基于校園卡的學(xué)生綜合成績管理系統(tǒng)設(shè)計

前言隨著科技的不斷發(fā)展以及計算機(jī)加速推廣普及，對非接觸式IC卡的使用已經(jīng)變得很普遍了，它在我們?nèi)粘Ｉ詈凸ぷ髦姓l(fā)揮著越來越重要的作用。非接觸式IC卡也稱為無觸點集成電路卡、射頻卡或非接觸式智能卡。非接觸式IC卡具通訊速率高的特點，不需要拔插的過程，在很短的時間內(nèi)就可以完成對卡片的操作，所以非接觸式IC卡非常適用于對交易速度要求高、刷卡人口比較集中的場合，如地鐵、高速公路的進(jìn)出口、門禁、公交等環(huán)境。目前，非接觸式IC卡在全國各個高校中已經(jīng)得到廣泛的使用，校園卡即為非接觸式IC卡。每個學(xué)生都有一張作為其身份標(biāo)識的校園卡，卡內(nèi)數(shù)據(jù)區(qū)不僅記錄了該學(xué)生的學(xué)號、姓名、班級等信息，還可以作為消費卡在校園內(nèi)進(jìn)行消費。而在學(xué)校的日常教學(xué)管理中，若能進(jìn)行借助校園卡來對學(xué)生的上課情況進(jìn)行考勤及計算學(xué)生綜合成績，就可以有效地地節(jié)約課堂考勤的時間，方便教師統(tǒng)計出勤率，高效教師的期末工作。本系統(tǒng)為基于校園卡的學(xué)生綜合成績管理系統(tǒng)設(shè)計，利用面向?qū)ο缶幊痰姆椒?，通過使用VisualStudio2010的平臺來搭建了處理和設(shè)置考勤下位機(jī)（單片機(jī)）的C#上位機(jī)軟件，其中設(shè)置了以下幾個功能：上下位機(jī)串口通信處理，啟動存卡/刷卡，界面的自定義，課程信息管理，學(xué)生基本信息管理，對下位機(jī)區(qū)域進(jìn)行初始化，對下位機(jī)進(jìn)行時間校正，考勤成績計算和綜合成績計算等。

2學(xué)生綜合成績管理系統(tǒng)設(shè)計2.1需求分析學(xué)生綜合成績作為考評學(xué)生一學(xué)期的表現(xiàn)的指標(biāo)，是校園學(xué)習(xí)生活中非常重要的一部分。學(xué)生綜合成績由多方面組成，主要包括期末考試成績和平時成績（多為考勤成績）及實驗成績（或作業(yè)成績）。但傳統(tǒng)的校園考勤方式，即點名方式不僅十分繁瑣低效，還會浪費寶貴的課堂時間。本系統(tǒng)就是為了有效解決這一難題而設(shè)計的。本系統(tǒng)通過下位機(jī)如實且準(zhǔn)確地記錄學(xué)生的出席情況，并且具備一個學(xué)期的長時間，大數(shù)據(jù)量的存儲，最多可以同時記錄四門課程每周兩次的考勤信息。任課老師可在任意時間將任何課程的考勤信息進(jìn)行匯總來查閱學(xué)生的日?？记谟涗?，該系統(tǒng)會將統(tǒng)計出來的曠課和遲到的情況作為基礎(chǔ)，按照教師的設(shè)置來計算平時成績給分以及最后的綜合成績。此舉可以大大簡化學(xué)生綜合成績管理的繁瑣性，提高教師的工作效率。2.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計根據(jù)對實際情況的分析，并考慮到教師的實際要求和軟件結(jié)構(gòu)的合理性，將本系統(tǒng)分為上位機(jī)和下位機(jī)兩部分軟件。上位軟件采用C#語言在VisualStudio2010平臺上，以一種友好界面的形式呈現(xiàn)出來，提升軟件的可操作性。其主要功能是發(fā)送指令來操控下位機(jī)各種功能，和接收下位機(jī)所采集的考勤數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)加以處理和統(tǒng)計，然后根據(jù)需要以EXCEL文件的形式輸出綜合成績列表。而下位機(jī)則是由STC12C5A32S2單片機(jī)為核心的開發(fā)板組成，主要完成考勤信息采集的工作，并具有數(shù)字鐘功能，數(shù)據(jù)存儲，數(shù)據(jù)串口傳輸?shù)裙δ埽瑫r有密碼保護(hù)機(jī)制用來保護(hù)下位機(jī)的數(shù)據(jù)安全。

