CÔNG NGHỆ PSoC VÀ CHẾ TẠO CHIP ĐỌC THẺ TIẾP CẬN

Chia sẻ: Do Xuan | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:6

Thêm vào BST

Báo xấu

562
lượt xem 139
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Công nghệ thẻ tiếp cận đang được sử dụng rộng rãi ở nhiều lĩnh vực như: Hệ thống kiểm tra xâm thực, hệ thống chấm công, quản lý nhân sự, vật tư, các hệ thống tự động. Bài báo giới thiệu các ưu điểm nổi trội của công nghệ PSoC và việc sử dụng công nghệ PSoC để chế tạo chip đọc thẻ tiếp cận. Trên cơ sở của chip, chúng tôi xây dựng thiết bị khoá đọc thẻ tiếp cận K700T. K700T có thể ứng dụng rộng rãi trong việc bảo vệ và quản lý người ra vào cơ...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: CÔNG NGHỆ PSoC VÀ CHẾ TẠO CHIP ĐỌC THẺ TIẾP CẬN

CÔNG NGHỆ PSoC VÀ CHẾ TẠO CHIP ĐỌC THẺ TIẾP CẬN TSKH. Phạm Thượng Cát, Ks. Phan Minh Tân, Ks. Vũ Sĩ Thắng, Phòng Công nghệ Tự động hóa - Viện Công nghệ Thông tin Tel. 8363484, e-mail: ptcat@ioit.ncst.ac.vn Tóm tắt: Công nghệ thẻ tiếp cận đang được sử dụng rộng rãi ở nhiều lĩnh vực như: Hệ thống kiểm tra xâm thực, hệ thống chấm công, quản lý nhân sự, vật tư, các hệ thống tự động. Bài báo giới thiệu các ưu điểm nổi trội của công nghệ PSoC và việc sử dụng công nghệ PSoC để chế tạo chip đọc thẻ tiếp cận. Trên cơ sở của chip, chúng tôi xây dựng thiết bị khoá đọc thẻ tiếp cận K700T. K700T có thể ứng dụng rộng rãi trong việc bảo vệ và quản lý người ra vào cơ quan. Thiết có giá thành rất rẻ so với nhập ngoại. PSoC Technology and its implementation in creating customized chip for Proximity Card Readers Abstracts: Recently, Proximity Card technology is broadly used in a lot of fields all over the world, examples are personnel management system, access control system, PC and network security systems.... This paper introduces distinguished characteristics of PSoC and the use of PSoC technology to produce Proximity Card Reader Chip. Based on the specialized chip, automatic door using lock K700T with proximity card is built. K700T device can be broadly used in the field of human resource management, or monitoring/controlling access to... companies, manufacturers, or offices. 1. Giới thiệu chung ngữ và theo cách quản lý nước ngoài không phù hợp với Việt nam. Việc thay đổi chương Hiện nay, công nghệ thẻ tiếp cận trình thường gặp khó khăn vì các hãng sản xuất (Proximity Card) đang được áp dụng rộng rãi không cung cấp các thủ tục giao diện với các trong nhiều lĩnh vực trên thế giới như: thiết bị đọc thẻ. - Các hệ thống kiểm soát xâm thực (access Xuất phát từ thị trường tiềm năng đang control) như kiểm soát người ra vào cơ phát triển này Viện Công nghệ thông tin đã quan, bảo vệ việc sử dụng trái phép máy nghiên cứu thiết kế phát triển và chế tạo thành tính, chương trình máy tính,.. công một chip thông minh cho việc đọc và - Các hệ thống chấm công dùng thẻ nhận dạng các thẻ tiếp cận theo chuẩn ISO Proximity, PROX làm cơ sở cho việc phát triển các hệ - Các