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.. Xuất phát từ thị trường tiềm năng đang phát triển này Viện Cô
Trang 1CÔNG 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
Hiện nay, công nghệ thẻ tiếp cận
(Proximity Card) đang được áp dụng rộng rãi
trong nhiều lĩnh vực trên thế giới như:
- Các hệ thống kiểm soát xâm thực (access
control) như kiểm soát người ra vào cơ
quan, bảo vệ việc sử dụng trái phép máy
tính, chương trình máy tính,
- Các hệ thống chấm công dùng thẻ
Proximity,
- Các hệ thống tự động dùng thẻ (đóng mở
cổng, xuất nhập vật tư, v v )
- Hệ thống quản lý nhân sự, hệ thống quản
lý kho xăng, hệ thống bán vé cầu đường
tự động, hệ thống đếm bao trong nhà máy
xi măng v.v
Tuy nhiên công nghệ này vẫn còn mới
mẻ và chưa ứng dụng nhiều trong đời sống,
sản xuất ở Việt Nam Hệ thống quản lý dùng
thẻ tiếp cận bao gồm máy tính và các thiết bị
đọc thẻ tự động tạo thành một hệ thống tin cậy,
an toàn, thuận lợi cho các nhà quản lý Nhưng
hệ thống nhập ngoại có giá thành đắt, bảo
hành, bảo trì hệ thống khó khăn và nhiều hệ
thống còn chưa phù hợp với các hệ thống quản
lý ở Việt Nam
Thẻ tiếp cận ngày càng thay thế thẻ từ
và mã vạch Thẻ từ dễ bị xước trong quá trình
sử dụng còn thẻ tiếp cận không tiếp xúc
(Proximity) có tuổi thọ rất cao do được chế tạo
đúc trong thẻ nhựa, không dùng pin và khi hoạt
động không tiếp xúc với đầu đọc Thẻ hoạt
động được bằng việc lấy năng lượng từ trường
được phát ra từ các đầu đọc Các hệ thống tự
động dùng thẻ Proximity hiện đang được nhập
vào Việt nam với giá thành đắt và với phần
mềm quản lý của nước ngoài với giao diện Anh
ngữ và theo cách quản lý nước ngoài không phù hợp với Việt nam Việc thay đổi chương trình thường gặp khó khăn vì các hãng sản xuất không cung cấp các thủ tục giao diện với các thiết bị đọc thẻ
Xuất phát từ thị trường tiềm năng đang phát triển này Viện Công nghệ thông tin đã nghiên cứu thiết kế phát triển và chế tạo thành công một chip thông minh cho việc đọc và nhận dạng các thẻ tiếp cận theo chuẩn ISO PROX làm cơ sở cho việc phát triển các hệ thống tự động sử dụng thẻ tiếp cận Proximity mang thương hiệu Việt Nam
2 Lựa chọn công nghệ thiết kế và tạo chip cho đầu đọc thẻ tiếp cận
Công nghệ tự động thiết kế để chế tạo các chip đã có bề dày hơn 20 năm phát triển và hiện đang quy tụ vào một số công nghệ nổi trội
là ASIC (Application Specific Integrated Circuit), FPGA (Field Programmable Gate Array) và CSoC (Configurable System on Chip) Các công nghệ này liên quan mật thiết với nhau và phát triển có tính thừa kế các ưu
điểm, khắc phục nhược điểm của nhau
Khác với công nghệ ASIC và FPGA thông thường chỉ cho phép tạo ra các IC riêng
lẻ, IC ngoại vi không có processor thì công nghệ CSoC là công nghệ cho phép tạo nên cả một hệ thống trong một chip bao gồm CPU, ROM, RAM các ngoại vi thời gian thực (như ADC, DAC, Counter, Timer, Digital I/O, cổng truyền thông ) và cho phép thay đổi cấu trúc phần cứng của chip trong quá trình hoạt động Như vậy công nghệ CSoC cho ta một