2.2.1系統(tǒng)式樣圖設(shè)置信息設(shè)置信息上位機(jī)（計算機(jī)）上位機(jī)（計算機(jī)）下位機(jī)（單片機(jī)）導(dǎo)出校園卡采集信息傳送數(shù)據(jù)課程信息班級信息學(xué)號及卡號準(zhǔn)到、曠課、遲到次數(shù)考勤成績其他（實驗）成績（待錄入）期末成績（待錄入）綜合成績（自動計算）Excel文件

2.2.2主程序流程圖導(dǎo)出校園卡采集信息傳送數(shù)據(jù)課程信息班級信息學(xué)號及卡號準(zhǔn)到、曠課、遲到次數(shù)考勤成績其他（實驗）成績（待錄入）期末成績（待錄入）綜合成績（自動計算）Excel文件

3主程序設(shè)計3.1分模塊介紹本程序中使用了C#語言。C#是現(xiàn)今使用人數(shù)最多的語言之一，它是Microsoft公司所推出的一款一種面向?qū)ο蟮?、運行于.NETFramework之上的高級程序設(shè)計語言。C#在繼承了C和C++強(qiáng)大功能的同時，去掉了一些它們的復(fù)雜特性（例如沒有宏以及不允許多重繼承），并綜合了VB簡單的可視化操作和C++的高運行效率，具有強(qiáng)大的操作能力、優(yōu)雅的語法風(fēng)格、創(chuàng)新的語言特性等特點。面向?qū)ο笾械膶ο笾傅氖穷惖募?，而類的操作讓每個對象都能夠接收信息、處理數(shù)據(jù)和向其它對象發(fā)送信息，使得程序具有了很好的重用性、靈活性和擴(kuò)展性。在本程序中，分別創(chuàng)建了以下幾個類：Form1，ClassInfo、StudentInfo、Command、ReadDataAdapter、WriteDataAdapter、DisPlayInForm、ExcelOut等，來進(jìn)行信息的整合和數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換等操作。下面來具體介紹這些類的功用：Form1類：即與可視化界面對應(yīng)的類，負(fù)責(zé)傳送前臺數(shù)據(jù)至后臺，并顯示和處理后臺傳送過來的信息。ClassInfo類：存儲了所有與課程相關(guān)的信息，可以通過它來設(shè)置下位機(jī)的課程信息，也可以通過它來讀取上傳來的課程數(shù)據(jù)。StudentInfo類：存儲了與學(xué)生相關(guān)的信息，包括：學(xué)號，卡號，出勤情況（準(zhǔn)到次數(shù)，遲到次數(shù)，曠課次數(shù)）等。該類是用來將下位機(jī)上傳的數(shù)據(jù)分配到每一個學(xué)生中，并可以用來計算該學(xué)生的考勤狀況。Command類：存儲了所有上位機(jī)發(fā)出的主機(jī)命令，調(diào)用它來生成和使用各個命令。ReadDataAdapter類：上傳數(shù)據(jù)適配器，通過比較起始位、校驗位等信息確保下位機(jī)上傳的數(shù)據(jù)正確，并要將上傳的大量數(shù)據(jù)正確地匹配到課程信息和各個學(xué)生的信息中去。WriteDataAdapter類：寫入數(shù)據(jù)適配器，將想要發(fā)送給下位機(jī)的數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)化成通信協(xié)議規(guī)定的格式，為其加上起始位、校驗位、結(jié)束位等信息。DisPlayInForm類：將詳細(xì)的課程信息及學(xué)生基本考勤數(shù)據(jù)以DataGirdView表格的形式顯示在From中去。ExcelOut類：將DataGirdView表格中的數(shù)據(jù)，一對一的在Excel中輸出，并進(jìn)行一定的格式布局以及數(shù)據(jù)計算。這些類的創(chuàng)建，使得程序中大量的數(shù)據(jù)操作變得直觀而簡單，也使得程序的可讀性和擴(kuò)展性增強(qiáng)，展示出了面向?qū)ο蟮木幊痰膬?yōu)勢。