hệ thống tự động dùng thẻ (đóng mở thống tự động sử dụng thẻ tiếp cận Proximity cổng, xuất nhập vật tư, ..v..v..) mang thương hiệu Việt Nam. - Hệ thống quản lý nhân sự, hệ thống quản lý kho xăng, hệ thống bán vé cầu đường 2. Lựa chọn công nghệ thiết kế và tạo chip tự động, hệ thống đếm bao trong nhà máy cho đầu đọc thẻ tiếp cận xi măng.. v.v. Tuy nhiên công nghệ này vẫn còn mới Công nghệ tự động thiết kế để chế tạo các mẻ và chưa ứng dụng nhiều trong đời sống, chip đã có bề dày hơn 20 năm phát triển và sản xuất ở Việt Nam. Hệ thống quản lý dùng hiện đang quy tụ vào một số công nghệ nổi trội thẻ tiếp cận bao gồm máy tính và các thiết bị là ASIC (Application Specific Integrated đọc thẻ tự động tạo thành một hệ thống tin cậy, Circuit), FPGA (Field Programmable Gate an toàn, thuận lợi cho các nhà quản lý. Nhưng Array) và CSoC (Configurable System on hệ thống nhập ngoại có giá thành đắt, bảo Chip). Các công nghệ này liên quan mật thiết hành, bảo trì hệ thống khó khăn và nhiều hệ với nhau và phát triển có tính thừa kế các ưu thống còn chưa phù hợp với các hệ thống quản điểm, khắc phục nhược điểm của nhau. lý ở Việt Nam. Khác với công nghệ ASIC và FPGA Thẻ tiếp cận ngày càng thay thế thẻ từ thông thường chỉ cho phép tạo ra các IC riêng và mã vạch. Thẻ từ dễ bị xước trong quá trình lẻ, IC ngoại vi không có processor thì công sử dụng còn thẻ tiếp cận không tiếp xúc nghệ CSoC là công nghệ cho phép tạo nên cả (Proximity) có tuổi thọ rất cao do được chế tạo một hệ thống trong một chip bao gồm CPU, đúc trong thẻ nhựa, không dùng pin và khi hoạt ROM, RAM các ngoại vi thời gian thực (như động không tiếp xúc với đầu đọc. Thẻ hoạt ADC, DAC, Counter, Timer, Digital I/O, cổng động được bằng việc lấy năng lượng từ trường truyền thông...) và cho phép thay đổi cấu trúc được phát ra từ các đầu đọc. Các hệ thống tự phần cứng của chip trong quá trình hoạt động. động dùng thẻ Proximity hiện đang được nhập Như vậy công nghệ CSoC cho ta một vào Việt nam với giá thành đắt và với phần độ linh hoạt lớn trong việc phát triển thiết kế mềm quản lý của nước ngoài với giao diện Anh và chế tạo chip thông minh chuyên dụng phù 1
hợp với yêu cầu ứng dụng của sản phẩm. (Configurable System on Chip) mà cụ thể là Cả tài nguyên phần cứng và phần mềm công nghệ PSoC (Programmable System on của chip đều có thể dễ dàng thay đổi trong qúa Chip) của hãng Cypress Micro System làm trình hoạt động hiện tại và phát triển mở rộng công nghệ chủ chốt để phát triển các chip chức năng sản phẩm trong tương lai. thông minh cho các sản phẩm đo lường và điều Công nghệ CSoC sẽ là một bước tiến khiển với các lý do sau đây: hoá của công nghệ thông tin, thoát khỏi các • So với công nghệ ASIC và FPGA, công nghệ ràng buộc của hệ máy tính cứng (Rigid CSoC cho phép tạo ra các chip có processor, Computing Machine) sang thế hệ máy tính tự có khả năng lập trình các giải thuật phức tạp, thích nghi (Adaptive Computing Machine). có thể xử lý đồng thời các tín hiệu số