基于ENC28J60+AS3990的網(wǎng)絡(luò )UHF讀寫(xiě)器設計
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摘要： 為了實(shí)現超高頻（UHF）讀寫(xiě)設備的遠程實(shí)時(shí)交互功能，本文基于以太網(wǎng)網(wǎng)卡芯片ENC28J60和超高頻射頻識別芯片AS3990,利用LPC2138作為主控制器，實(shí)現了超高頻網(wǎng)絡(luò )讀寫(xiě)器的軟硬件方案設計。在讀寫(xiě)器上移植實(shí)時(shí)操作系統μC/OSII和輕量級IP協(xié)議LwIP,使讀寫(xiě)器可以連入互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現了讀寫(xiě)參數遠程配置和數據實(shí)時(shí)交互，滿(mǎn)足了快速發(fā)展的RFID產(chǎn)業(yè)對UHF讀寫(xiě)器多樣性需求。
本文引用地址：http://dyxdggzs.com/article/149984.htm引言
物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的興起為RFID技術(shù)的發(fā)展和廣泛應用帶來(lái)了契機。超高頻（UHF）讀寫(xiě)系統憑借其讀取距離遠、讀寫(xiě)速度快、并發(fā)讀取標簽數多、標簽價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，將成為RFID領(lǐng)域未來(lái)研究和發(fā)展的熱點(diǎn)。但目前國內市場(chǎng)上UHF讀寫(xiě)器種類(lèi)較少，接口單一，使用時(shí)難以摒棄傳統的讀寫(xiě)器加PC機操作模式。這些缺點(diǎn)限制了UHF讀寫(xiě)器的大量使用，尤其是在物流這類(lèi)需要遠程物品識別和信息獲取的場(chǎng)合。本文以射頻識別芯片AS3990為基礎，描述了基于網(wǎng)卡芯片ENC28J60的網(wǎng)絡(luò )讀寫(xiě)器的硬件和軟件設計方案，使得讀寫(xiě)器可以直接連入因特網(wǎng)，進(jìn)行遠程數據獲取和參數配置，增強了UHF讀寫(xiě)器的實(shí)用性。
1 硬件設計
讀寫(xiě)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(mǎn)足讀寫(xiě)器設計的要求。采用射頻芯片AS3990實(shí)現了ISO180006C（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(fǎng)問(wèn)方式?？刂破髦恍璋l(fā)送簡(jiǎn)單的控制和配置命令，AS3990即可完成與電子標簽的交互過(guò)程。ENC28J60是兼容IEEE802.3的10M以太網(wǎng)網(wǎng)卡芯片，它通過(guò)SPI口與控制芯片實(shí)現數據交換。電源模塊采用電源芯片EZ10853.3為各個(gè)模塊提供穩定的3.3 V直流供電。
圖1 讀寫(xiě)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(xiě)器的符合ISO180006C標準的專(zhuān)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(hù)只需外接少量的射頻電路即可完成讀寫(xiě)模塊的功能設計。
AS3990可以通過(guò)并行接口或串行SPI接口與主控制器LPC2138進(jìn)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口的數據發(fā)送；引腳CLK作為SPI接口的時(shí)鐘線(xiàn)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(xiě)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(guò)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(jìn)一步提高芯片的穩定性。 由于A(yíng)S3990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(shí)，經(jīng)AS3990調制后的射頻信號在RFONX和RFOPX輸出，兩路射頻信號經(jīng)過(guò)平衡/不平衡變換器轉換為單路射頻信號后進(jìn)入PA進(jìn)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(jīng)過(guò)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據。 1.2 網(wǎng)卡芯片接口電路 ENC28J60是Microchip公司生產(chǎn)的28引腳獨立以太網(wǎng)控制器，它內置了10 Mbps以太網(wǎng)物理層器件和介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制器，符合IEEE 802.3標準，特別適合于嵌入式設備的入網(wǎng)解決方案。ENC28J60通過(guò)SPI接口與控制器LPC2138交互，網(wǎng)卡芯片接口電路如圖3所示。SO、SI、SCK為SPI接口的3條總線(xiàn)，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(gè)1:1脈沖變壓器上，脈沖變壓器輸出接至網(wǎng)口座上。 圖3 網(wǎng)卡芯片接口電路 2 軟件設計 網(wǎng)絡(luò )讀寫(xiě)器軟件設計包括μC/OSII移植、LwIP協(xié)議棧移植、網(wǎng)卡驅動(dòng)程序和上層應用程序的編寫(xiě)4個(gè)部分。軟件設計整體框架如圖4所示。 