ENC28J60和AS3990的網(wǎng)絡(luò)UHF讀寫器設(shè)計(jì)

摘要：為了實(shí)現(xiàn)超高頻(UHF)讀寫設(shè)備的遠(yuǎn)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(shí)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(jì)。在讀寫器上移植實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC／OS-II和輕量級(jí)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(shí)交互，滿足了快速發(fā)展的RFID產(chǎn)業(yè)對(duì)UHF讀寫器多樣性需求。
關(guān)鍵詞：UHF讀寫器；以太網(wǎng)；LwIP；AS3990；ENC28J60；LPC2138

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(jià)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(shí)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(shí)別和信息獲取的場合。本文以射頻識(shí)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(jì)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(jì)
    讀寫器總體設(shè)計(jì)框架如圖1所示。主控制器采用基于ARM7TDMI-S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(chǔ)器。外部接口豐富，能夠很好地滿足讀寫器設(shè)計(jì)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EZ1085-3．3為各個(gè)模塊提供穩(wěn)定的3．3 V直流供電。

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ISO18000-6C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(jì)。

    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～I(xiàn)O7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(shí)鐘線使用；EN引腳為AS3990的使能引腳；IRQ為AS3990中斷引腳。
    為了降低相位噪聲對(duì)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(shí)，經(jīng)AS3990調(diào)制后的射頻信號(hào)在RFONX和RFOPX輸出，兩路射頻信號(hào)經(jīng)過平衡／不平衡變換器轉(zhuǎn)換為單路射頻信號(hào)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(hào)經(jīng)過平衡／不平衡變換器轉(zhuǎn)換為兩路差分信號(hào)，AS3990內(nèi)部解調(diào)電路對(duì)兩路信號(hào)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(hào)，中斷信號(hào)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。

2 軟件設(shè)計(jì)
    網(wǎng)絡(luò)讀寫器軟件設(shè)計(jì)包括μC／OS-Ⅱ移植、LwIP協(xié)議棧移植、網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)程序和上層應(yīng)用程序的編寫4個(gè)部分。軟件設(shè)計(jì)整體框架如圖4所示。

2．1 μC／OS-II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)，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)OSTask StkInit()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(dòng)最高優(yōu)先級(jí)任務(wù)的函數(shù)OSStartHighRdy、任務(wù)切換函數(shù)OSCtxSw、中斷級(jí)任務(wù)切換函數(shù)OSintCtxSw、系統(tǒng)時(shí)鐘中斷服務(wù)函數(shù)OSTickISR的編寫。
    ④初始化定時(shí)器0，為系統(tǒng)提供時(shí)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(tái)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(shí)，根據(jù)編譯器和移植平臺(tái)事先定義好這些數(shù)據(jù)類型，定義如下：
   
   
    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(dòng)對(duì)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(jì)算得到想要的數(shù)據(jù)，而避免了數(shù)據(jù)遞交時(shí)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(dòng)對(duì)齊以防止數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)被打亂。
    ③實(shí)現(xiàn)與信號(hào)量和郵箱操作相關(guān)的函數(shù)，比如建立、刪除、等待、釋放等。LwIP使用郵箱和信號(hào)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(dòng)與協(xié)議棧問的信息交互。這些函數(shù)可以通過調(diào)用μC／OS-II提供的信號(hào)量、郵箱函數(shù)來實(shí)現(xiàn)。
    ④實(shí)現(xiàn)一個(gè)與等待超時(shí)相關(guān)的函數(shù)sys_arcn_time-outs。該函數(shù)能夠返回當(dāng)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(dāng)某些事件等待超時(shí)后，協(xié)議棧會(huì)自動(dòng)調(diào)用一些超時(shí)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(gè)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(dòng)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(dòng)函數(shù)，對(duì)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：
   
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(gè)任務(wù)：一個(gè)為HTTP服務(wù)器任務(wù)，此時(shí)讀寫器可看作是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，它可以響應(yīng)遠(yuǎn)程的瀏覽器連接請(qǐng)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(gè)為讀寫器的讀寫任務(wù)，此時(shí)讀寫器作為一個(gè)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。

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(duì)大量讀寫器的同時(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讀寫器能夠很好地解決上述問題，滿足目前RFID市場的需求。