và tương Công nghệ CSoC thực sự là một công nghệ ưu tự. việt hơn hẳn công nghệ ASIC và FPGA vì nó • Trong số các hãng cung cấp công nghệ CSoC, tích hợp cả Processor và bộ nhớ RAM, thì công nghệ PSoC của Cypress Micro FLASH, cho phép ta lập trình các thuật xử lý System phù hợp hơn cả cho đo lường và điều phức tạp một cách dễ dàng bằng ngôn ngữ C khiển do: hoặc ASSEMBLER. So với các vi điều khiển + Là công nghệ mới (được bình chọn là công thông dụng như 8051, motorola 68HC908, nghệ sáng tạo năm 2001) của thế giới và Microchip PIC16#73 có cấu trúc CPU và ngoại được định hướng để phát triển các chip vi cố định (fixed digital and analog penpherals) thông minh cho các thiết bị đo lường và thì các chip CSoC có khả năng mềm dẻo thích điều khiển có số lượng lớn với giá thành ứng với đa dạng ứng dụng và nhất là khả năng thấp. tái cấu hình (reconfigurable) tạo thành nhiều + Là công nghệ đầu tiên trên thế giới cho loại chip có chức năng khác nhau trên một chip phép tạo ra các chip có processor và khả ở những thời điểm khác nhau trong một ứng năng xử lý đồng thời các tín hiệu tương tự, dụng. Ví dụ với chip PSoC của hãng Cypress số, truyền thông phong phú nhất trong các Micro System, ta có thể thiết kế cho nó thành công nghệ CSoC hiện có (Mixed-Signal một chip điều khiển máy bán hàng tự động ở Device). Các giải pháp Processor+FPGA ban ngày và đến 12 giờ đêm chip PSoC sẽ tự của các hãng Altera hoặc Xilinx và các tái cấu hình thành một modem và gửi các dữ hãng khác chỉ có thể cho phép ta tạo ra liệu (số hàng tồn trong máy, số tiền thu được các chip số có Processor (Digital IC) được...) của máy bán hàng về trung tâm. hoặc với một số chức năng Analog cố Công nghệ tạo chip thông minh cho đo định. lường và điều khiển trên cơ sở CSoC có tính + Là công nghệ có chức năng nhân cứng hiệu quả kinh tế, nhất là đối với các chip PSoC (MAC) cho phép phát triển các thuật toán của Cypress Micro System vì có khả năng xử xử lý nhanh như của các chip DSP (Digital lý hỗn hợp dữ liệu tương tự và số. Nó cho ta Signal Processing) khả năng phát triển các sản phẩm mới nhanh, + Đầu tư cho các công cụ phát triển, hệ thống dễ dàng mở rộng các chức năng mới sau này. phần mềm thiết kế chip và các IP Công nghệ này cho nhiều giải pháp lựa chọn (Intellectual Properties) rẻ hơn nhiều lần và hỗ trợ cho đa dạng ứng dụng từ đo lường, so với các công cụ phát triển và phần mềm xử lý, điều khiển, truyền thông, kết nối mạng thiết kế của FPGA. trên cùng một chip với giá thành thấp. Hệ + Giá thành của các chip PSoC trắng cho thống phần mềm hỗ trợ thiết kế chip PSoC nghiên cứu phát triển và sản xuất loạt nhỏ, Designer của Cypress Micro System có đầy đủ loạt lớn đều rẻ hơn nhiều lần so với các các chức năng thiết kế, xắp xếp các khối chức chip FPGA. năng, mô phỏng, lập trình C, tìm lỗi và nạp + Phương pháp thiết kế chip vượt ra khỏi các chip hiện đại, có các module ứng dụng (user ràng buộc của các ngôn ngữ thiết kế mạch module) phong phú giúp ta không