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:


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