引言

物聯(lián)網產業(yè)的興起為RFID技術的發(fā)展和廣泛應用帶來了契機。超高頻（UHF）讀寫系統(tǒng)憑借其讀取距離遠、讀寫速度快、并發(fā)讀取標簽數(shù)多、標簽價格低廉等優(yōu)點，將成為RFID領域未來研究和發(fā)展的熱點。但目前國內市場上UHF讀寫器種類較少，接口單一，使用時難以摒棄傳統(tǒng)的讀寫器加PC機操作模式。這些缺點限制了UHF讀寫器的大量使用，尤其是在物流這類需要遠程物品識別和信息獲取的場合。本文以射頻識別芯片AS3990為基礎，描述了基于網卡芯片ENC28J60的網絡讀寫器的硬件和軟件設計方案，使得讀寫器可以直接連入因特網，進行遠程數(shù)據(jù)獲取和參數(shù)配置，增強了UHF讀寫器的實用性。

1  硬件設計

讀寫器總體設計框架如圖1所示。主控制器采用基于ARM7TDMIS內核的控制器LPC2138,該芯片具有32 KB的片內SRAM和512 KB的片內Flash存儲器。外部接口豐富，能夠很好地滿足讀寫器設計的要求。采用射頻芯片AS3990實現(xiàn)了ISO180006C（即EPC GEN2）協(xié)議中要求的標簽交互，并為外部控制器提供兩種接口訪問方式?？刂破髦恍璋l(fā)送簡單的控制和配置命令，AS3990即可完成與電子標簽的交互過程。ENC28J60是兼容IEEE802.3的10M以太網網卡芯片，它通過SPI口與控制芯片實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。電源模塊采用電源芯片EZ10853.3為各個模塊提供穩(wěn)定的3.3 V直流供電。

圖1  讀寫器總體設計框架

1.1  射頻芯片接口電路

AS3990是Microsystems公司研制的一款用于超高頻RFID讀寫器的符合ISO180006C標準的專用射頻芯片。其內部集成了接收電路、發(fā)送電路、協(xié)議轉換單元、控制接口等部分，用戶只需外接少量的射頻電路即可完成讀寫模塊的功能設計。

AS3990可以通過并行接口或串行SPI接口與主控制器LPC2138進行交互。射頻芯片接口電路如圖2所示。IO0~IO7用于并行接口，其中IO6和IO7也可用于SPI口的數(shù)據(jù)發(fā)送；引腳CLK作為SPI接口的時鐘線使用；EN引腳為AS3990的使能引腳；IRQ為AS3990中斷引腳。

圖2  射頻芯片接口電路

為了降低相位噪聲對讀寫性能的影響，電路中使用了外部壓控振蕩器（VCO）。VCO的輸出連接在EXT_IN引腳上。另一方面，AS3990通過CP腳控制壓控振蕩器。20 MHz的溫度補償型石英晶體諧振器TCXO連接在OSCO引腳上，作為基準振蕩器，這樣可以進一步提高芯片的穩(wěn)定性。

由于AS3990內部未集成功率放大器，所以需要外接功率放大器PA.當使用外接PA模式時，經AS3990調制后的射頻信號在RFONX和RFOPX輸出，兩路射頻信號經過平衡/不平衡變換器轉換為單路射頻信號后進入PA進行功率放大。AS3990的模擬輸出引腳DAC用于控制PA的增益。環(huán)形器用于將發(fā)送通路和接收通路隔離。同樣，接收到的射頻信號經過平衡/不平衡變換器轉換為兩路差分信號，AS3990內部解調電路對兩路信號解調得到數(shù)據(jù)。

1.2  網卡芯片接口電路

ENC28J60是Microchip公司生產的28引腳獨立以太網控制器，它內置了10 Mbps以太網物理層器件和介質訪問控制器，符合IEEE 802.3標準，特別適合于嵌入式設備的入網解決方案。ENC28J60通過SPI接口與控制器LPC2138交互，網卡芯片接口電路如圖3所示。SO、SI、SCK為SPI接口的3條總線，CS為ENC28J60的片選信號，中斷信號INT和WOL分別連接到主控制器的EINT3和EINT1上。芯片ENC28J60的2條差分接收引腳TPIN和2條差分發(fā)送引腳TPOUT外接在一個1:1脈沖變壓器上，脈沖變壓器輸出接至網口座上。

圖3  網卡芯片接口電路

2  軟件設計

網絡讀寫器軟件設計包括μC/OSII移植、LwIP協(xié)議棧移植、網卡驅動程序和上層應用程序的編寫4個部分。軟件設計整體框架如圖4所示。

2.1  μC/OSII移植

操作系統(tǒng)移植是LwIP協(xié)議棧移植和應用程序編寫的基礎[3],其在LPC2138上的移植內容包括：

① 完成操作系統(tǒng)所需的基本配置和數(shù)據(jù)類型定義、開關中斷函數(shù)文件OS_CPU.H的編寫。

② 在文件OS_CPU.C完成堆棧初始化函數(shù)OSTaskStkInit（）函數(shù)，并根據(jù)自身需求編寫相關Hook函數(shù)。

③ 利用文件OS_CPU_A.S完成啟動最高優(yōu)先級任務的函數(shù)OSStartHighRdy、任務切換函數(shù)OSCtxSw、中斷級任務切換函數(shù)OSIntCtxSw、系統(tǒng)時鐘中斷服務函數(shù)OSTickISR的編寫。