phải lập HDL phức tạp, kém hiệu quả mà áp dụng trình trên ngôn ngữ HDL (Hardware phương pháp lập trình mới theo khối chức Description Languages) vừa khó bao quát, vừa năng ở mức cao nên thời gian thiết kế và không hiệu quả. chế tạo chip được rút ngắn đáng kể. Ngoài ra giá thành của các chip PSoC + Là một công nghệ tiên tiến ở nước ngoài trắng từ 1-5US$/chip rẻ hơn nhiều lần so với nhưng lại rất phù hợp với trình độ nghiên các chip FPGA 30-150US$. Đây là một cơ hội cứu phát triển của Việt nam do có công cụ cho các doanh nghiệp và các nhóm say sưa hỗ trợ phát triển hiện đại giúp cho các cơ sáng tạo có thể đạt đến thành công lớn với các sở của Việt nam dễ dàng nhanh chóng tạo sản phẩm độc đáo có các chip thông minh chứa ra các sản phẩm mới của mình phục vụ các ý tưởng sáng tạo, bí quyết của riêng mình. thiết thực cho sản xuất và đời sống. Xuất phát từ cách tiếp cận nêu trên chúng tôi lựa chọn công nghệ CSoC 2
Lựa chọn công nghệ PSoC chúng tôi xây dựng chúng tôi xây dựng đầu đọc thẻ tiếp cận. chip đọc thẻ tiếp cận và trên cơ sở của chip Sơ đồ hệ thống Đầu đọc thẻ tiếp cận bao gồm: • Thiết bị đọc thẻ tiếp cận . • Thẻ tiếp cận với các mã số khác nhau Hình 1 : Ví dụ Đầu đọc thẻ lắp ở cửa ra vào để làm khoá 3. Thiết kế chip đọc thẻ tiếp cận 3.1. Nguyên lý hoạt động * Thẻ tiếp cận ( Proximity Card ) Chip IC Thẻ tiếp cận có cấu tạo gồm 1 cuộn dây thẻ và 1 chip IC. Cả 2 được ép vào 1 tấm nhựa mỏng có kích thước: 83mm x 59mm x 0.9mm. Cuộn dây Hình 2 : Thẻ tiếp cận (Proximity Card) Khi đưa thẻ qua §Çu ®äc thÎ nó tiếp nhận cho phép, CPU phát hiện có thẻ hay không năng lượng sóng điện từ và phát tín hiệu mã (biên độ giảm khi đưa thẻ vào gần cuộn dây). trở lại cho đầu đọc. Thiết bị đọc sẽ kiểm tra mã Khi phát hiện được thẻ, PWM cho phép số thẻ, nếu hợp lệ (thẻ đã đăng kí trong đầu phát ra xung vuông với tần số liên tục 125 đọc) thì bật đèn sáng báo hiệu, đồng thời kÝch KHz và kích hoạt các khối analog. Lúc này thẻ ho¹t R¬ le vµ truyÒn m· thÎ vÒ cho hÖ thèng phát về mã số thẻ, được điều tần trên sóng kh¸c qua chuÈn RS232. mang và có biên độ cố định, tín hiệu điều chế được tách bởi diode. §Çu đọc thẻ tiếp cận Sau khi được khuếch đại PGA lọc giải thông BPF tín hiệu tần số sóng mang 125 KHz Hình 3 giới thiệu sơ đồ nguyên lý chức được lọc bởi bộ lọc giải thông BPF mà đưa ra năng Đầu đọc thẻ tiếp cận. Từ sơ đồ nguyên lý hai tần số hợp lệ là 15.6 KHz (bit 0) và 12.5 chức năng trên chúng tôi sử dụng chip PSoC KHz (bit 1). Kết quả tín hiệu analog được đưa CY8C26443 28 chân để thiết kế. Sơ đồ mạch qua bộ so sánh CMP và tạo thành tín hiệu số của PSoC giới thiệu ở hình 4. để CPU sẽ tiếp tục xử lý. Tín hiệu có tần số 125 KHz được khối Chương trình giải mã các tín hiệu số module PWM phát ra. Nếu khi đó có thẻ đưa đưa về từ CMP. Khi giải mã xong, CPU kiểm lại gần cuộn dây đọc L, điện trường của tần số tra xem mã thẻ đã đăng kí trong thiết bị chưa, 125kHz đi qua cuộn dây thẻ, sinh ra một thế nếu đúng CPU phát lệnh bật