手持式RFID讀寫器網(wǎng)絡接口設計

黃麗敏

(廣西工學院電子信息與控制工程系，廣西柳州 545006)

手持式RFID讀寫器網(wǎng)絡接口設計

黃麗敏

(廣西工學院電子信息與控制工程系，廣西柳州 545006)

為適應RFID讀寫器在不同應用系統(tǒng)中的要求，開發(fā)了一種以MSP430F149單片機為核心的具有嵌入式以太網(wǎng)網(wǎng)絡接口的手持式RFID讀寫器。文中介紹RFID讀寫器中單片機與以太網(wǎng)控制器RTL8139組成的網(wǎng)絡接口設計方法，實現(xiàn)了手持式RFID讀寫器接入Internet網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)通信。

MSP430單片機;RFID讀寫器;網(wǎng)絡接口

RFID技術目前廣泛應用于身份識別、防偽應用、供應鏈應用、公共交通管理、物流管理、生產(chǎn)線自動化與過程控制、容器識別等領域［1］。由于手持式RFID讀寫器的存儲器容量有限，保存在讀寫器中的數(shù)據(jù)可以通過USB等接口傳送到計算機中進行處理，但為更方便快捷地將讀寫器中的數(shù)據(jù)傳送到遠程的計算機系統(tǒng)中，將便攜設備網(wǎng)絡化是解決上述問題的有效途徑之一。但目前的手持式RIFD讀寫器并不具備與互聯(lián)網(wǎng)進行網(wǎng)絡連接的網(wǎng)絡接口。另外，手持式RFID讀寫器是通過內(nèi)部所裝有的電池進行供電，所以降低其工作功耗也是主要問題之一。而MSP430F149單片機是一款16位超低功耗的處理芯片，它將多個不同功能的模擬電路，數(shù)字電路模塊集成于一身，適合應用與需要電池供電的便攜式儀器儀表中。

因此，文中主要介紹手持式 RFID讀寫器中MSP430F149單片機與以太網(wǎng)控制器RTL8139接口的硬件設計的方法，以及相應的硬件設備驅動程序的設計和TCP/IP協(xié)議棧的處理方法。

1 網(wǎng)絡接口硬件結構

1.1 網(wǎng)絡接口

手持式RFID讀寫器是便攜式射頻識別系統(tǒng)的主要設備，其網(wǎng)絡接口主要由MSP430單片機與以太網(wǎng)控制器RTL8139塊等組成［2］。其網(wǎng)絡接口硬件結構如圖1所示。

圖1 網(wǎng)絡接口框圖

根據(jù)便攜設備的低功耗要求，MSP430單片機采用MSP430F149，具有超低功耗、強大處理能力、豐富片上外圍模塊及多種存儲器形式等功能，其中有2個具有中斷功能的8位并行端口P1與P2和4個8位的通用并行端口 P3、P4、P5與 P6，可以滿足和以太網(wǎng)控制器的接口，而且能夠實現(xiàn)RFID讀寫器的其他接口功能。

隔離變壓器選用PM34－1006M10/100/1000M變壓器。采用RTL8139以太網(wǎng)控制器作為網(wǎng)絡接口。由于RTL8139是PCI總線接口，不能直接與8位的MCU接口，需要一個PCI接口進行轉接。單片機在進行外部存儲器操作時采用的信號有P0口、P2口、ALE以及RD和WR信號。其中，P0口為地址(低8位)/數(shù)據(jù)復用，P2口為高8位地址信號;ALE為地址鎖存信號，為高電平時將P0口的值鎖存到低8位數(shù)據(jù)線上;RD和WR為讀寫有效信號，低電平有效。因此，PCI接口實際上是起到一個從單片機讀寫時序到32位PCI讀寫時序轉換的作用。

1.2 RTL8139的結構及編程接口

RTL8139是臺灣Realtek公司生產(chǎn)的一種高度集成的全面支持IEEE802.3標準的以太網(wǎng)控制器芯片，支持微軟的PnP規(guī)范［3］。利用雙絞線可以和全雙工網(wǎng)絡交換機相連接，能夠同時接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。支持UTP(Unshielded Twisted Paired)，AUI(Attachment Unit Interface)自動偵測。支持IO地址全解碼模式。其主要特性如下:

