基于ENC28J60+AS3990的網(wǎng)絡(luò)UHF讀寫器設(shè)計
摘要： 為了實(shí)現(xiàn)超高頻（UHF）讀寫設(shè)備的遠(yuǎn)程實(shí)時交互功能，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(xiàn)了超高頻網(wǎng)絡(luò)讀寫器的軟硬件方案設(shè)計。在讀寫器上移植實(shí)時操作系統(tǒng)μC/OSII和輕量級IP協(xié)議LwIP,使讀寫器可以連入互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了讀寫參數(shù)遠(yuǎn)程配置和數(shù)據(jù)實(shí)時交互，滿足了快速發(fā)展的RFID產(chǎn)業(yè)對UHF讀寫器多樣性需求。
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(yīng)用帶來了契機(jī)。超高頻（UHF）讀寫系統(tǒng)憑借其讀取距離遠(yuǎn)、讀寫速度快、并發(fā)讀取標(biāo)簽數(shù)多、標(biāo)簽價格低廉等優(yōu)點(diǎn)，將成為RFID領(lǐng)域未來研究和發(fā)展的熱點(diǎn)。但目前國內(nèi)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(jī)操作模式。這些缺點(diǎn)限制了UHF讀寫器的大量使用，尤其是在物流這類需要遠(yuǎn)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(chǔ)，描述了基于網(wǎng)卡芯片ENC28J60的網(wǎng)絡(luò)讀寫器的硬件和軟件設(shè)計方案，使得讀寫器可以直接連入因特網(wǎng)，進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)獲取和參數(shù)配置，增強(qiáng)了UHF讀寫器的實(shí)用性。
1 硬件設(shè)計
讀寫器總體設(shè)計框架如圖1所示。主控制器采用基于ARM7TDMIS內(nèi)核的控制器LPC2138,該芯片具有32 KB的片內(nèi)SRAM和512 KB的片內(nèi)Flash存儲器。外部接口豐富，能夠很好地滿足讀寫器設(shè)計的要求。采用射頻芯片AS3990實(shí)現(xiàn)了ISO18000?6C（即EPC GEN2）協(xié)議中要求的標(biāo)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(biāo)簽的交互過程。ENC28J60是兼容IEEE802.3的10M以太網(wǎng)網(wǎng)卡芯片，它通過SPI口與控制芯片實(shí)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(shè)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(biāo)準(zhǔn)的專用射頻芯片。其內(nèi)部集成了接收電路、發(fā)送電路、協(xié)議轉(zhuǎn)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(shè)計。
AS3990可以通過并行接口或串行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(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(bǔ)償型石英晶體諧振器TCXO連接在OSCO引腳上，作為基準(zhǔn)振蕩器，這樣可以進(jìn)一步提高芯片的穩(wěn)定性。 由于AS3990內(nèi)部未集成功率放大器，所以需要外接功率放大器PA.當(dāng)使用外接PA模式時，經(jīng)AS3990調(diào)制后的射頻信號在RFONX和RFOPX輸出，兩路射頻信號經(jīng)過平衡/不平衡變換器轉(zhuǎn)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)過平衡/不平衡變換器轉(zhuǎn)換為兩路差分信號，AS3990內(nèi)部解調(diào)電路對兩路信號解調(diào)得到數(shù)據(jù)。 1.2 網(wǎng)卡芯片接口電路 ENC28J60是Microchip公司生產(chǎn)的28引腳獨(dú)立以太網(wǎng)控制器，它內(nèi)置了10 Mbps以太網(wǎng)物理層器件和介質(zhì)訪問控制器，符合IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)，特別適合于嵌入式設(shè)備的入網(wǎng)解決方案。ENC28J60通過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，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(wǎng)口座上。 圖3 網(wǎng)卡芯片接口電路 2 軟件設(shè)計 網(wǎng)絡(luò)讀寫器軟件設(shè)計包括μC/OSII移植、LwIP協(xié)議棧移植、網(wǎng)卡驅(qū)動程序和上層應(yīng)用程序的編寫4個部分。軟件設(shè)計整體框架如圖4所示。 