độ linh hoạt lớn trong việc phát triển thiết kế
và chế tạo chip thông minh chuyên dụng phù
Trang 2hợp với yêu cầu ứng dụng của sản phẩm
Cả tài nguyên phần cứng và phần mềm
của chip đều có thể dễ dàng thay đổi trong qúa
trình hoạt động hiện tại và phát triển mở rộng
chức năng sản phẩm trong tương lai
Công nghệ CSoC sẽ là một bước tiến
hoá của công nghệ thông tin, thoát khỏi các
ràng buộc của hệ máy tính cứng (Rigid
Computing Machine) sang thế hệ máy tính tự
thích nghi (Adaptive Computing Machine)
Công nghệ CSoC thực sự là một công nghệ ưu
việt hơn hẳn công nghệ ASIC và FPGA vì nó
tích hợp cả Processor và bộ nhớ RAM,
FLASH, cho phép ta lập trình các thuật xử lý
phức tạp một cách dễ dàng bằng ngôn ngữ C
hoặc ASSEMBLER So với các vi điều khiển
thông dụng như 8051, motorola 68HC908,
Microchip PIC16#73 có cấu trúc CPU và ngoại
vi cố định (fixed digital and analog penpherals)
thì các chip CSoC có khả năng mềm dẻo thích
ứng với đa dạng ứng dụng và nhất là khả năng
tái cấu hình (reconfigurable) tạo thành nhiều
loại chip có chức năng khác nhau trên một chip
ở những thời điểm khác nhau trong một ứng
dụng Ví dụ với chip PSoC của hãng Cypress
Micro System, ta có thể thiết kế cho nó thành
một chip điều khiển máy bán hàng tự động ở
ban ngày và đến 12 giờ đêm chip PSoC sẽ tự
tái cấu hình thành một modem và gửi các dữ
liệu (số hàng tồn trong máy, số tiền thu
được ) của máy bán hàng về trung tâm
Công nghệ tạo chip thông minh cho đo
lường và điều khiển trên cơ sở CSoC có tính
hiệu quả kinh tế, nhất là đối với các chip PSoC
của Cypress Micro System vì có khả năng xử
lý hỗn hợp dữ liệu tương tự và số Nó cho ta
khả năng phát triển các sản phẩm mới nhanh,
dễ dàng mở rộng các chức năng mới sau này
Công nghệ này cho nhiều giải pháp lựa chọn
và hỗ trợ cho đa dạng ứng dụng từ đo lường,
xử lý, điều khiển, truyền thông, kết nối mạng
trên cùng một chip với giá thành thấp Hệ
thống phần mềm hỗ trợ thiết kế chip PSoC
Designer của Cypress Micro System có đầy đủ
các chức năng thiết kế, xắp xếp các khối chức
năng, mô phỏng, lập trình C, tìm lỗi và nạp
chip hiện đại, có các module ứng dụng (user
module) phong phú giúp ta không phải lập
trình trên ngôn ngữ HDL (Hardware
Description Languages) vừa khó bao quát, vừa
không hiệu quả
Ngoài ra giá thành của các chip PSoC
trắng từ 1-5US$/chip rẻ hơn nhiều lần so với
các chip FPGA 30-150US$ Đây là một cơ hội
cho các doanh nghiệp và các nhóm say sưa
sáng tạo có thể đạt đến thành công lớn với các
sản phẩm độc đáo có các chip thông minh chứa
các ý tưởng sáng tạo, bí quyết của riêng mình
Xuất phát từ cách tiếp cận nêu trên
chúng tôi lựa chọn công nghệ CSoC