(1)符合 EthernetⅡ 和 IEEE802.3(10Base5，10Base2，10BaseT)標準。

(2)支持跳線和免跳線兩種工作方式。

(3)全雙工，收發(fā)可同時達到 100 Mbit·s－1的速率。

(4)支持32位數(shù)據(jù)PCI總線。

(5)允許3個診斷LED可編程輸出。

(6)128腳LQFP封裝，縮小了PCB尺寸。

如圖2所示，RTL8139內(nèi)部已經(jīng)包含有整個網(wǎng)絡接口層的協(xié)議，因此應用起來較簡單。用戶不必考慮鏈路控制問題，而只需考慮單片機如何從RTL8139中去讀TCP/IP協(xié)議的數(shù)據(jù)即可。

圖2 RTL8139AS內(nèi)部結構圖

PCI總線信號有3.3 V標準和5 V標準，信號線眾多，但并不是所有的PCI設備都使用全部的PCI接口信號，實際只使用需要的即可。RTL8139AS以太網(wǎng)控制器遵循3 V標準，并且只使用了PCI總線信號中的以下部分:AD［31:0］為數(shù)據(jù)信號復用總線［4］。FRAME為幀周期信號，由當前主設備驅動，表示一次訪問的開始和持續(xù)時間。IRDY為主設備準備好信號。TRDY為從設備準備好信號。C/BE為總線命令和字節(jié)使能復用信號。地址期是總線命令，數(shù)據(jù)期是字節(jié)使能。IDSEL為初始化設備選擇信號。在參數(shù)配置讀寫傳輸期間，用作片選。對于只有一個PCI設備的情況，它可以總接高電平。RST為復位信號。CLK為系統(tǒng)時鐘信號，頻率范圍DC～33 MHz。以上信號都在CLK的上升沿有效。INTA為中斷請求信號，RTL8139數(shù)據(jù)準備好后可以用來向主控制器發(fā)出中斷。DEVSEL為設備選擇信號，表明驅動它的設備已成當前訪問的設備，由于系統(tǒng)中，RTL8139是單一的PCI設備，因此該信號可以不用。

2 網(wǎng)絡接口軟件結構

RFID讀寫器系統(tǒng)網(wǎng)絡接口軟件主要包括硬件設備驅動程序、TCP/IP協(xié)議棧、應用協(xié)議和其他用戶應用程序。網(wǎng)絡接口軟件的流程如圖3所示。

圖3 網(wǎng)絡接口軟件流程圖

其中應用協(xié)議和其他用戶應用程序將在二次開發(fā)時根據(jù)RFID讀寫器的具體功能要求進行設計，這里主要介紹硬件設備驅動程序、TCP/IP協(xié)議棧的實現(xiàn)方法。

2.1 硬件設備驅動程序

硬件設備驅動是將PCI接口當作單片機的外部存儲器看待，單片機以讀寫外部存儲器的時序對PCI接口進行讀寫，再由PCI接口將這種讀寫操作時序轉換成PCI時序對以太網(wǎng)控制器進行操作。主要包括3個部分，網(wǎng)絡初始化，發(fā)送控制和接收控制。主要完成對CR，TCR，RCR IMR ISR，RBSTART，MAR 等寄存器操作。

發(fā)送控制過程在網(wǎng)絡中，幀傳輸?shù)倪^程是發(fā)送方將待發(fā)送的數(shù)據(jù)按幀格式要求封裝成幀，然后同過網(wǎng)卡發(fā)送到網(wǎng)絡的傳輸線上。發(fā)送程序框圖如圖4所示。

圖4 RTL8139數(shù)據(jù)發(fā)送流程圖

接收控制過程分成2步，第1步是根據(jù)哈稀算法判斷數(shù)據(jù)包是否是本地的數(shù)據(jù)包，如果是則接收放入FIFO，如果FIFO里的數(shù)據(jù)包達到了RCR寄存器預先設定閾值，把數(shù)據(jù)報放入RX_BUFF。第2步主機程序將RX_BUFF里的數(shù)據(jù)讀取到內(nèi)存進行處理。

2.2 TCP/IP協(xié)議棧

如圖5所示，以太網(wǎng)控制器提供了邏輯鏈路層協(xié)議，TCP/IP協(xié)議棧則通過底層的硬件設備驅動程序來接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，對接收到的以太幀數(shù)據(jù)進行協(xié)議的分析，并給其上層應用提供一些簡單、易用的函數(shù)。

