手持式RFID读写器网络接口设计

摘要：为适应RFID 读写器在不同应用系统中的要求，开发了一种以MSP430F149 单片机为核心的具有嵌入式以太网网络接口的手持式RFID 读写器。文中介绍RFID 读写器中单片机与以太网控制器RTL8139 组成的网络接口设计方法，实现了手持式RFID 读写器接入Internet 网络进行数据通信。

　　RFID 技术目前广泛应用于身份识别、防伪应用、供应链应用、公共交通管理、物流管理、生产线自动化与过程控制、容器识别等领域。由于手持式RFID读写器的存储器容量有限，保存在读写器中的数据可以通过USB 等接口传送到计算机中进行处理，但为更方便快捷地将读写器中的数据传送到远程的计算机系统中，将便携设备网络化是解决上述问题的有效途径之一。但目前的手持式RIFD 读写器并不具备与互联网进行网络连接的网络接口。另外，手持式RFID 读写器是通过内部所装有的电池进行供电，所以降低其工作功耗也是主要问题之一。而MSP430F149 单片机是一款16 位超低功耗的处理芯片，它将多个不同功能的模拟电路，数字电路模块集成于一身，适合应用与需要电池供电的便携式仪器仪表中。

　　因此，文中主要介绍手持式RFID 读写器中MSP430F149 单片机与以太网控制器RTL8139 接口的硬件设计的方法，以及相应的硬件设备驱动程序的设计和TCP /IP 协议栈的处理方法。

　　1 网络接口硬件结构。

　　1. 1 网络接口

　　手持式RFID 读写器是便携式射频识别系统的主要设备，其网络接口主要由MSP430 单片机与以太网控制器RTL8139 块等组成。其网络接口硬件结构如图1 所示。

图1 网络接口框图

　　根据便携设备的低功耗要求，MSP430 单片机采用MSP430F149,具有超低功耗、强大处理能力、丰富片上外围模块及多种存储器形式等功能，其中有2 个具有中断功能的8 位并行端口P1与P2和4 个8 位的通用并行端口P3、P4、P5与P6,可以满足和以太网控制器的接口，而且能够实现RFID 读写器的其他接口功能。

　　隔离变压器选用PM34 - 1006M10 /100 /1000M 变压器。采用RTL8139 以太网控制器作为网络接口。

　　由于RTL8139 是PCI 总线接口，不能直接与8 位的MCU 接口，需要一个PCI 接口进行转接。单片机在进行外部存储器操作时采用的信号有P0口、P2口、ALE以及RD 和WR 信号。其中，P0口为地址（ 低8 位） /数据复用，P2口为高8 位地址信号； ALE 为地址锁存信号，为高电平时将P0口的值锁存到低8 位数据线上； RD 和WR 为读写有效信号，低电平有效。因此，PCI 接口实际上是起到一个从单片机读写时序到32位PCI 读写时序转换的作用。

　　1. 2 RTL8139 的结构及编程接口

　　RTL8139 是台湾Realtek 公司生产的一种高度集成的全面支持IEEE802. 3 标准的以太网控制器芯片，支持微软的PnP 规范。利用双绞线可以和全双工网络交换机相连接，能够同时接收和发送数据。支持UTP（ Unshielded Twisted Paired） ,AUI（ Attachment UnitInterface） 自动侦测。支持IO 地址全解码模式。其主要特性如下：

　　（ 1 ） 符合Ethernet Ⅱ 和IEEE802. 3 （ 10Base5,10Base2,10BaseT） 标准。

　　（ 2） 支持跳线和免跳线两种工作方式。

　　（ 3） 全双工，收发可同时达到100 Mbit·s - 1 的速率。

　　（ 4） 支持32 位数据PCI 总线。

　　（ 5） 允许3 个诊断LED 可编程输出。

　　（ 6） 128 脚LQFP 封装，缩小了PCB 尺寸。

　　如图2 所示，RTL8139 内部已经包含有整个网络接口层的协议，因此应用起来较简单。用户不必考虑链路控制问题，而只需考虑单片机如何从RTL8139 中去读TCP /IP 协议的数据即可。

图2 RTL8139AS 内部结构图

　　PCI 总线信号有3. 3 V 标准和5 V 标准，信号线众多，但并不是所有的PCI 设备都使用全部的PCI 接口信号，实际只使用需要的即可。RTL8139AS 以太网控制器遵循3 V 标准，并且只使用了PCI 总线信号中的以下部分： AD[31: 0]为数据信号复用总线。

　　FRAME 为帧周期信号，由当前主设备驱动，表示一次访问的开始和持续时间。IRDY 为主设备准备好信号。

　　TRDY 为从设备准备好信号。C /BE 为总线命令和字节使能复用信号。地址期是总线命令，数据期是字节使能。IDSEL 为初始化设备选择信号。在参数配置读写传输期间，用作片选。对于只有一个PCI 设备的情况，它可以总接高电平。RST 为复位信号。CLK 为系统时钟信号，频率范围DC ~ 33 MHz.以上信号都在CLK 的上升沿有效。INTA 为中断请求信号，RTL8139数据准备好后可以用来向主控制器发出中断。