圖4 軟件設計整體框架 2.1 μC/OSII移植 操作系統移植是LwIP協(xié)議棧移植和應用程序編寫(xiě)的基礎[3],其在LPC2138上的移植內容包括： ① 完成操作系統所需的基本配置和數據類(lèi)型定義、開(kāi)關(guān)中斷函數文件OS_CPU.H的編寫(xiě)。 ② 在文件OS_CPU.C完成堆棧初始化函數OSTaskStkInit（）函數，并根據自身需求編寫(xiě)相關(guān)Hook函數。 ③ 利用文件OS_CPU_A.S完成啟動(dòng)最高優(yōu)先級任務(wù)的函數OSStartHighRdy、任務(wù)切換函數OSCtxSw、中斷級任務(wù)切換函數OSIntCtxSw、系統時(shí)鐘中斷服務(wù)函數OSTickISR的編寫(xiě)。 ④ 初始化定時(shí)器0,為系統提供時(shí)鐘。 2.2 LwIP協(xié)議棧移植 ① 完成LwIP協(xié)議內部使用的數據類(lèi)型的定義，如u8_t、s8_t、u16_t、u32_t等。這樣使得協(xié)議棧內部使用的數據類(lèi)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(shí)，根據編譯器和移植平臺事先定義好這些數據類(lèi)型，定義如下： typedef unsignedcharu8_t;//定義8位無(wú)符號整數 typedef signedchars8_t;//定義8位帶符號整數 typedef unsignedshortu16_t;//定義16位無(wú)符號整數 typedef signedshorts16_t;//定義16位帶符號整數 typedef unsignedintu32_t;//定義32位無(wú)符號整數 typedef signedints32_t;//定義32位帶符號整數 ② 定義臨界區保護函數用于開(kāi)關(guān)中斷，定義結構體封裝宏以避免編譯器地址自動(dòng)對齊。LwIP的實(shí)現基于這樣一種機制，即上層協(xié)議已經(jīng)明確知道了下層所傳上來(lái)的數據的結構特點(diǎn)，上層直接使用地址計算得到想要的數據，而避免了數據遞交時(shí)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(dòng)對齊以防止數據結構被打亂。 ③ 實(shí)現與信號量和郵箱操作相關(guān)的函數[5],比如建立、刪除、等待、釋放等。LwIP使用郵箱和信號量來(lái)實(shí)現上層應用程序與協(xié)議棧間、下層硬件驅動(dòng)與協(xié)議棧間的信息交互。這些函數可以通過(guò)調用μC/OSII提供的信號量、郵箱函數來(lái)實(shí)現。 ④ 實(shí)現一個(gè)與等待超時(shí)相關(guān)的函數sys_arch_timeouts.該函數能夠返回當前協(xié)議棧超時(shí)事件鏈表的首地址。在初始化LwIP進(jìn)程時(shí)，會(huì )同時(shí)初始化一些超時(shí)事件，如ARP超時(shí)、TCP超時(shí)等，當某些事件等待超時(shí)后，協(xié)議棧會(huì )自動(dòng)調用一些超時(shí)處理函數作相關(guān)處理，以滿(mǎn)足TCP/IP協(xié)議棧的需求。 ⑤ 實(shí)現創(chuàng )建一個(gè)進(jìn)程的函數，可以通過(guò)操作系統提供的OSTaskCreate函數完成。 2.3 網(wǎng)卡驅動(dòng)程序編寫(xiě) 網(wǎng)卡芯片生產(chǎn)廠(chǎng)商一般都提供了豐富的驅動(dòng)函數，對這些接口函數進(jìn)行相應的封裝，將接收到的數據包封裝為L(cháng)wIP協(xié)議棧熟悉的數據結構，將發(fā)送的數據包封裝為芯片熟悉的數據結構。發(fā)送數據包和接收數據包的函數需要被實(shí)現。芯片與控制器LPC2138接口定義如下： #defineSPI_SCK（0x014） //P0.4 #defineSPI_MISO（0x015） //P0.5 #defineSPI_MOSI（0x016） //P0.6 #defineENC28J60_CS（0x018） //P0.8 #defineENC28J60_INT（0x019） //P0.9 2.4 應用程序編寫(xiě) 基于多任務(wù)環(huán)境，在讀寫(xiě)器上創(chuàng )建兩個(gè)任務(wù)：一個(gè)為HTTP服務(wù)器任務(wù)，此時(shí)讀寫(xiě)器可看作是一個(gè)網(wǎng)絡(luò )服務(wù)器，它可以響應遠程的瀏覽器連接請求，并返回Html數據至瀏覽器上，這樣就可以遠程獲取讀寫(xiě)器狀態(tài)；另一個(gè)為讀寫(xiě)器的讀寫(xiě)任務(wù)，此時(shí)讀寫(xiě)器作為一個(gè)客戶(hù)端使用，它需要連接到遠程的控制服務(wù)器，接收服務(wù)器的配置或控制命令，以響應并進(jìn)行相關(guān)操作，最后返回操作結果或數據給服務(wù)器端。應用程序流程如圖5所示。
圖5 應用程序流程
結語(yǔ)
諸如電子商務(wù)、智能物流等需要大量使用電子標簽的領(lǐng)域的興起，使得超高頻讀寫(xiě)器在物聯(lián)網(wǎng)及RFID領(lǐng)域發(fā)揮出日趨重要的作用。目前國內市場(chǎng)上出現了部分UHF讀寫(xiě)器，這些讀寫(xiě)器大都采用USB接口或串口實(shí)現與上位機的通信。由于上位機與讀寫(xiě)器的距離有限，這就限制了UHF讀寫(xiě)器的自由安裝，在某些遠程控制讀寫(xiě)場(chǎng)合不再適用。另外，由于上位機硬件資源的限制，不可能實(shí)現對大量讀寫(xiě)器的同時(shí)實(shí)時(shí)控制。本文基于射頻芯片AS3990和網(wǎng)卡芯片ENJ28C60提出的網(wǎng)絡(luò )UHF讀寫(xiě)器能夠很好地解決上述問(wèn)題，滿(mǎn)足目前RFID市場(chǎng)的需求。
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