陳 聰

(江蘇航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212132)

0 引言

智能化考勤管理控制系統(tǒng)的提出和設(shè)計(jì)極大地方便了對(duì)企事業(yè)單位員工的管理，不僅滿(mǎn)足了現(xiàn)代社會(huì)對(duì)高效率辦公的不斷追求與向往，而且很大程度上推進(jìn)了日常生產(chǎn)生活的智能化管理與運(yùn)作。近場(chǎng)通信(Near Field Communication,NFC)技術(shù)是一種短距離的高頻無(wú)線通信技術(shù)，允許電子設(shè)備之間進(jìn)行非接觸式點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸和交換數(shù)據(jù)。NFC通信技術(shù)數(shù)據(jù)同RFID類(lèi)似，也是通過(guò)頻譜中無(wú)線頻率部分的電磁感應(yīng)耦合方式傳遞。STM8系列處理器是意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的8位單片機(jī)，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(yùn)行(5.1 μA)、低功耗等待(3 μA)、帶完全RTC的活動(dòng)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(nèi)部帶有RTC、LCD、timers、USART、I2C、SPI和ADC等功能。

1 考勤卡系統(tǒng)簡(jiǎn)介

本文主要研究一種智能考勤卡系統(tǒng)，該考勤卡內(nèi)部搭載STM8處理器，采用M24LR04E-R芯片作為RFID標(biāo)簽，負(fù)責(zé)存儲(chǔ)用戶(hù)ID，進(jìn)行NFC通信考勤；采用三軸加速度計(jì)傳感器芯片LIS3DHTR來(lái)記錄人員運(yùn)動(dòng)軌跡，采用2.4G無(wú)線通信芯片SI24R1來(lái)實(shí)時(shí)向上位機(jī)傳送考勤卡數(shù)據(jù)。整個(gè)考勤卡系統(tǒng)主要工作流程如下：當(dāng)考勤卡通過(guò)讀卡器第一次刷卡時(shí)(人員上班)，讀卡器將讀取到的信息傳輸給上位機(jī)，同時(shí)M24LR04E-R芯片的RF_BUSY引腳返回控制信號(hào)，得到控制信號(hào)后，STM8處理器開(kāi)始訪問(wèn)加速度計(jì)芯片，記錄此刻人員位置并通過(guò)2.4G無(wú)線通信上傳至上位機(jī)。同時(shí)系統(tǒng)設(shè)置每隔一段時(shí)間定時(shí)獲取加速度計(jì)芯片數(shù)據(jù)，并上傳至上位機(jī)。當(dāng)考勤卡通過(guò)讀卡器第二次刷卡時(shí)(人員下班)，中止所有數(shù)據(jù)訪問(wèn)及傳輸。智能考勤卡系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 考勤卡系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 M24LR04芯片外圍電路設(shè)計(jì)

M24LR04系列是ST公司的一款NFC芯片，支持ISO15693和ISO1800-3等協(xié)議，包括RF和I2C兩種通信模式。在RF模式下，采用13.56 MHz無(wú)線電載波通信；在I2C模式下，作為從機(jī)應(yīng)答主機(jī)的請(qǐng)求。圖2為M24LR04芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，其內(nèi)部分別有I2C總線接口和RF接口，芯片內(nèi)部還帶有電源管理功能，可以將天線圈獲得的能量轉(zhuǎn)化為電能，給處理器和系統(tǒng)電路供電。芯片內(nèi)部還帶有4 kB/16 kB/64 kB的EEPROM，可以存放64 bit的UID號(hào)。本設(shè)計(jì)使用的具體型號(hào)為M24LR04E-R，該型號(hào)帶有4 kB EEPROM。

圖2 M24LR04芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)M24LR04芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖可知，芯片共有8個(gè)引腳，其中AC0、AC1連接RF天線。天線在制作PCB板時(shí)參照13.56 MHz、45 mm×75 mm天線進(jìn)行布局設(shè)計(jì)。SCL、SDA連接STM8的I2C通信引腳，并分別通過(guò)兩個(gè)15 kΩ電阻連接到電源以保證通信質(zhì)量。因本設(shè)計(jì)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(gè)I/O引腳，檢測(cè)芯片是否忙碌。在芯片電源設(shè)計(jì)方面，當(dāng)沒(méi)有靠近NFC通信設(shè)備時(shí)，VCC由STM8引腳輸出高電平并通過(guò)一個(gè)1N4148二極管供電；當(dāng)靠近NFC通信設(shè)備時(shí)，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(guò)一個(gè)100 nF電容進(jìn)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(shè)計(jì)