đèn LED và bật hiệu ở 2 đầu cuộn dây thẻ đủ để chip IC hoạt lẫy rơ le và truyền mã thẻ qua cổng RS232. động. Chip IC cũng phát ra 1 tần số mang là Lúc này các khối analog đều tắt, CPU chờ thẻ 125kHz và có mang số mã thẻ theo nguyên lý ra khỏi đầu đọc thì quay trở lại trạng thái ngủ biến tần. LC sẽ cộng hưởng và điện áp này có và chờ phát hiện thẻ. biên độ cộng hưởng cực đại ở tụ C. Các khối chức năng chính của thiết bị Để nguồn năng lượng tiêu hao ít nhất, được thiết kế và đúc trong một chip chuyên trong hệ thống đọc có sử dụng cơ chế phát hiện dụng dùng công nghệ tạo chip thông minh thẻ. Trong trạng thái ngủ, chờ đọc thẻ, tất cả PSoC của hãng Cypress. Chip tr¾ng dïng lo¹i các khối analog đều tắt. CPU ở chế độ ngủ CY8C26443 cã 28 ch©n. Hình 3 giới thiệu các (sleep) và cứ hết chu kỳ 8 Hz, CPU dậy làm chức năng cơ bản của chip đọc thẻ được thiết việc phát xung 125 KHz. Đo độ trễ với biên độ kế. 3
PWM 1 4 PGA BPF CMP PSoC Cy8c26443 Hình 3: Sơ đồ nguyên lý chức năng Đầu đọc thẻ tiếp cận. Ph¸t tÝn hiÖu xung 125 DigInv2 KHz KhuÕch ®¹i PWM DigInv3 DigInv1 125kHz DigInv4 T¸ch biªn ®é bao R¬ Counter Counter le Result Detect CPU §Ìn L LED Clock §iÖn ¸p So s¸nh RAM PWM8- FLASH ClockFilter PGA-Vref Vµ PhÇn T¸ch MÒm sãng Tx8 KhuÕch ®¹i Bé läc gi¶i th«ng So s¸nh MAX KhuÕch ®¹i 232 C CMP PGA-BP BPF PGA- Rx8 125kHz Result PRG PSoc Bé ®Öm Cy8c26443 Vcc/2 Hình 4. Sơ đồ mạch điện tử của đầu đọc thẻ 4
3.2. Thông số của chip PSoC đọc thẻ tiếp bên ngoài. Điều đó cho phép làm giảm giá cận thành, cũng như tăng tính ổn định của sản Chíp trắng PSoC với các khối analog và phẩm. digital là một chíp lý tưởng để tích hợp chế Từ sơ đồ nguyên lý (hình 3) chúng tôi tạo ra đầu đọc với nhiều chức năng. Ngoài ra sử dụng chíp trắng PSoC CY8C26443 (28 nó còn nhiều các tính năng nổi trội như chuyển pins, 16 Kbytes flash) để xây dựng chip đổi điệp áp, ghi mã thẻ và Flash, lập trình C, chuyên dụng đọc thẻ không tiếp xúc và nạp mã cho phép sử dụng nhiều các chức năng của thẻ, sơ đồ khối chức năng xem hình 4. chíp mà không cần thêm các linh kiện hỗ trợ Cấu hình Chíp Đọc thẻ được thiết kế như sau: Global Resource CPU_Clock 12_MHz 32K_Select Internal PLL_Mode Disable Sleep_Timer 8_Hz 24V1=24MHz/N 1 24V2=24V1/N 10 Analog Power SC On/Ref High Ref Mux (Vcc/2)+/-(Vcc/2) Op-Amp Bias High A_Buff_Power High SwichModePump ON VoltMonRange 5.0V VoltMonThreshold 92% Supply Voltage 5.0V Các khối sử chức năng sử dụng trong chíp • PWM8-ClockFilter: Phát tín hiệu tần số đọc thẻ 1MHz cho tụ của bộ lọc giải thông BPF- • PGA-Vref: Phát điện áp so sánh. Đưa ra 125KhZ. Vcc/2 để nâng tín hiệu lên mức TTL • CounterResult: Xác định độ rộng của • CMPPRG-Result: Bộ so sánh. xung. • PGA-BP: Khuếch đại đầu vào. Khuếch đại • CounterDetect: Xác định độ rộng của tín hiệu từ bộ điều chế trước khi lọc. xung trong đường bao biên độ, áp dụng cho • PGA-Result: khuếch đại sau lọc. Khuếch cơ chế phát hiện thẻ. đại tín hiệu đầu ra từ bộ lọc giải thông. • PWM125kHz: Phát