3.2C#串口程序介紹現(xiàn)在大多數(shù)便攜式硬件設(shè)備均采用串口技術(shù)與計算機(jī)相連，因此串口的應(yīng)用程序開發(fā)越來越普遍。例如，在計算機(jī)如果沒有安裝網(wǎng)卡，若將本機(jī)上的一些信息數(shù)據(jù)傳輸?shù)礁浇牧硪慌_計算機(jī)上，那么完全可以利用計算機(jī)上的串口通信來實現(xiàn)。上位機(jī)的程序設(shè)計主要通過調(diào)用VisualStudio2010C#的SerialPort(串行通信控件)來實現(xiàn)，SerialPort類主要實現(xiàn)串口數(shù)據(jù)通信等。下面主要介紹上位機(jī)程序中使用到該類的主要屬性和方法。所用參數(shù) 參數(shù)說明ReadBufferSize 設(shè)置或獲取讀緩存區(qū)的大小，默認(rèn)為4KBaudRate 獲取或設(shè)置串行波特率BytesToRead 獲取接收緩沖區(qū)中數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)BytesToWrite 獲取發(fā)送緩沖區(qū)中數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)DataBits 獲取或設(shè)置每個字節(jié)的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)位長度IsOpen 獲取一個值，指示SerialPort對象的開或關(guān)狀態(tài)Parity 獲取或設(shè)置奇偶校驗檢查協(xié)議PortName 設(shè)置通信端口，包括但不限于所有可用的COM端口ReadTimeout 獲取或設(shè)置讀取操作未完成時發(fā)生超時之前的毫秒數(shù)ReceivedBytesThreshold獲取或設(shè)置DataReceived事件發(fā)生前內(nèi)部輸入緩沖區(qū)中的字節(jié)數(shù)StopBits 獲取或設(shè)置每個字節(jié)的標(biāo)準(zhǔn)停止位數(shù)WriteBufferSize 獲取或設(shè)置串行端口輸出緩沖區(qū)的大小、所用方法 方法說明Close 關(guān)閉端口連接，并釋放對象內(nèi)部Stream對象Open 建立一個新的串口連接Read 從SerialPort對象的輸入緩存中讀取數(shù)據(jù)Write 已重載。將數(shù)據(jù)寫入串口的輸出緩沖區(qū)在Microsoft公司的VisualStudio2010當(dāng)中，提供了SerialPort類的功能，可以十分方便地使用串口通信。在本系統(tǒng)中，PC機(jī)主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的接受、處理和存儲，在接受完數(shù)據(jù)的同時，對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，直接統(tǒng)計出考勤結(jié)果，并按一定的方式保存在EXCEL中，并計算出學(xué)生的考勤成績和綜合成績，為任課教師省去了繁瑣的學(xué)生綜合成績計算的工作。而下位機(jī)，也就是單片機(jī)，只負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集的工作，然后用串口通訊的方式將數(shù)據(jù)上傳給PC上位機(jī)。在上位機(jī)的程序設(shè)計當(dāng)中，最關(guān)鍵的地方就是如何進(jìn)行PC機(jī)與單片機(jī)的通信，即如何將單片機(jī)上的數(shù)據(jù)傳送到PC上位機(jī)，以及如何處理從單片機(jī)上接受到的數(shù)據(jù)。