手持式RFID讀寫器網絡接口設計

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中的要求，開發了一種以MSP430F149單片機為核心的具有嵌入式以太網網絡接口的手持式RFID讀寫器。文中介紹RFID讀寫器中單片機與以太網控制器RTL8139組成的網絡接口設計方法，實現了手持式RFID讀寫器接入Internet網絡進行數據通信。

MSP430單片機;RFID讀寫器;網絡接口

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據可以通過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據傳送到遠程的計算機系統中，將便攜設備網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網進行網絡連接的網絡接口。另外，手持式RFID讀寫器是通過內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協議棧的處理方法。

1 網絡接口硬件結構

1.1 網絡接口

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

圖1 網絡接口框圖

根據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，可以滿足和以太網控制器的接口，而且能夠實現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以太網控制器作為網絡接口。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)/數據復用，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位數據線上;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公司生產的一種高度集成的全面支持IEEE802.3標準的以太網控制器芯片，支持微軟的PnP規范［3］。利用雙絞線可以和全雙工網絡交換機相連接，能夠同時接收和發送數據。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，收發可同時達到 100 Mbit·s－1的速率。

(4)支持32位數據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內部已經包含有整個網絡接口層的協議，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協議的數據即可。

圖2 RTL8139AS內部結構圖

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］為數據信號復用總線［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為總線命令和字節使能復用信號。地址期是總線命令，數據期是字節使能。IDSEL為初始化設備選擇信號。在參數配置讀寫傳輸期間，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數據準備好后可以用來向主控制器發出中斷。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，由于系統中，RTL8139是單一的PCI設備，因此該信號可以不用。

2 網絡接口軟件結構

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

圖3 網絡接口軟件流程圖

其中應用協議和其他用戶應用程序將在二次開發時根據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協議棧的實現方法。

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時序對以太網控制器進行操作。主要包括3個部分，網絡初始化，發送控制和接收控制。主要完成對CR，TCR，RCR IMR ISR，RBSTART，MAR 等寄存器操作。

發送控制過程在網絡中，幀傳輸的過程是發送方將待發送的數據按幀格式要求封裝成幀，然后同過網卡發送到網絡的傳輸線上。發送程序框圖如圖4所示。

圖4 RTL8139數據發送流程圖

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

2.2 TCP/IP協議棧

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

圖5 RTL8139數據接收流程圖

TCP/IP實質上是一系列協議的總稱，是實現Internet通訊必不可少的部分，包括十幾個協議標準，在這里要實現的是通過網絡讀取居民用表的讀數，傳輸的數據量少且對實時性要求不高，不需要全部的協議，只要實現幾個必備的即可，權衡之下，求在最小代碼、最小資源需求和功能實現間取得一個平衡:只實現了ICMP、TCP、IP、ARP 4 個協議，組成一個小型化的TCP/IP協議。因為任何一個以太網數據幀要發送時都必須要知道對方的物理地址，這能過 ARP協議獲得，所以要實現 ARP協議。而 IP協議是 TCP，ICMP協議數據的傳輸格式;TCP協議提供可靠的，可重組服務;而ICMP協議是調試時所不可缺少的。另外，在實現重發功能時，大多的做法是應用層不參與，當需要重發時，由TCP/IP協議把存儲在數據緩沖區的數據再發送一次即可，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，可以在需要重發時再由應用層產生這一幀數據即可，這無需太多的時間。這樣也不必每發送一幀數據都要存在緩沖區中以備重發時使用，進一步節省了RAM。

3 實驗結果及分析

將手持式RFID讀寫器通過網線連入局域網交換機，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，與電腦建立網絡連接。

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

圖7 綜合管理系統接收信息

由圖7可知，手持式RFID讀寫器將讀到的實驗卡信息，通過局域網交換機成功地傳輸到電腦的綜合管理系統當中，實現了網絡接口的功能。

4 結束語

設計的手持式RFID讀寫器網絡接口硬件采用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作為以太網控制器芯片，整個系統具有超低功耗等優點，實現了RFID讀寫器的網絡化功能，為提高產品的競爭力創造了條件。同時，網絡接口驅動程序及TCP/IP C語言進行開發，具有較好的可讀性和移植性，可以提高開發效率，縮短開發周期。

［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讀寫器組網及協調技術。