基于非接触式IC卡的考勤系统设计

基于非接触式IC卡的考勤系统设计
【摘要】本文研究了射频识别系统的工作原理，并对射频识别系统的构成、数据传输原理、基本工作流程、系统的分类、编码和调制以及数据的完整性给出了较为详细的理论研究。

并对非接触式IC卡与读写器的通讯过程和电磁工作原理进行了简单的描述。

描述了非接触式IC卡的国际标准ISO/IEC 14443协议，通过协议能更好地理解卡片与读写器间的传输过程，有利于下文读卡器的硬件设计和MCU的主程序实现。

最后，本文在射频理论的基础上进行了读写器的软硬件设计。

【关键词】射频识别；MIFARE；考勤；读写器；USB通信
1.引言
当今世界已形成非接触IC卡的庞大应用和供应市场，仅<135KHz的低频产品的全体出货量就达42亿片以上，而以标准非接触式IC卡为主的13.56MHz高频产品的全球年出货量则达4亿片以上。

其中，标准非接触IC卡芯片的国际市场最大供应商，从20世纪90年代至今，始终为荷兰PHILIPS半导体公司。

2001年，该公司向中国北京市政一卡通有限公司交付了它的第2亿片Mifare非接触读写芯片，再一次证明了它在世界标准非接触IC卡芯片市场稳固的领导地位；而其他RFID产品——“非标卡”芯片全球主要供应商，则为美国的TI公司和瑞士的EM公司等。

与国外先进技术相比，国内的非接触IC卡芯片研制水准差距较大，市场流通的非接触IC卡多为进口产品。

即便部分有实力厂商已具备非接触IC卡封装能力，但卡内芯片多为进口产品。

真正能够研制这类芯片并具备产业化生产能力的厂家不多。

令人欣慰的是：进入21世纪后，国内集成电路行业尤其是具备雄厚的电子工业基础的上海，在非接触IC卡芯片的研发上进展颇大。

而“坚持国产芯片、自主版权、注重国产化、立足国内、以我为主”等建设原则，迄今为止世界最大的非接触IC卡应用项目——中华人民共和国第二代居民身份证卡的研制和颁发工作的稳步开展以及城市公共交通等非接触IC卡应用项目的成功和拓展深化所呈现的市场前景，外来将进一步推动这类发展。

1.1 系统概述
本考勤系统的具体设计目标为：持有效卡人能很方便、很直观地刷卡考勤；能够方便地处理请假、加班等考勤相关事项；管理人员能方便地查询考勤刷卡记录；系统能如实地反映每个人的考勤情况；管理人员能方便地统计、打印或导出考勤统计结果；系统具有经济合理的运营成本。

1.2 设计原则
（1）先进性
系统的设计选型和产品性能在投入使用时应具有一定的技术先进性，但不盲目追求上不成熟的新技术或不实用的新功能。

（2）安全性
系统的设计具有高度的可靠性，产品成熟性能稳定，保证系统长时间无故障运行，几百年遭遇事故造成中断后也能确保数据的准确性、完整性和一致性，并可迅速恢复正常，以确保整个系统的安全性。

（3）卡号的安全性
卡号的安全性包括能够防止重复卡、防止卡等安全漏洞。

系统数据库中不仅保存了写入的加密卡号，同时也保存了每张卡的原始序列号，这样在以后对系统进行扩展或升级时，用户可以选择某一种卡号，既保证了系统的安全性，又保证了系统的扩展性。

（4）实用性
系统选用的不见和产品都能较好地满足用户需求，并符合近期使用哪个和远期的方向。

（5）方便性
以现有成熟的产品为对象设计，同时还考虑到周边信息通信环境的现状和技术的发展趋势，使设计方案可行。

（6）开放性
为保证各供应商产品的协同运行，同时考虑到投资者的长远利益，系统结构必须是开放的，并结合相关国际标准或工业标准执行。

2.系统的硬件设计
2.1 RFID系统的工作原理
无线射频识别技术的基本原理是利用射频信号和空间藕合（电感或电磁藕合）或雷达反射的传输特性，实现对被识别物体的自动识别。