　　DEVSEL 为设备选择信号，表明驱动它的设备已成当前访问的设备，由于系统中，RTL8139 是单一的PCI 设备，因此该信号可以不用。

　　2 网络接口软件结构

　　RFID 读写器系统网络接口软件主要包括硬件设备驱动程序、TCP /IP 协议栈、应用协议和其他用户应用程序。网络接口软件的流程如图3 所示。

图3 网络接口软件流程图。

　　其中应用协议和其他用户应用程序将在二次开发时根据RFID 读写器的具体功能要求进行设计，这里主要介绍硬件设备驱动程序、TCP /IP 协议栈的实现方法。

　　2. 1 硬件设备驱动程序

　　硬件设备驱动是将PCI 接口当作单片机的外部存储器看待，单片机以读写外部存储器的时序对PCI 接口进行读写，再由PCI 接口将这种读写操作时序转换成PCI 时序对以太网控制器进行操作。主要包括3 个部分，网络初始化，发送控制和接收控制。主要完成对CR,TCR,RCR IMR ISR,RBSTART,MAR 等寄存器操作。

　　发送控制过程在网络中，帧传输的过程是发送方将待发送的数据按帧格式要求封装成帧，然后同过网卡发送到网络的传输线上。发送程序框图如图4所示。

图4 RTL8139 数据发送流程图。

　　接收控制过程分成2 步，第1 步是根据哈稀算法判断数据包是否是本地的数据包，如果是则接收放入FIFO,如果FIFO 里的数据包达到了RCR 寄存器预先设定阈值，把数据报放入RX_BUFF.第2 步主机程序将RX_BUFF 里的数据读取到内存进行处理。

　　2. 2 TCP /IP 协议栈

　　如图5 所示，以太网控制器提供了逻辑链路层协议，TCP /IP 协议栈则通过底层的硬件设备驱动程序来接收和发送数据，对接收到的以太帧数据进行协议的分析，并给其上层应用提供一些简单、易用的函数。

图5 RTL8139 数据接收流程图。

　　TCP /IP 实质上是一系列协议的总称，是实现Internet通讯必不可少的部分，包括十几个协议标准，在这里要实现的是通过网络读取居民用表的读数，传输的数据量少且对实时性要求不高，不需要全部的协议，只要实现几个必备的即可，权衡之下，求在最小代码、最小资源需求和功能实现间取得一个平衡： 只实现了ICMP、TCP、IP、ARP 4 个协议，组成一个小型化的TCP /IP 协议。因为任何一个以太网数据帧要发送时都必须要知道对方的物理地址，这能过ARP 协议获得，所以要实现ARP 协议。而IP 协议是TCP, ICMP协议数据的传输格式； TCP 协议提供可靠的，可重组服务； 而ICMP 协议是调试时所不可缺少的。另外，在实现重发功能时，大多的做法是应用层不参与，当需要重发时，由TCP /IP 协议把存储在数据缓冲区的数据再发送一次即可，但在以单片机为主处理器的情况下，因为单片机自身的资源有限，为了减少RAM 的使用，可以在需要重发时再由应用层产生这一帧数据即可，这无需太多的时间。这样也不必每发送一帧数据都要存在缓冲区中以备重发时使用，进一步节省了RAM。

　　3 实验结果及分析

　　将手持式RFID 读写器通过网线连入局域网交换机，预先将读写器的IP 地址设置为192. 168. 1. 37,启动读写器、交换机及电脑，在电脑的命令终端输入ping192. 168. 1. 37 命令，其结果如图6 所示。

图6 RFID 连入局域网结果。

　　由图6 可知，手持式RFID 读写器已通过交换机成功连入局域网，与电脑建立网络连接。

　　在电脑中打开RFID 综合管理系统，将实验用RFID 卡放入手持式RFID 读写器后，综合管理系统读到信息如图7 所示。

图7 综合管理系统接收信息。

　　由图7 可知，手持式RFID 读写器将读到的实验卡信息，通过局域网交换机成功地传输到电脑的综合管理系统当中，实现了网络接口的功能。

　　4 结束语

　　设计的手持式RFID 读写器网络接口硬件采用MSP430F149 作为控制芯片，选用PM34 - 1 006M10 /100 /1 000M 变压器作为隔离变压器，以及全面支持IEEE802. 3 标准高度集成的RTL8139 作为以太网控制器芯片，整个系统具有超低功耗等优点，实现了RFID 读写器的网络化功能，为提高产品的竞争力创造了条件。同时，网络接口驱动程序及TCP /IP C 语言进行开发，具有较好的可读性和移植性，可以提高开发效率，缩短开发周期。