圖5 RTL8139數(shù)據(jù)接收流程圖

TCP/IP實質(zhì)上是一系列協(xié)議的總稱，是實現(xiàn)Internet通訊必不可少的部分，包括十幾個協(xié)議標準，在這里要實現(xiàn)的是通過網(wǎng)絡讀取居民用表的讀數(shù)，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量少且對實時性要求不高，不需要全部的協(xié)議，只要實現(xiàn)幾個必備的即可，權衡之下，求在最小代碼、最小資源需求和功能實現(xiàn)間取得一個平衡:只實現(xiàn)了ICMP、TCP、IP、ARP 4 個協(xié)議，組成一個小型化的TCP/IP協(xié)議。因為任何一個以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀要發(fā)送時都必須要知道對方的物理地址，這能過 ARP協(xié)議獲得，所以要實現(xiàn) ARP協(xié)議。而 IP協(xié)議是 TCP，ICMP協(xié)議數(shù)據(jù)的傳輸格式;TCP協(xié)議提供可靠的，可重組服務;而ICMP協(xié)議是調(diào)試時所不可缺少的。另外，在實現(xiàn)重發(fā)功能時，大多的做法是應用層不參與，當需要重發(fā)時，由TCP/IP協(xié)議把存儲在數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)再發(fā)送一次即可，但在以單片機為主處理器的情況下，因為單片機自身的資源有限，為了減少 RAM的使用，可以在需要重發(fā)時再由應用層產(chǎn)生這一幀數(shù)據(jù)即可，這無需太多的時間。這樣也不必每發(fā)送一幀數(shù)據(jù)都要存在緩沖區(qū)中以備重發(fā)時使用，進一步節(jié)省了RAM。

3 實驗結果及分析

將手持式RFID讀寫器通過網(wǎng)線連入局域網(wǎng)交換機，預先將讀寫器的IP地址設置為192.168.1.37，啟動讀寫器、交換機及電腦，在電腦的命令終端輸入ping 192.168.1.37命令，其結果如圖6所示。

圖6 RFID連入局域網(wǎng)結果

由圖6可知，手持式RFID讀寫器已通過交換機成功連入局域網(wǎng)，與電腦建立網(wǎng)絡連接。

在電腦中打開RFID綜合管理系統(tǒng)，將實驗用RFID卡放入手持式RFID讀寫器后，綜合管理系統(tǒng)讀到信息如圖7所示。

圖7 綜合管理系統(tǒng)接收信息

由圖7可知，手持式RFID讀寫器將讀到的實驗卡信息，通過局域網(wǎng)交換機成功地傳輸?shù)诫娔X的綜合管理系統(tǒng)當中，實現(xiàn)了網(wǎng)絡接口的功能。

4 結束語

設計的手持式RFID讀寫器網(wǎng)絡接口硬件采用MSP430F149作為控制芯片，選用PM34－1 006M10/100/1 000M變壓器作為隔離變壓器，以及全面支持IEEE802.3標準高度集成的 RTL8139作為以太網(wǎng)控制器芯片，整個系統(tǒng)具有超低功耗等優(yōu)點，實現(xiàn)了RFID讀寫器的網(wǎng)絡化功能，為提高產(chǎn)品的競爭力創(chuàng)造了條件。同時，網(wǎng)絡接口驅動程序及TCP/IP C語言進行開發(fā)，具有較好的可讀性和移植性，可以提高開發(fā)效率，縮短開發(fā)周期。

［1］郎為民.射頻識別(RFID)技術原理與應用［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2006.

［2］胡大可.MSP430系列FLASH型超低功耗單片機［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2001.

［3］沈建華，楊艷琴，翟驍曙.MSP430系列FLASH型超低功耗單片機實踐與系統(tǒng)設計［M］.北京:清華大學出版社，2005.

［4］秦龍.MSP430單片機C語言應用程序設計實例精講［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2006.

Design of the Handheld RFID Reader Network Interface

HUANG Limin
(Department of Electronic Information and Control Engineering，Guangxi University of Technology，Liuzhou 545006，China)

In order to meet the requirements of the RFID reader in different applications systems，this study develops a handheld RFID reader which has the MSP430F149 MCU as the core and has the embedded Ethernet network interface.This paper introduces the design method for the network interface in RFID reader which is constituted of MCU and the RTL8139 Ethernet controller，and achieves the handheld RFID reader's access to the internet network for data communications.

MSP430 MCU;RFID reader;network interface

TP360

A

1007－7820(2012)08－052－04

2012-03-28

廣西教育廳面上基金資助項目(200911MS114);廣西工學院自然科學基金項目(1166201)

黃麗敏(1982—)，女，本科，助教。研究方向:RFID應用技術RFID讀寫器組網(wǎng)及協(xié)調(diào)技術。