基于STM8的智能人员考勤定位卡系统设计*

2022-01-18陈聪

机械工程与自动化 2021年6期

陈聪

(江苏航空职业技术学院，江苏镇江 212132)

0 引言

智能化考勤管理控制系统的提出和设计极大地方便了对企事业单位员工的管理，不仅满足了现代社会对高效率办公的不断追求与向往，而且很大程度上推进了日常生产生活的智能化管理与运作。近场通信(Near Field Communication,NFC)技术是一种短距离的高频无线通信技术，允许电子设备之间进行非接触式点对点数据传输和交换数据。NFC通信技术数据同RFID类似，也是通过频谱中无线频率部分的电磁感应耦合方式传递。STM8系列处理器是意法半导体公司生产的8位单片机，该系列处理器是超低功耗的MCU，具有五种低功耗模式，分别是等待、低功耗运行(5.1 μA)、低功耗等待(3 μA)、带完全RTC的活动暂停(1.3 μA)和暂停(350 nA)；其具有32 kB Flash、16 MHz CPU并集成了EEPROM，内部带有RTC、LCD、timers、USART、I2C、SPI和ADC等功能。

1 考勤卡系统简介

本文主要研究一种智能考勤卡系统，该考勤卡内部搭载STM8处理器，采用M24LR04E-R芯片作为RFID标签，负责存储用户ID，进行NFC通信考勤；采用三轴加速度计传感器芯片LIS3DHTR来记录人员运动轨迹，采用2.4G无线通信芯片SI24R1来实时向上位机传送考勤卡数据。整个考勤卡系统主要工作流程如下：当考勤卡通过读卡器第一次刷卡时(人员上班)，读卡器将读取到的信息传输给上位机，同时M24LR04E-R芯片的RF_BUSY引脚返回控制信号，得到控制信号后，STM8处理器开始访问加速度计芯片，记录此刻人员位置并通过2.4G无线通信上传至上位机。同时系统设置每隔一段时间定时获取加速度计芯片数据，并上传至上位机。当考勤卡通过读卡器第二次刷卡时(人员下班)，中止所有数据访问及传输。智能考勤卡系统设计框图如图1所示。

图1 考勤卡系统设计框图

2 系统硬件电路设计

2.1 M24LR04芯片外围电路设计

M24LR04系列是ST公司的一款NFC芯片，支持ISO15693和ISO1800-3等协议，包括RF和I2C两种通信模式。在RF模式下，采用13.56 MHz无线电载波通信；在I2C模式下，作为从机应答主机的请求。图2为M24LR04芯片的内部结构图，其内部分别有I2C总线接口和RF接口，芯片内部还带有电源管理功能，可以将天线圈获得的能量转化为电能，给处理器和系统电路供电。芯片内部还带有4 kB/16 kB/64 kB的EEPROM，可以存放64 bit的UID号。本设计使用的具体型号为M24LR04E-R，该型号带有4 kB EEPROM。

图2 M24LR04芯片内部结构图

根据M24LR04芯片的内部结构图可知，芯片共有8个引脚，其中AC0、AC1连接RF天线。天线在制作PCB板时参照13.56 MHz、45 mm×75 mm天线进行布局设计。SCL、SDA连接STM8的I2C通信引脚，并分别通过两个15 kΩ电阻连接到电源以保证通信质量。因本设计的考勤卡体积不大，因此电阻采用0402封装。RF_BUSY引脚连接STM8的一个I/O引脚，检测芯片是否忙碌。在芯片电源设计方面，当没有靠近NFC通信设备时，VCC由STM8引脚输出高电平并通过一个1N4148二极管供电；当靠近NFC通信设备时，芯片VOUT引脚输出高电平，二极管截止，VCC由VOUT引脚输出电源供电。VOUT引脚通过一个100 nF电容进行滤波。二极管和电容也是采用小封装形式器件。M24LR04芯片硬件电路如图3所示。

图3 M24LR04芯片硬件电路图

2.2 LIS3DHTR外围电路设计

LIS3DHTR三轴加速度传感器是ST公司推出的一款宽电压、超低功耗的加速度传感器，最低功耗低至2 μA,支持I2C/SPI通信接口，支持单击、双击、自由落体、6D运动/位置检测等工作模式，应用较广泛。LIS3DHTR输出数据为16位，内含2个独立的可编程中断发生器，用于自由落体和运动检测。芯片有16个引脚，本设计采用SPI通信方式，因此，引脚4、6、7、8分别作为SPI通信接口的SCLK、MOSI、MISO、CS四线与STM8处理器的SPI接口相连接。引脚1为芯片I/O口供电，与电源引脚14一起接电源。引脚5、12为接地引脚，引脚10根据数据手册要求也是接地。13、15、16为三轴辅助加速度模数转换输入引脚，不用时可以悬空、接地或接电源，为减少干扰，本设计中将这三个引脚接地。9、11引脚为芯片的内部中断引脚，分别连接STM8的两个I/O端口，当检测到芯片加速度产生一定变化时产生中断信号，通知处理器采集加速度数据。LIS3DHTR芯片具体硬件电路如图4所示。

图4 LIS3DHTR芯片硬件电路图

2.3 SI24R1外围电路设计

SI24R1是ST公司推出的低功耗无线收发器芯片，其工作在2.4 GHz～2.5 GHz世界通用ISM频段，支持126个通讯频道，满足多点通讯、分组、跳频等应用需求。通过SPI接口进行芯片输出功率频道选择和协议的设置。

SI24R1芯片有20个引脚，引脚1为芯片使能引脚，连接STM8处理器一个I/O口进行控制；引脚2、3、4、5分别对应SPI的片选信号、时钟信号和输入、输出信号，连接STM8处理器对应的SPI接口；引脚6 IRQ可屏蔽芯片中断信号，连接STM8处理器I/O口进行控制；引脚9、10为芯片外接晶振输入、输出引脚，在本设计中芯片外接16 MHz晶振；引脚11为给芯片内置功率放大器供电的电源输出引脚；引脚12、13为天线接口；引脚16为内部基准电流输出引脚；引脚19为内部数字电路电源输出引脚。因芯片通信频率高，在电源和地之间设计了LC滤波电路，进一步防止干扰。SI24R1外围电路如图5所示。

图5 SI24R1芯片外围电路图

3 系统软件设计

在系统上电后，配置STM8为低功耗运行模式，对NFC通信芯片M24LR04、三轴加速度传感器芯片LIS3DHTR、2.4G无线通信芯片SI24R1进行初始化配置。接着，检测该考勤卡是否已经是公司正式注册的卡片，通过I2C通信接口读取M24LR04的EEPROM，M24LR04E-R芯片的用户区域被划分为四个扇区，每个扇区1 024位，包含32块，每块32位。当读取到扇区的数值为0xff时，代表卡片没有被注册，通过I2C通信向M24LR04的EEPROM的扇区0写入用户ID数值，并将上位机中的数据库更新。然后，等待刷卡，当检测到RF_BUSY引脚忙时，代表考勤卡靠近刷卡机，系统开始读取三轴加速计芯片数值，得到刷卡人实时位置，并通过2.4G无线通信上传至上位机。之后设置系统定时器，每隔1 h读取一次三轴加速度计芯片数值，得到人员实时位置，并通过2.4G无线通信上传至上位机。当检测到RF_BUSY引脚再次忙碌时，表示考勤卡又靠近了刷卡机，人员下班，关闭定时器，中止数据上传，配置STM8为暂停模式。考勤卡系统软件流程如图6所示。