CÔNG NGHỆ PSoC VÀ CHẾ TẠO CHIP ĐỌC THẺ TIẾP CẬN
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...
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: [email protected]
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