(Configurable System on Chip) mà cụ thể là công nghệ PSoC (Programmable System on Chip) của hãng Cypress Micro System làm công nghệ chủ chốt để phát triển các chip thông minh cho các sản phẩm đo lường và điều khiển với các lý do sau đây:
•So với công nghệ ASIC và FPGA, công nghệ CSoC cho phép tạo ra các chip có processor,
có khả năng lập trình các giải thuật phức tạp,
có thể xử lý đồng thời các tín hiệu số và tương
tự
•Trong số các hãng cung cấp công nghệ CSoC, thì công nghệ PSoC của Cypress Micro System phù hợp hơn cả cho đo lường và điều khiển do:
+ Là công nghệ mới (được bình chọn là công nghệ sáng tạo năm 2001) của thế giới và
được định hướng để phát triển các chip
thông minh cho các thiết bị đo lường và
điều khiển có số lượng lớn với giá thành
thấp
+ Là công nghệ đầu tiên trên thế giới cho phép tạo ra các chip có processor và khả năng xử lý đồng thời các tín hiệu tương tự,
số, truyền thông phong phú nhất trong các công nghệ CSoC hiện có (Mixed-Signal Device) Các giải pháp Processor+FPGA của các hãng Altera hoặc Xilinx và các hãng khác chỉ có thể cho phép ta tạo ra
được các chip số có Processor (Digital IC)
hoặc với một số chức năng Analog cố
định
+ Là công nghệ có chức năng nhân cứng (MAC) cho phép phát triển các thuật toán
xử lý nhanh như của các chip DSP (Digital Signal Processing)
+ Đầu tư cho các công cụ phát triển, hệ thống phần mềm thiết kế chip và các IP (Intellectual Properties) rẻ hơn nhiều lần
so với các công cụ phát triển và phần mềm thiết kế của FPGA
+ Giá thành của các chip PSoC trắng cho nghiên cứu phát triển và sản xuất loạt nhỏ, loạt lớn đều rẻ hơn nhiều lần so với các chip FPGA
+ Phương pháp thiết kế chip vượt ra khỏi các ràng buộc của các ngôn ngữ thiết kế mạch HDL phức tạp, kém hiệu quả mà áp dụng phương pháp lập trình mới theo khối chức năng ở mức cao nên thời gian thiết kế và chế tạo chip được rút ngắn đáng kể + Là một công nghệ tiên tiến ở nước ngoài nhưng lại rất phù hợp với trình độ nghiên cứu phát triển của Việt nam do có công cụ
hỗ trợ phát triển hiện đại giúp cho các cơ
sở của Việt nam dễ dàng nhanh chóng tạo
ra các sản phẩm mới của mình phục vụ thiết thực cho sản xuất và đời sống
Trang 3Lựa chọn cụng nghệ PSoC chỳng tụi xõy dựng
chip đọc thẻ tiếp cận và trờn cơ sở của chip
chỳng tụi xõy dựng đầu đọc thẻ tiếp cận
Sơ đồ hệ thống
Đầu đọc thẻ tiếp cận bao gồm:
• Thiết bị đọc thẻ tiếp cận
• Thẻ tiếp cận với cỏc mó số
khỏc nhau
Hỡnh 1 : Vớ dụ Đầu đọc thẻ lắp ở cửa ra vào để làm khoỏ
3 Thiết kế chip đọc thẻ tiếp cận
3.1 Nguyờn lý hoạt động
* Thẻ tiếp cận ( Proximity Card )
Khi đưa thẻ qua Đầu đọc thẻ nú tiếp nhận
năng lượng súng điện từ và phỏt tớn hiệu mó
trở lại cho đầu đọc Thiết bị đọc sẽ kiểm tra mó
số thẻ, nếu hợp lệ (thẻ đó đăng kớ trong đầu
đọc) thỡ bật đốn sỏng bỏo hiệu, đồng thời kích
hoạt Rơ le và truyền mã thẻ về cho hệ thống
khác qua chuẩn RS232
Đầu đọc thẻ tiếp cận
Hỡnh 3 giới thiệu sơ đồ nguyờn lý chức
năng Đầu đọc thẻ tiếp cận Từ sơ đồ nguyờn lý