tín hiệu sóng mang • BPF-125KhZ: Bộ lọc giải thông. Lọc tín 125 KHz. hiệu sóng mang 125 KHz , giữ lại hai tín • DigInv1-DigInv4: Khuếch đại tín hiệu 125 hiệu có tần số: 15.6 KHz (bit 0) và 12.5 KHz, cho dòng ra lớn hơn KHz (bit 1). Sau đây là cấu hình các chân (pin) của chip dọc thẻ: Name Port Select Drive Interrupt GPIO_0 P0[0] StdCPU Strong DisableInt Strap P0[1] StdCPU PullUp DisableInt Amplified P0[2] AnalogOutBuf_3 HighZ DisableInt Vpol P0[3] AnalogOutBuf_0 HighZ DisableInt Detect_In P0[4] StdCPU HighZ DisableInt PWM_1 P0[5] Global_OUT_5 Strong DisableInt PWM_2 P0[6] Global_OUT_6 Strong DisableInt Signal_In P0[7] AnalogInput HighZ DisableInt TxD P1[0] StdCPU Strong DisableInt GPIO_2 P1[1] StdCPU Strong DisableInt RxD P1[2] StdCPU PullUp DisableInt 5
PWM_3 P1[3] Global_OUT_3 Strong DisableInt PWM_4 P1[4] Global_OUT_4 Strong DisableInt PWM_5 P1[5] Global_OUT_5 Strong DisableInt PWM_6 P1[6] Global_OUT_6 Strong DisableInt GPIO_1 P1[7] StdCPU Strong DisableInt P2[0] P2[0] StdCPU HighZ DisableInt P2[1] P2[1] StdCPU HighZ DisableInt P2[2] P2[2] StdCPU HighZ DisableInt Select_Mode P2[3] StdCPU HighZ DisableInt P2[4] P2[4] StdCPU HighZ DisableInt P2[5] P2[5] StdCPU HighZ DisableInt P2[6] P2[6] StdCPU HighZ DisableInt P2[7] P2[7] StdCPU HighZ DisableInt 3.3. Các kết quả đạt được • Cổng truyền với PC: RS232 Trên cơ sở của chip đọc thẻ, chúng tôi • Đầu ra rơ le: lấy từ nguồn nuôi xây dựng thiết bị khoá đọc thẻ tiếp cận có các • Quản lý 700 thẻ chỉ tiêu kỹ thuật sau: • Chương trình K700T: Chương trình K700T là phần mềm giao • Kích thước: 85x80x25 mm diện của chương trình đọc nạp các mã thẻ cho • Trọng lượng: 150 g thiết bị khoá đọc thẻ tiếp cận K700T qua cổng • Nguồn nuôi: 9 - 15V DC RS-232 trên máy tính. • Dòng tiêu thụ: < 350 mA Hình 5 đã giới thiệu Thiết bị khoá đọc nạp thẻ tiếp cận K700T Hình 5: Thiết bị khoá đọc thẻ K700T 4. Kết luận Việc tạo được chip chuyên dụng đọc Lời cảm ơn: Chúng tôi chân thành cảm thẻ tiếp cận, tạo điều kiện cho các sản phẩm ơn Ông. Hồ Minh Chánh ở Công ty Itronic, của các hệ thống quản lý xâm thực (accsess Paris đã giúp đỡ và hỗ trợ chúng tôi trong quá control) của Việt Nam sẽ sớm hình thành mà trình phát triển chip đọc thẻ Proximity thiết bị khoá K700T là sản phẩm đầu tiên ứng 125kHz. dụng chip đọc thẻ của chúng tôi . Tài liệu tham khảo: Với ưu điểm gọn nhẹ, tiết kiệm năng [1] Tài liệu về chip PSoC CY8C26443 lượng, độ tin cậy cao, giá thành hạ so với thiết [2] PSoC Designer 4.0 bị nhập ngoại, nhưng tính năng tương đương, [3] Application note thiết bị K700T có khả năng ứng dụng rộng rãi [4] Tài liệu của Phillips về thẻ Proximity trong các lĩnh vực quản lý nhân sự, quản lý 125kHz người ra vào cơ quan, trong các nhà máy, xí nghiệp, công sở. Với sản phẩm thiết bị K700T, chúng tôi mong muốn đem đến cho khách hàng nhiều lợi ích trong bảo vệ và quản lý doanh nghiệp, cơ sở sản xuất, hỗ trợ công tác quản lý hiệu quả, góp phần tăng năng xuất lao động và giảm giá thành sản phẩm. 6