為了上位機(jī)軟件程序使用的友好性，本系統(tǒng)中使用了VisualStudio2010中的From這一界面開發(fā)工具來進(jìn)行界面設(shè)置和編輯，并通過調(diào)用其中的SerialPort類來處理串口通信的問題。SerialPort類提供了強(qiáng)大的串口設(shè)置功能，通過它可以方便的使用計算機(jī)與下位機(jī)之間的串口通信功能。3.3程序效果圖以下圖1～圖5為本設(shè)計的程序效果圖：圖1Tab1的界面顯示【主要功能】：1. 串口設(shè)置1)默認(rèn)設(shè)置連接2)高級設(shè)置連接2. 基礎(chǔ)操作：1)對下位機(jī)操作：a.啟動刷卡b.啟動存卡c.設(shè)置時間d.初始化區(qū)域；2)界面操作：a.更換壁紙b.更換背景色c.設(shè)置字體；3. 課程信息設(shè)置圖2Tab2界面顯示【主要功能】：1.讀取數(shù)據(jù)2.寫入數(shù)據(jù)3.導(dǎo)出Excel圖3讀取數(shù)據(jù)功能圖4Excel導(dǎo)出文件示例1圖5Excel導(dǎo)出文件示例24.1下位機(jī)硬件構(gòu)成4.1.1液晶顯示圖6液晶顯示圖7液晶原理圖在本考勤系統(tǒng)中，由于需要顯示的信息較多，也較為復(fù)雜，簡單的七段數(shù)碼管只能顯示數(shù)字和少量字符，功能往往受到局限，對于較復(fù)雜的字符或圖形則無能為力，這遠(yuǎn)不能滿足人機(jī)交互顯示界面的要求。而液晶顯示模塊則是一種低功耗、低損耗顯示器件，它不僅僅可以顯示各式各樣的字符、漢字和圖形，而且方便與單片機(jī)對接。4.1.2刷卡模塊圖8刷卡模塊及其原理圖非接觸式IC卡讀寫器將需要發(fā)送的信息經(jīng)編碼后加載到一個固定頻率的載波上，卡片內(nèi)有一個諧振電路，其頻率與讀寫器發(fā)送的載波頻率相同，當(dāng)非接觸式IC卡進(jìn)入讀寫器的工作區(qū)域后，諧振電路產(chǎn)生共振并產(chǎn)生電荷積累，當(dāng)電荷積累到一定數(shù)值時，就能為卡內(nèi)的電路提供工組電壓、復(fù)位信號、系統(tǒng)時鐘，讀寫器發(fā)送的數(shù)據(jù)信息經(jīng)過卡內(nèi)射頻接口模塊解碼，由控制單元來判斷這些信息的要求和合理性，然后進(jìn)行處理，最終決定是否對EEPROM內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行改寫或輸出。4.1.3串口模塊（RS232-USB模塊）圖9串口模塊原理圖根據(jù)實際的情況，綜合便利性以及成本的考慮，這里采用PL2303HX芯片為核心轉(zhuǎn)換電路，不僅合理地解決了單片機(jī)與上位機(jī)數(shù)據(jù)傳遞的問題，避免了使用串口數(shù)據(jù)線的不便，還額外為整個板子提供電源，省去了電源適配器的成本。PL2303HX是一種高度集成的RS232-USB接口轉(zhuǎn)換器，可提供一個RS232全雙工異步串行通信裝置與USB功能接口便利聯(lián)接的解決方案。該器件內(nèi)置USB功能控制器、USB收發(fā)器、振蕩器和帶有全部調(diào)制解調(diào)器控制信號的UART，只需外接幾只電容就可實現(xiàn)USB信號與RS232信號的轉(zhuǎn)換，能夠方便嵌入到手持設(shè)備。該器件作為USB／RS232雙向轉(zhuǎn)換器，一方面從主機(jī)接收USB數(shù)據(jù)并將其轉(zhuǎn)換為RS232信息流格式發(fā)送給外設(shè)；另一方面從RS232外設(shè)接收數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為USB數(shù)據(jù)格式傳送回主機(jī)。通過利用USB塊傳輸模式，利用龐大的數(shù)據(jù)緩沖器和自動流量控制，PL2303HX能夠?qū)崿F(xiàn)比傳統(tǒng)的UART（通用異步收發(fā)器）端口更高的吞吐量,高達(dá)115200bps的波特率可用于更高的性能使用。