Tài liệu CÔNG NGHỆ PSoC VÀ CHẾ TẠO CHIP ĐỌC THẺ TIẾP CẬN doc

1 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 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 2 hợp 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. 3 La chn cụng ngh PSoC chỳng tụi xõy dng chip c th tip cn v trờn c s ca chip chỳng tụi xõy dng u c th tip cn. S h thng u c th tip cn bao gm: Thit b c th tip cn . Th tip cn vi cỏc mó s khỏc nhau Hỡnh 1 : Vớ d u c th lp ca ra vo lm khoỏ 3. Thit k chip c th tip cn 3.1. Nguyờn lý hot ng * Th tip cn ( Proximity Card ) Khi a th qua Đầu đọc thẻ nú tip nhn nng lng súng in t v phỏt tớn hiu mó tr li cho u c. Thit b c s kim tra mó s th, nu hp l (th ó ng kớ trong u c) thỡ bt ốn sỏng bỏo hiu, ng thi kích hoạt Rơ le và truyền mã thẻ về cho hệ thống khác qua chuẩn RS232. Đầu c th tip cn Hỡnh 3 gii thiu s nguyờn lý chc nng u c th tip cn. T s nguyờn lý chc nng trờn chỳng tụi s dng chip PSoC CY8C26443 28 chõn thit k. S mch ca PSoC gii thiu hỡnh 4. Tớn hiu cú tn s 125 KHz c khi module PWM phỏt ra. Nu khi ú cú th a li gn cun dõy c L, in trng ca tn s 125kHz i qua cun dõy th, sinh ra mt th hiu 2 u cun dõy th chip IC hot ng. Chip IC cng phỏt ra 1 tn s mang l 125kHz v cú mang s mó th theo nguyờn lý bin tn. LC s cng hng v in ỏp ny cú biờn cng hng cc i t C. ngun nng lng tiờu hao ớt nht, trong h thng c cú s dng c ch phỏt hin th. Trong trng thỏi ng, ch c th, tt c cỏc khi analog u tt. CPU ch ng (sleep) v c ht chu k 8 Hz, CPU dy lm vic phỏt xung 125 KHz. o tr vi biờn cho phộp, CPU phỏt hin cú th hay khụng (biờn gim khi a th vo gn cun dõy). Khi phỏt hin c th, PWM cho phộp phỏt ra xung vuụng vi tn s liờn tc 125 KHz v kớch hot cỏc khi analog. Lỳc ny th phỏt v mó s th, c iu tn trờn súng mang v cú biờn c nh, tớn hiu iu ch c tỏch bi diode. Sau khi c khuch i PGA lc gii thụng BPF tớn hiu tn s súng mang 125 KHz c lc bi b lc gii thụng BPF m a ra hai tn s hp l l 15.6 KHz (bit 0) v 12.5 KHz (bit 1). Kt qu tớn hiu analog c a qua b so sỏnh CMP v to thnh tớn hiu s CPU s tip tc x lý. Chng trỡnh gii mó cỏc tớn hiu s a v t CMP. Khi gii mó xong, CPU kim tra xem mó th ó ng kớ trong thit b cha, nu ỳng CPU phỏt lnh bt ốn LED v bt ly r le v truyn mó th qua cng RS232. Lỳc ny cỏc khi analog u tt, CPU ch th ra khi u c thỡ quay tr li trng thỏi ng v ch phỏt hin th. Cỏc khi chc nng chớnh ca thit b c thit k v ỳc trong mt chip chuyờn dng dựng cụng ngh to chip thụng minh PSoC ca hóng Cypress. Chip trắng dùng loại CY8C26443 có 28 chân. Hỡnh 3 gii thiu cỏc chc nng c bn ca chip c th c thit k. Th tip cn cú cu to gm 1 cun dõy th v 1 chip IC. C 2 c ộp vo 1 tm nha mng cú kớch thc: 83mm x 59mm x 0.9mm. Chip IC Cun dõy Hỡnh 2 : Th tip cn (Proximity Card) 4 Hỡnh 3: S nguyờn lý chc nng u c th tip cn. L C Hỡnh 4. S mch in t ca u c th 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 PGA-BP CMP PRG So sánh Rx8 MAX 232 PSoc Cy8c26443 1 4 PWM PGA CMP BPF PSoC Cy8c26443 5 3.2. 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 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 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: 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 6 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 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 . 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. 1 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