手持式RFID读写器网络接口设计

黄丽敏

(广西工学院电子信息与控制工程系，广西柳州 545006)

手持式RFID读写器网络接口设计

黄丽敏

(广西工学院电子信息与控制工程系，广西柳州 545006)

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。

MSP430单片机;RFID读写器;网络接口

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［1］。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［2］。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［3］。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 Unit Interface)自动侦测。支持IO地址全解码模式。其主要特性如下:

(1)符合 EthernetⅡ 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［4］。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ping 192.168.1.37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。

［1］郎为民.射频识别(RFID)技术原理与应用［M］.北京:机械工业出版社，2006.

［2］胡大可.MSP430系列FLASH型超低功耗单片机［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2001.

［3］沈建华，杨艳琴，翟骁曙.MSP430系列FLASH型超低功耗单片机实践与系统设计［M］.北京:清华大学出版社，2005.

［4］秦龙.MSP430单片机C语言应用程序设计实例精讲［M］.北京:电子工业出版社，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

广西教育厅面上基金资助项目(200911MS114);广西工学院自然科学基金项目(1166201)

黄丽敏(1982—)，女，本科，助教。研究方向:RFID应用技术RFID读写器组网及协调技术。