4.1.4按鍵模塊圖10按鍵模塊原理圖為了提高單片機(jī)I/O口的使用效率，這里利用STC單片機(jī)本身所具有的AD轉(zhuǎn)換功能，采用上圖所示特殊的并聯(lián)方式來設(shè)計按鍵。這里的AD轉(zhuǎn)換模塊擁有30萬次/秒的轉(zhuǎn)換速度，最高精度可以達(dá)到10位，在5V的工作電壓下，最小精度可以達(dá)到0.005V。而本電路各按鍵的所對應(yīng)的電壓分別為：1.064V,0.532V,0.355,0.266V,0.213V,0.177V,最小間隔為0.036V，大于AD模塊的最小可分辨的電壓，這種設(shè)計模式在只占用一個端口的情況下，可以使用六個按鍵，節(jié)約了單片機(jī)的資源，節(jié)省了成本。4.2上下位機(jī)通信協(xié)議4.2.1幀發(fā)送幀：起始位地址命令字長度N12…N校驗1校驗1結(jié)束位0xaa012個字節(jié)CS1CS20xee接收幀：起始位地址命令字狀態(tài)長度N12…N校驗1校驗2結(jié)束位0xaa012個字節(jié)CS1CS20xee說明：長度N：命令為A,B,C,D時，長度為0，一次讀全部扇區(qū)；命令為E,F,G,H時，長度為18，校驗1：從“地址”開始至”N”字節(jié)相異或后取反；校驗2：從“地址”開始至”N”字節(jié)數(shù)據(jù)算術(shù)和4.2.2命令與狀態(tài)命令/狀態(tài)：主機(jī)給從機(jī)為命令，從機(jī)給主機(jī)是狀態(tài)（88-正常，其他為ER錯誤）；主機(jī)給從機(jī)命令有：命令A(yù)(0X41)：讀存儲區(qū)域1的信息，共5個扇區(qū)，一次讀5x512個字節(jié)，長度為0命令B(0X42)：讀存儲區(qū)域2的信息，共5個扇區(qū)，一次讀5x512個字節(jié)，長度為0命令C(0X43)：讀存儲區(qū)域3的信息，共9個扇區(qū)，一次讀9x512個字節(jié)，長度為0命令D(0X44)：讀存儲區(qū)域4的信息，共9個扇區(qū)，一次讀9x512個字節(jié)，長度為0命令E(0X45)：寫區(qū)域信息1信息，長度為18個字節(jié)，第19個字節(jié)由下位機(jī)改寫命令F(0X46)：寫區(qū)域信息2信息，長度為18個字節(jié)，第19個字節(jié)由下位機(jī)改寫命令G(0X47)：寫區(qū)域信息3信息，長度為18個字節(jié)，第19個字節(jié)由下位機(jī)改寫命令H(0X48)：寫區(qū)域信息4信息，長度為18個字節(jié)，第19個字節(jié)由下位機(jī)改寫命令I(lǐng)(0X49)：啟動刷卡，長度為0命令J(0X4A)：啟動存卡，長度為0命令K(0X4B)：初始化區(qū)域1，2，3，4。刪除卡號，課程信息及課程記錄。長度為1，后跟區(qū)域號命令L(0X4C)：設(shè)置時間，寫入DS1302中：順序為秒，分，時，日，月，星期，年；長度為7，按上述順序?qū)懭?。其中，區(qū)域（1,2,3,4）的意思是：第幾個512字節(jié)的位置，從0開始到4或0到8。4.2.3下位機(jī)EEPROM資源分配EEPROM（電可擦寫可編程只讀存儲器）是用戶可更改的只讀存儲器（ROM），其可通過高于普通電壓的作用來擦除和重編程（重寫）。不像EPROM芯片，EEPROM不需從計算機(jī)中取出即可修改。EEPROM的一種特殊形式是閃存，其應(yīng)用通常是個人電腦中的電壓來擦寫和重編程，可以擦寫100000次以上。作為學(xué)生綜合成績管理系統(tǒng)，其核心的功能就是考勤信息的采集。在多課程的考勤信息同時采集以及長達(dá)一個學(xué)期的工作后，勢必會收集到大量的考勤信息。如何在長達(dá)一個學(xué)期的時間中安全可靠地保存這些考勤信息是一個十分關(guān)鍵的問題。結(jié)合EEPROM可反復(fù)擦寫，大容量存儲以及掉電后數(shù)據(jù)部丟失的特點，最終采用了EEPROM來存儲這些考勤信息，有效地解決了這一難題。