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(yùn)動(dòng)/位置檢測(cè)等工作模式，應(yīng)用較廣泛。LIS3DHTR輸出數(shù)據(jù)為16位，內(nèi)含2個(gè)獨(dú)立的可編程中斷發(fā)生器，用于自由落體和運(yùn)動(dòng)檢測(cè)。芯片有16個(gè)引腳，本設(shè)計(jì)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(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè)要求也是接地。13、15、16為三軸輔助加速度模數(shù)轉(zhuǎn)換輸入引腳，不用時(shí)可以懸空、接地或接電源，為減少干擾，本設(shè)計(jì)中將這三個(gè)引腳接地。9、11引腳為芯片的內(nèi)部中斷引腳，分別連接STM8的兩個(gè)I/O端口，當(dāng)檢測(cè)到芯片加速度產(chǎn)生一定變化時(shí)產(chǎn)生中斷信號(hào)，通知處理器采集加速度數(shù)據(jù)。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(shè)計(jì)

SI24R1是ST公司推出的低功耗無(wú)線收發(fā)器芯片，其工作在2.4 GHz～2.5 GHz世界通用ISM頻段，支持126個(gè)通訊頻道，滿(mǎn)足多點(diǎn)通訊、分組、跳頻等應(yīng)用需求。通過(guò)SPI接口進(jìn)行芯片輸出功率頻道選擇和協(xié)議的設(shè)置。

SI24R1芯片有20個(gè)引腳，引腳1為芯片使能引腳，連接STM8處理器一個(gè)I/O口進(jìn)行控制；引腳2、3、4、5分別對(duì)應(yīng)SPI的片選信號(hào)、時(shí)鐘信號(hào)和輸入、輸出信號(hào)，連接STM8處理器對(duì)應(yīng)的SPI接口；引腳6 IRQ可屏蔽芯片中斷信號(hào)，連接STM8處理器I/O口進(jìn)行控制；引腳9、10為芯片外接晶振輸入、輸出引腳，在本設(shè)計(jì)中芯片外接16 MHz晶振；引腳11為給芯片內(nèi)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(nèi)部基準(zhǔn)電流輸出引腳；引腳19為內(nèi)部數(shù)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(shè)計(jì)了LC濾波電路，進(jìn)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(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)上電后，配置STM8為低功耗運(yùn)行模式，對(duì)NFC通信芯片M24LR04、三軸加速度傳感器芯片LIS3DHTR、2.4G無(wú)線通信芯片SI24R1進(jìn)行初始化配置。接著，檢測(cè)該考勤卡是否已經(jīng)是公司正式注冊(cè)的卡片，通過(guò)I2C通信接口讀取M24LR04的EEPROM，M24LR04E-R芯片的用戶(hù)區(qū)域被劃分為四個(gè)扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)1 024位，包含32塊，每塊32位。當(dāng)讀取到扇區(qū)的數(shù)值為0xff時(shí)，代表卡片沒(méi)有被注冊(cè)，通過(guò)I2C通信向M24LR04的EEPROM的扇區(qū)0寫(xiě)入用戶(hù)ID數(shù)值，并將上位機(jī)中的數(shù)據(jù)庫(kù)更新。然后，等待刷卡，當(dāng)檢測(cè)到RF_BUSY引腳忙時(shí)，代表考勤卡靠近刷卡機(jī)，系統(tǒng)開(kāi)始讀取三軸加速計(jì)芯片數(shù)值，得到刷卡人實(shí)時(shí)位置，并通過(guò)2.4G無(wú)線通信上傳至上位機(jī)。之后設(shè)置系統(tǒng)定時(shí)器，每隔1 h讀取一次三軸加速度計(jì)芯片數(shù)值，得到人員實(shí)時(shí)位置，并通過(guò)2.4G無(wú)線通信上傳至上位機(jī)。當(dāng)檢測(cè)到RF_BUSY引腳再次忙碌時(shí)，表示考勤卡又靠近了刷卡機(jī)，人員下班，關(guān)閉定時(shí)器，中止數(shù)據(jù)上傳，配置STM8為暫停模式。考勤卡系統(tǒng)軟件流程如圖6所示。

圖6 考勤卡系統(tǒng)軟件流程

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的基于低功耗芯片STM8的智能人員考勤定位卡系統(tǒng)利用NFC通信原理實(shí)現(xiàn)考勤，還能實(shí)時(shí)分析掌握人員運(yùn)動(dòng)軌跡，卡片內(nèi)部均采用低功耗芯片設(shè)計(jì)，確保了考勤卡的續(xù)航。本文詳細(xì)介紹了該考勤卡系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)及主要的軟件工作流程，有一定的推廣使用價(jià)值。