圖4 軟件設(shè)計整體框架 2.1 μC/OSII移植 操作系統(tǒng)移植是LwIP協(xié)議棧移植和應(yīng)用程序編寫的基礎(chǔ)[3],其在LPC2138上的移植內(nèi)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(guān)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(guān)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(wù)的函數(shù)OSStartHighRdy、任務(wù)切換函數(shù)OSCtxSw、中斷級任務(wù)切換函數(shù)OSIntCtxSw、系統(tǒng)時鐘中斷服務(wù)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(nèi)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(nèi)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(qiáng)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(hù)函數(shù)用于開關(guān)中斷，定義結(jié)構(gòu)體封裝宏以避免編譯器地址自動對齊。LwIP的實(shí)現(xiàn)基于這樣一種機(jī)制，即上層協(xié)議已經(jīng)明確知道了下層所傳上來的數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，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(fù)制與緩沖。所以需定義結(jié)構(gòu)體封裝宏，禁止編譯器的地址自動對齊以防止數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)被打亂。 ③ 實(shí)現(xiàn)與信號量和郵箱操作相關(guān)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(shí)現(xiàn)上層應(yīng)用程序與協(xié)議棧間、下層硬件驅(qū)動與協(xié)議棧間的信息交互。這些函數(shù)可以通過調(diào)用μC/OSII提供的信號量、郵箱函數(shù)來實(shí)現(xiàn)。 ④ 實(shí)現(xiàn)一個與等待超時相關(guān)的函數(shù)sys_arch_timeouts.該函數(shù)能夠返回當(dāng)前協(xié)議棧超時事件鏈表的首地址。在初始化LwIP進(jìn)程時，會同時初始化一些超時事件，如ARP超時、TCP超時等，當(dāng)某些事件等待超時后，協(xié)議棧會自動調(diào)用一些超時處理函數(shù)作相關(guān)處理，以滿足TCP/IP協(xié)議棧的需求。 ⑤ 實(shí)現(xiàn)創(chuàng)建一個進(jìn)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(wǎng)卡驅(qū)動程序編寫 網(wǎng)卡芯片生產(chǎn)廠商一般都提供了豐富的驅(qū)動函數(shù)，對這些接口函數(shù)進(jìn)行相應(yīng)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(jié)構(gòu)，將發(fā)送的數(shù)據(jù)包封裝為芯片熟悉的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。發(fā)送數(shù)據(jù)包和接收數(shù)據(jù)包的函數(shù)需要被實(shí)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(yīng)用程序編寫 基于多任務(wù)環(huán)境，在讀寫器上創(chuàng)建兩個任務(wù)：一個為HTTP服務(wù)器任務(wù)，此時讀寫器可看作是一個網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，它可以響應(yīng)遠(yuǎn)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(yuǎn)程獲取讀寫器狀態(tài)；另一個為讀寫器的讀寫任務(wù)，此時讀寫器作為一個客戶端使用，它需要連接到遠(yuǎn)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(yīng)并進(jìn)行相關(guān)操作，最后返回操作結(jié)果或數(shù)據(jù)給服務(wù)器端。應(yīng)用程序流程如圖5所示。
圖5 應(yīng)用程序流程
結(jié)語
諸如電子商務(wù)、智能物流等需要大量使用電子標(biāo)簽的領(lǐng)域的興起，使得超高頻讀寫器在物聯(lián)網(wǎng)及RFID領(lǐng)域發(fā)揮出日趨重要的作用。目前國內(nèi)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(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通信。由于上位機(jī)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(yuǎn)程控制讀寫場合不再適用。另外，由于上位機(jī)硬件資源的限制，不可能實(shí)現(xiàn)對大量讀寫器的同時實(shí)時控制。本文基于射頻芯片AS3990和網(wǎng)卡芯片ENJ28C60提出的網(wǎng)絡(luò)UHF讀寫器能夠很好地解決上述問題，滿足目前RFID市場的需求。
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