引言
物聯網產業的興起為RFID技術的發展和廣泛應用帶來了契機。超高頻（UHF）讀寫系統憑借其讀取距離遠、讀寫速度快、并發讀取標簽數多、標簽價格低廉等優點，將成為RFID領域未來研究和發展的熱點。但目前國內市場上UHF讀寫器種類較少，接口單一，使用時難以摒棄傳統的讀寫器加PC機操作模式。這些缺點限制了UHF讀寫器的大量使用，尤其是在物流這類需要遠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，描述了基于網卡芯片ENC28J60的網絡讀寫器的硬件和軟件設計方案，使得讀寫器可以直接連入因特網，進行遠程數據獲取和參數配置，增強了UHF讀寫器的實用性。
1 硬件設計
讀寫器總體設計框架如圖1所示。主控制器采用基于ARM7TDMIS內核的控制器LPC2138,該芯片具有32 KB的片內SRAM和512 KB的片內Flash存儲器。外部接口豐富，能夠很好地滿足讀寫器設計的要求。采用射頻芯片AS3990實現了ISO180006C（即EPC GEN2）協議中要求的標簽交互，并為外部控制器提供兩種接口訪問方式。控制器只需發送簡單的控制和配置命令，AS3990即可完成與電子標簽的交互過程。ENC28J60是兼容IEEE802.3的10M以太網網卡芯片，它通過SPI口與控制芯片實現數據交換。電源模塊采用電源芯片EZ10853.3為各個模塊提供穩定的3.3 V直流供電。
圖1 讀寫器總體設計框架
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標準的專用射頻芯片。其內部集成了接收電路、發送電路、協議轉換單元、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計。
AS3990可以通過并行接口或串行SPI接口與主控制器LPC2138進行交互。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口的數據發送；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的溫度補償型石英晶體諧振器TCXO連接在OSCO引腳上，作為基準振蕩器，這樣可以進一步提高芯片的穩定性。
由于AS3990內部未集成功率放大器，所以需要外接功率放大器PA.當使用外接PA模式時，經AS3990調制后的射頻信號在RFONX和RFOPX輸出，兩路射頻信號經過平衡/不平衡變換器轉換為單路射頻信號后進入PA進行功率放大。AS3990的模擬輸出引腳DAC用于控制PA的增益。環形器用于將發送通路和接收通路隔離。同樣，接收到的射頻信號經過平衡/不平衡變換器轉換為兩路差分信號，AS3990內部解調電路對兩路信號解調得到數據。
1.2 網卡芯片接口電路
ENC28J60是Microchip公司生產的28引腳獨立以太網控制器，它內置了10 Mbps以太網物理層器件和介質訪問控制器，符合IEEE 802.3標準，特別適合于嵌入式設備的入網解決方案。ENC28J60通過SPI接口與控制器LPC2138交互，網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口座上。
圖3 網卡芯片接口電路
2 軟件設計
網絡讀寫器軟件設計包括μC/OSII移植、LwIP協議棧移植、網卡驅動程序和上層應用程序的編寫4個部分。軟件設計整體框架如圖4所示。
2.1 μC/OSII移植
操作系統移植是LwIP協議棧移植和應用程序編寫的基礎[3],其在LPC2138上的移植內容包括：
① 完成操作系統所需的基本配置和數據類型定義、開關中斷函數文件OS_CPU.H的編寫。
② 在文件OS_CPU.C完成堆棧初始化函數OSTaskStkInit（）函數，并根據自身需求編寫相關Hook函數。
③ 利用文件OS_CPU_A.S完成啟動最高優先級任務的函數OSStartHighRdy、任務切換函數OSCtxSw、中斷級任務切換函數OSIntCtxSw、系統時鐘中斷服務函數OSTickISR的編寫。
④ 初始化定時器0,為系統提供時鐘。
2.2 LwIP協議棧移植
① 完成LwIP協議內部使用的數據類型的定義，如u8_t、s8_t、u16_t、u32_t等。這樣使得協議棧內部使用的數據類型不再受移植平臺處理器和編譯器的影響，增強了協議棧的可移植性。移植時，根據編譯器和移植平臺事先定義好這些數據類型，定義如下：
typedef unsignedcharu8_t;//定義8位無符號整數
typedef signedchars8_t;//定義8位帶符號整數
typedef unsignedshortu16_t;//定義16位無符號整數
typedef signedshorts16_t;//定義16位帶符號整數
typedef unsignedintu32_t;//定義32位無符號整數
typedef signedints32_t;//定義32位帶符號整數
② 定義臨界區保護函數用于開關中斷，定義結構體封裝宏以避免編譯器地址自動對齊。LwIP的實現基于這樣一種機制，即上層協議已經明確知道了下層所傳上來的數據的結構特點，上層直接使用地址計算得到想要的數據，而避免了數據遞交時的復制與緩沖。所以需定義結構體封裝宏，禁止編譯器的地址自動對齊以防止數據結構被打亂。
③ 實現與信號量和郵箱操作相關的函數[5],比如建立、刪除、等待、釋放等。LwIP使用郵箱和信號量來實現上層應用程序與協議棧間、下層硬件驅動與協議棧間的信息交互。這些函數可以通過調用μC/OSII提供的信號量、郵箱函數來實現。
④ 實現一個與等待超時相關的函數sys_arch_timeouts.該函數能夠返回當前協議棧超時事件鏈表的首地址。在初始化LwIP進程時，會同時初始化一些超時事件，如ARP超時、TCP超時等，當某些事件等待超時后，協議棧會自動調用一些超時處理函數作相關處理，以滿足TCP/IP協議棧的需求。
⑤ 實現創建一個進程的函數，可以通過操作系統提供的OSTaskCreate函數完成。
2.3 網卡驅動程序編寫
網卡芯片生產廠商一般都提供了豐富的驅動函數，對這些接口函數進行相應的封裝，將接收到的數據包封裝為LwIP協議棧熟悉的數據結構，將發送的數據包封裝為芯片熟悉的數據結構。發送數據包和接收數據包的函數需要被實現。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 應用程序編寫
基于多任務環境，在讀寫器上創建兩個任務：一個為HTTP服務器任務，此時讀寫器可看作是一個網絡服務器，它可以響應遠程的瀏覽器連接請求，并返回Html數據至瀏覽器上，這樣就可以遠程獲取讀寫器狀態；另一個為讀寫器的讀寫任務，此時讀寫器作為一個客戶端使用，它需要連接到遠程的控制服務器，接收服務器的配置或控制命令，以響應并進行相關操作，最后返回操作結果或數據給服務器端。應用程序流程如圖5所示。
圖5 應用程序流程
結語
諸如電子商務、智能物流等需要大量使用電子標簽的領域的興起，使得超高頻讀寫器在物聯網及RFID領域發揮出日趨重要的作用。目前國內市場上出現了部分UHF讀寫器，這些讀寫器大都采用USB接口或串口實現與上位機的通信。由于上位機與讀寫器的距離有限，這就限制了UHF讀寫器的自由安裝，在某些遠程控制讀寫場合不再適用。另外，由于上位機硬件資源的限制，不可能實現對大量讀寫器的同時實時控制。本文基于射頻芯片AS3990和網卡芯片ENJ28C60提出的網絡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。