④ 初始化定時器0,為系統(tǒng)提供時鐘。

2.2  LwIP協(xié)議棧移植

① 完成LwIP協(xié)議內部使用的數(shù)據(jù)類型的定義，如u8_t、s8_t、u16_t、u32_t等。這樣使得協(xié)議棧內部使用的數(shù)據(jù)類型不再受移植平臺處理器和編譯器的影響，增強了協(xié)議棧的可移植性。移植時，根據(jù)編譯器和移植平臺事先定義好這些數(shù)據(jù)類型，定義如下：

typedef unsignedcharu8_t;//定義8位無符號整數(shù)

typedef signedchars8_t;//定義8位帶符號整數(shù)

typedef unsignedshortu16_t;//定義16位無符號整數(shù)

typedef signedshorts16_t;//定義16位帶符號整數(shù)

typedef unsignedintu32_t;//定義32位無符號整數(shù)

typedef signedints32_t;//定義32位帶符號整數(shù)

② 定義臨界區(qū)保護函數(shù)用于開關中斷，定義結構體封裝宏以避免編譯器地址自動對齊。LwIP的實現(xiàn)基于這樣一種機制，即上層協(xié)議已經明確知道了下層所傳上來的數(shù)據(jù)的結構特點，上層直接使用地址計算得到想要的數(shù)據(jù)，而避免了數(shù)據(jù)遞交時的復制與緩沖。所以需定義結構體封裝宏，禁止編譯器的地址自動對齊以防止數(shù)據(jù)結構被打亂。

③ 實現(xiàn)與信號量和郵箱操作相關的函數(shù)[5],比如建立、刪除、等待、釋放等。LwIP使用郵箱和信號量來實現(xiàn)上層應用程序與協(xié)議棧間、下層硬件驅動與協(xié)議棧間的信息交互。這些函數(shù)可以通過調用μC/OSII提供的信號量、郵箱函數(shù)來實現(xiàn)。

④ 實現(xiàn)一個與等待超時相關的函數(shù)sys_arch_timeouts.該函數(shù)能夠返回當前協(xié)議棧超時事件鏈表的首地址。在初始化LwIP進程時，會同時初始化一些超時事件，如ARP超時、TCP超時等，當某些事件等待超時后，協(xié)議棧會自動調用一些超時處理函數(shù)作相關處理，以滿足TCP/IP協(xié)議棧的需求。

⑤ 實現(xiàn)創(chuàng)建一個進程的函數(shù)，可以通過操作系統(tǒng)提供的OSTaskCreate函數(shù)完成。

2.3  網卡驅動程序編寫

網卡芯片生產廠商一般都提供了豐富的驅動函數(shù)，對這些接口函數(shù)進行相應的封裝，將接收到的數(shù)據(jù)包封裝為LwIP協(xié)議棧熟悉的數(shù)據(jù)結構，將發(fā)送的數(shù)據(jù)包封裝為芯片熟悉的數(shù)據(jù)結構。發(fā)送數(shù)據(jù)包和接收數(shù)據(jù)包的函數(shù)需要被實現(xiàn)。芯片與控制器LPC2138接口定義如下：

#defineSPI_SCK（0x01﹤﹤4） //P0.4

#defineSPI_MISO（0x01﹤﹤5） //P0.5

#defineSPI_MOSI（0x01﹤﹤6） //P0.6

#defineENC28J60_CS（0x01﹤﹤8） //P0.8

#defineENC28J60_INT（0x01﹤﹤9） //P0.9

2.4  應用程序編寫

基于多任務環(huán)境，在讀寫器上創(chuàng)建兩個任務：一個為HTTP服務器任務，此時讀寫器可看作是一個網絡服務器，它可以響應遠程的瀏覽器連接請求，并返回Html數(shù)據(jù)至瀏覽器上，這樣就可以遠程獲取讀寫器狀態(tài)；另一個為讀寫器的讀寫任務，此時讀寫器作為一個客戶端使用，它需要連接到遠程的控制服務器，接收服務器的配置或控制命令，以響應并進行相關操作，最后返回操作結果或數(shù)據(jù)給服務器端。應用程序流程如圖5所示。

圖5  應用程序流程

結語

諸如電子商務、智能物流等需要大量使用電子標簽的領域的興起，使得超高頻讀寫器在物聯(lián)網及RFID領域發(fā)揮出日趨重要的作用。目前國內市場上出現(xiàn)了部分UHF讀寫器，這些讀寫器大都采用USB接口或串口實現(xiàn)與上位機的通信。由于上位機與讀寫器的距離有限，這就限制了UHF讀寫器的自由安裝，在某些遠程控制讀寫場合不再適用。另外，由于上位機硬件資源的限制，不可能實現(xiàn)對大量讀寫器的同時實時控制。本文基于射頻芯片AS3990和網卡芯片ENJ28C60提出的網絡UHF讀寫器能夠很好地解決上述問題，滿足目前RFID市場的需求。