chức năng trờn chỳng tụi sử dụng chip PSoC
CY8C26443 28 chõn để thiết kế Sơ đồ mạch
của PSoC giới thiệu ở hỡnh 4
Tớn hiệu cú tần số 125 KHz được khối
module PWM phỏt ra Nếu khi đú cú thẻ đưa
lại gần cuộn dõy đọc L, điện trường của tần số
125kHz đi qua cuộn dõy thẻ, sinh ra một thế
hiệu ở 2 đầu cuộn dõy thẻ đủ để chip IC hoạt
động Chip IC cũng phỏt ra 1 tần số mang là
125kHz và cú mang số mó thẻ theo nguyờn lý
biến tần LC sẽ cộng hưởng và điện ỏp này cú
biờn độ cộng hưởng cực đại ở tụ C
Để nguồn năng lượng tiờu hao ớt nhất,
trong hệ thống đọc cú sử dụng cơ chế phỏt hiện
thẻ Trong trạng thỏi ngủ, chờ đọc thẻ, tất cả
cỏc khối analog đều tắt CPU ở chế độ ngủ
(sleep) và cứ hết chu kỳ 8 Hz, CPU dậy làm
việc phỏt xung 125 KHz Đo độ trễ với biờn độ
cho phộp, CPU phỏt hiện cú thẻ hay khụng (biờn độ giảm khi đưa thẻ vào gần cuộn dõy) Khi phỏt hiện được thẻ, PWM cho phộp phỏt ra xung vuụng với tần số liờn tục 125 KHz và kớch hoạt cỏc khối analog Lỳc này thẻ phỏt về mó số thẻ, được điều tần trờn súng mang và cú biờn độ cố định, tớn hiệu điều chế
được tỏch bởi diode
Sau khi được khuếch đại PGA lọc giải thụng BPF tớn hiệu tần số súng mang 125 KHz
được lọc bởi bộ lọc giải thụng BPF mà đưa ra
hai tần số hợp lệ là 15.6 KHz (bit 0) và 12.5 KHz (bit 1) Kết quả tớn hiệu analog được đưa qua bộ so sỏnh CMP và tạo thành tớn hiệu số
để CPU sẽ tiếp tục xử lý
Chương trỡnh giải mó cỏc tớn hiệu số
đưa về từ CMP Khi giải mó xong, CPU kiểm
tra xem mó thẻ đó đăng kớ trong thiết bị chưa, nếu đỳng CPU phỏt lệnh bật đốn LED và bật lẫy rơ le và truyền mó thẻ qua cổng RS232 Lỳc này cỏc khối analog đều tắt, CPU chờ thẻ
ra khỏi đầu đọc thỡ quay trở lại trạng thỏi ngủ
và chờ phỏt hiện thẻ
Cỏc khối chức năng chớnh của thiết bị
được thiết kế và đỳc trong một chip chuyờn
dụng dựng cụng nghệ tạo chip thụng minh PSoC của hóng Cypress Chip trắng dùng loại
CY8C26443 có 28 chân Hỡnh 3 giới thiệu cỏc
chức năng cơ bản của chip đọc thẻ được thiết
kế
Thẻ tiếp cận cú cấu tạo gồm 1 cuộn dõy thẻ
và 1 chip IC Cả 2 được ộp vào 1 tấm nhựa
mỏng cú kớch thước: 83mm x 59mm x
0.9mm
Chip IC
Cuộn dõy Hỡnh 2 : Thẻ tiếp cận (Proximity Card)
Trang 4Hỡnh 3: Sơ đồ nguyờn lý chức năng Đầu đọc thẻ tiếp cận
L
C
Hỡnh 4 Sơ đồ mạch điện tử của đầu đọc thẻ
Tách
sóng
CPU
RAM FLASH
Và Phần Mềm
Rơ
le
Đèn LED
Tx8
Khuếch đại
Phát tín hiệu xung 125 KHz
PWM 125kHz DigInv1
DigInv2
DigInv3
DigInv4
Counter Result
Counter Detect Tách biên độ bao
Bộ đệm Vcc/2
BPF 125kHz
Khuếch đại
PGA-Result
Khuếch đại
Bộ lọc giải thông
PWM8-ClockFilter Clock
PGA-Vref
Điện áp So sánh
So sánh
Rx8
MAX
232
PSoc
Cy8c26443
1
4
PWM
PGA
CMP BPF
PSoC
Cy8c26443
Trang 53.2 Thông số của chip PSoC đọc thẻ tiếp
cận
Chíp trắng PSoC với các khối analog và
digital là một chíp lý tưởng để tích hợp chế
tạo ra đầu đọc với nhiều chức năng Ngoài ra
nó còn nhiều các tính năng nổi trội như chuyển