系统组成模型见图2-1。

RFID系统至少包含应答器（又称电子标签，应答标签）和读写器（又称阅读器）两部分，典型的射频识别系统通常由应答器、读写器、PC上位机三部分组成。

应答器是射频识别系统的数据载体，由天线和专用芯片组成，存储着需要
被识别的信息，它所存储的信息通常可被射频读写器通过非接触方式读/写获取。

应答器按照自身是否带电源分有源标签和无源标签两种，有源标签是自带电源，无源标签所需的能量从读写器的射频场内获得。

读写器通过天线与应答器进行无线通信，可以实现对应答器识别码和内存数据的读出或写入操作。

典型的读写器包含有射频模块、控制单元以及读写器天线。

PC上位机通常用于对数据进行管理，完成通信传输功能，读写器通过标准接口与PC上位机连接，以便实现通信和数据传输功能。

读写器和应答器通过各自的天线构建了二者的非接触信息传输信道，电磁场理论中的麦克斯韦方程可以解释能量的产生，能量以电场、磁场的形式相互转换不向外传播，距离天线越近，场强越强。

射频识别系统工作过程中始终以能量作为基础，通过一定时序方式来实现数据交换。

对于无源标签来说，读写器向应答器提供工作能量，当应答器离开读写器的工作范围时，没有能量激活而处于“休眠”状态，当应答器进入读写器的工作范围，监测到读写器发出的一定特征的射频信号，即通过整流的方式将接受到的能量转换为电能储存在应答器内的电容器里，以此拥有工作能量，状态由“休眠”变为“接收”，接收读写器的命令后进行处理，再向其返回结果，这类只有接收到读写器特殊命令才发送数据的应答器被称为RTF方式（Reader Talks First，读写器先发言）。

与RTF相对应的是TTF方式（Tag Talks First，标签先发言），即应答器进入读写器的能量场就主动发送自身序列号的方式。

TTF和RTF相比具有识别速度快的特点，适用于需要高速应用的场合，在噪声环境中更稳健，更适用于工业环境的跟踪应用。

射频识别系统中，读写器和应答器之间的数据交换方式分为负载调制和反向散射调制。

3.4 上位机串口通信
上位机串口通信流程图见图3-2。

本程序的主要职能是负责上位机（PC）与下位机（主控MCU）之间的数据通信。

通讯接口采用RS232协议的COM串口。

此处选择COM串口的原因主要有：
（1）COM串口的通讯程序已经非常成熟，有很多的可用控件、第三方的lib 包等支持，对于上位机的程序部署较为简单。

（2）即使针对目前主流主机都不配备COM端口的情况。

我们也可以很方便的采用基于PL2303芯片的USB转串口芯片外设作为传输“中继”，此方案成本低廉，而且部署极为简便。

本设计的调试以及部署过程就采用的本芯片外设。

接口为便利的USB，但程序编写依然基于com端口，没有增加复杂度。

当程序启动后，首先按照配置文件的设定去尝试初始化指定的COM端口。

如果COM端口被占用或不存在，则程序会抛出例外并退出。

当com端口被成功初始化后，需要将其的通讯方式设置为与MCU的通讯方式一致。

上位机与下位机通讯的部分，采用了com端口的通讯，而没有直接采用USB 通讯，主要是考虑目前串口的程序编制更为简便。

调试工具也比较丰富。

能够较
为便利的发现问题。

并且从实质接口方面，也能够非常方便的找到USB接口作为中继，则无论从软件方面还是使用方便都大大降低了实施难度。

确保在有限的时间内能取得预期效果理论指导实践的重要意义，此处对于IS014443协议的充分了解，对程序的编写具有很大的益处。

4.结束语
近几年来，随着IC智能卡中的接触式CPU卡以及非接触式IC智能射频卡的高度安全保密性，使之在IC智能卡领域中异军突起，特别是非接触式IC智能射频卡代表了整个“刷卡”领域的发展方向，由于其应用领域日益渗透到社会生活的方方面面，必然提出对射频卡的深入研究。

本文结合具体考勤系统的设计，对射频卡的应用系统设计进行了研究，主要包括：分析了非接触式IC卡的工作原理和设计原理。

对读卡系统的软硬件设计方法，和设计流程进行了分析和研究。

分别从硬件和软件的角度，对系统的工作进行了分析。

编译了考勤系统的后台函数程序。

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通讯作者：朱凤武。