而本系統(tǒng)所使用的STC12C5A32S2這款單片機(jī)，其本身就內(nèi)置有EEPROM，這不僅可以節(jié)省片外資源，減小了成本，使用起來也會更加方便，這也是本考勤系統(tǒng)之所以采用這款單片機(jī)的原因之一。EEPROM資源分配：存儲區(qū)域1：000-9FF，共5x512存儲區(qū)域2：A00-13FF，共5x512存儲區(qū)域3：1400-25FF，共9x512存儲區(qū)域4：2600-37FF，共9x512存儲區(qū)域5：3800-49FF，共9x512為了在管理大量的考勤信息的同時，又不會過多占用單片機(jī)的資源。因此在考勤系統(tǒng)中，28K的EEPROM被劃分成5個區(qū)域，前4個區(qū)域分別存儲四門課程的考勤信息，而存儲區(qū)域5主要用來存儲漢字字庫等信息，這樣的設(shè)計可以大大簡化數(shù)據(jù)管理的復(fù)雜度，解放更多的單片機(jī)資源。一般情況下，課程每周會有一次或者兩次考勤，即其各自所需考勤信息的存儲大小不同?？紤]到這一實際情況，這4個區(qū)域被劃分成兩種大小，因此，我將區(qū)域1和2用來存儲每周考勤一次的課程，而其它2個區(qū)域中兩種課程都可以存儲?？记谛畔⒂蓛刹糠纸M成，分別是“卡號”和“學(xué)生到達(dá)教室時間與上課時間之差”，卡號由4個字節(jié)組成，而時間差是由1個有符號字節(jié)存儲，即每組信息共有5個字節(jié)。這樣的設(shè)計是考慮到EEPROM的資源緊張，為了提高其利用率，也是節(jié)約成本的方法。每個存儲區(qū)域的第一個扇區(qū)存放學(xué)生的卡號，現(xiàn)最多100個學(xué)生，每個卡號有4個字節(jié)，并且該扇區(qū)最后一個字節(jié)用來存儲該課程信息。5綜合成績管理5.1課程信息管理每個存儲區(qū)域的第一個扇區(qū)地址為：0511，其中480511放如下信息：480481482483484485486487488489490491492493494495學(xué)院年級專業(yè)班年度年度學(xué)期課程周次星期時分星期時分區(qū)域496497498499500501502503504505506507508509510511人數(shù)開關(guān)次數(shù)學(xué)院：1，2，3，4年級：10級為0X10,為8421BCD碼專業(yè)：1，2，3，4年度：10年為0X10,為8421BCD碼課程：1，2，3，4，5，6，7，8星期：1星期一，2星期二，………….6星期六，0星期天時/分：均為8421BCD碼人數(shù)：為16進(jìn)制數(shù)開關(guān)：開1，關(guān)0說明：496為學(xué)生人數(shù)，497為這門課是否開講，511為共上了幾次課，刷了幾次卡（每次刷卡自動加一）在本設(shè)計中，設(shè)置了讀取區(qū)域課程信息和寫入?yún)^(qū)域課程信息兩種功能。由于課程信息存儲在固定的位置，在讀取某區(qū)域信息時，程序?qū)⒆詣幼x出該區(qū)域的課程信息，并匹配到視圖表格中，方便老師統(tǒng)計。而在寫入?yún)^(qū)域課程信息時，只需要選擇畫面上的各個項目的下拉框中的選項，單擊寫入課程即可。5.2學(xué)生基本信息管理每個區(qū)域的地址0～400：存放學(xué)生的卡號，最多100個學(xué)生，每個卡號有4個字節(jié)，共占4x100=400字節(jié)。在讀取某區(qū)域信息時，程序會自動匹配該學(xué)生的基本信息（卡號）與該學(xué)生的簽到情況。5.3初始化管理每個區(qū)域的地址0～400：存放學(xué)生的卡號，最多100個學(xué)生，每個卡號有4個字節(jié)，共占4x100=400字節(jié)。本設(shè)計中可以通過上位機(jī)來對下位機(jī)某個區(qū)域進(jìn)行初始化，清楚該區(qū)域的課程信息，學(xué)生信息以及簽到情況等。5.4時間校正管理本設(shè)計中，可以通過