đổi điệp áp, ghi mã thẻ và Flash, lập trình C,
cho phép sử dụng nhiều các chức năng của
chíp mà không cần thêm các linh kiện hỗ trợ
bên ngoài Điều đó cho phép làm giảm giá thành, cũng như tăng tính ổn định của sản phẩm
Từ sơ đồ nguyên lý (hình 3) chúng tôi
sử dụng chíp trắng PSoC CY8C26443 (28 pins, 16 Kbytes flash) để xây dựng chip chuyên dụng đọc thẻ không tiếp xúc và nạp mã thẻ, sơ đồ khối chức năng xem hình 4
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
A_Buff_Power High SwichModePump ON VoltMonRange 5.0V VoltMonThreshold 92%
Supply Voltage 5.0V
Các khối sử chức năng sử dụng trong chíp
đọc thẻ
• PGA-Vref: Phát điện áp so sánh Đưa ra
Vcc/2 để nâng tín hiệu lên mức TTL
• CMPPRG-Result: Bộ so sánh
• PGA-BP: Khuếch đại đầu vào Khuếch đại
tín hiệu từ bộ điều chế trước khi lọc
• PGA-Result: khuếch đại sau lọc Khuếch
đại tín hiệu đầu ra từ bộ lọc giải thông
• BPF-125KhZ: Bộ lọc giải thông Lọc tín
hiệu sóng mang 125 KHz , giữ lại hai tín
hiệu có tần số: 15.6 KHz (bit 0) và 12.5
KHz (bit 1)
• PWM8-ClockFilter: Phát tín hiệu tần số 1MHz cho tụ của bộ lọc giải thông BPF-125KhZ
• CounterResult: Xác định độ rộng của xung
• CounterDetect: Xác định độ rộng của xung trong đường bao biên độ, áp dụng cho
cơ chế phát hiện thẻ
• PWM125kHz: Phát tín hiệu sóng mang
125 KHz
• DigInv1-DigInv4: Khuếch đại tín hiệu 125 KHz, cho dòng ra lớn hơn
Sau đây là cấu hình các chân (pin) của chip dọc thẻ:
Amplified P0[2] AnalogOutBuf_3 HighZ DisableInt
Trang 6PWM_3 P1[3] Global_OUT_3 Strong DisableInt
3.3 Các kết quả đạt được
Trên cơ sở của chip đọc thẻ, chúng tôi
xây dựng thiết bị khoá đọc thẻ tiếp cận có các
chỉ tiêu kỹ thuật sau:
• Kích thước: 85x80x25 mm
• Trọng lượng: 150 g
• Nguồn nuôi: 9 - 15V DC
• Dòng tiêu thụ: < 350 mA
• Cổng truyền với PC: RS232
• Đầu ra rơ le: lấy từ nguồn nuôi
• Quản lý 700 thẻ
• Chương trình K700T:
Chương trình K700T là phần mềm giao diện của chương trình đọc nạp các mã thẻ cho thiết bị khoá đọc thẻ tiếp cận K700T qua cổng RS-232 trên máy tính
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
thẻ tiếp cận, tạo điều kiện cho các sản phẩm
của các hệ thống quản lý xâm thực (accsess
control) của Việt Nam sẽ sớm hình thành mà
thiết bị khoá K700T là sản phẩm đầu tiên ứng
dụng chip đọc thẻ của chúng tôi
Với ưu điểm gọn nhẹ, tiết kiệm năng
lượng, độ tin cậy cao, giá thành hạ so với thiết
bị nhập ngoại, nhưng tính năng tương đương,
thiết bị K700T có khả năng ứng dụng rộng rãi
trong các lĩnh vực quản lý nhân sự, quản lý
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
Lời cảm ơn: Chúng tôi chân thành cảm
ơn Ông Hồ Minh Chánh ở Công ty Itronic,
Paris đã giúp đỡ và hỗ trợ chúng tôi trong quá trình phát triển chip đọc thẻ Proximity 125kHz
Tài liệu tham khảo:
[1] Tài liệu về chip PSoC CY8C26443 [2] PSoC Designer 4.0
[3] Application note [4] Tài liệu của Phillips về thẻ Proximity 125kHz
