片，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，其內部結構見圖3。 

2．1 射頻卡基站芯片U2270B的射頻頻率  

    U2270B基站的射頻頻率要求在100kHz一150kHz范圍內，在頻率為125kHz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5V 標準電源。U2270B具有可微調功能，與其它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的射頻頻率是通過調整U2270B內部結構中的RF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125kHZ)，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“1”控制振蕩器的啟振和停振，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“1”，這樣完成將基站發射的數據寫入標簽的過程，對場的控制可通過控制芯片的第6腳(CFE端)來實現。l_5 J由應答器返回的數據流可采用對應答器天線的負載調制方式來實現。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應用參考電路見圖4。 

2．2 射頻卡基站芯片U2270B的支撐電路  

2．2．1 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基站電源有三種設計模式：第一種是單電壓供電，即DVS、VEXT、VS、Ⅶ A1vr使用一個5V電源；第二種是雙電壓供電，即VS使用5V 電壓，DVS、VEXT、VBATT使用7V～8V 電壓；第三種是電池電壓供電，VEXT和VS由內部電池供給，DVS和VBATT使用7V～16V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。在學生考勤系統設計中采用的是第二種電源供給方案。 

2．2．2 頻率設置  

    頻率指的是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、電容來決定的，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己設定，本設計設定的頻率是由流人RF端的電流值所決定的，而Vs是內部電源供給，所以可以通過改變Vs端和RF端之間的電阻值來進行設定。具體的計算公式如下： 

經過計算，設定的電阻值分別為Rs=68Ω，R9 =43Ω，實現了射頻頻率為125kHz的目的。  

2．2．3 天線模塊  

    U2270B關于天線部分只涉及到一個電容，一個電阻和線圈，但是對于各個器件的選值是比較精確的。 

    從U2270B的Coill和Coil2端口出來經過電容，電阻和線圈組成一個LC串聯諧振選頻回路，它的作用就是從眾多的頻率中選出有用信號，濾除或抑制無用信號。串聯諧振電路的諧振角頻率：

從而諧振頻率：

    當從Coill、Coil2出來的脈沖滿足這一頻率要求后，串聯諧振電路就會起振，在回路兩端產生一個較高的諧振電壓： VL=QVs

    其中Vs為U2270B的Coill、Coil2端的輸出電壓， 為線圈兩端的諧振電壓，一般可能在200V一350V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是比較高的，購買選擇時需要注意。當諧振電壓達到一定的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來讀取。其中Q為諧振回路的品質因數，它描述了回路的儲能與它的耗能之比：

    在本設計中，應答器標簽的頻率為125kHZ，線圈的電感L約為1．35mH，這樣電容C的容值就可由上面的公式算出固定的值。另外可以通過調節電阻R(注意線圈也含有一定的電阻)來調節品質因數，從而改變諧振電壓來提高讀寫距離。 

2．2．4 數據輸入 

    這里所講的數據輸入指的是U2270B從天線回路讀回的數據。 

    基站從應答器讀人的是經過載波調制后的信號，它通過C17電容耦合輸入到INPUT輸入端，經過低通濾波器，放大器，施密特觸發器等幾個環節后，在ourPUT端輸出解調后的信號。低通濾波器的截止頻率由fosc決定。INPUT管腳的耦合電容C7 以及HIPASS管腳的去耦電容C6 的值決定了解調電路的高通特性，有利于更進一步濾除無用及干擾信號。C6和C7 的值依射頻卡的數據傳輸波特率的不同而不同，本學生考勤系統采用的波特率為 focs／32，此時c6，C7 分別為100nF和680pF。

C6與下限截止頻率的關系如下：

式中：Ri=2．5Ω

    需要注意的是OUTPUT端輸出的信號只是經過了解調，并沒有解碼。解碼任務要通過單片機編程來完成。 

3 U2270B模塊軟件設計

    U2270B模塊提供給高層調用的主要有4個子函數。 

3．1 U2270B初始化函數 

    在U2270B的初始化工作中主要就是將U2270B必要的控制口打上滿足條件的電平，因為不是馬上就要開始解碼工作，所以同時也將U2270B停止工作。并且默認是125kHz的解碼。 

3．2 U2270B停止工作函數 

    為低功耗和具體功能的考慮，只有在光敏電阻中斷被允許或按下“IRQ”鍵時才調用一次解碼函數，在其他情況下一般讓U2270B處于不工作狀態。

3．3 開啟U2270B函數 

    當開始上課按鈕有效時光敏電阻中斷被允許，或者利用“IRQ”按鈕使讀卡器從低功耗模式下被喚醒，U2270B處于工作狀態。 

3．4 U2270B解碼函數 

    解碼部分完全由軟件程序來實現，通過輸入捕捉接受到的脈沖來進行解碼，這也是U2270B的不足之處。 

4 結語 

    由于篇幅有限，文中不再對考勤系統閱讀器的主控芯片MCU及其支撐電路和外圍接口電路做具體介紹。從射頻識別卡的使用方便、交易速度快、便于維護和使用壽命較長等優點來看， 射頻識別卡正在各種場合逐漸替代目前廣泛使用的接觸式Ic卡，應用前景十分廣闊。