《工业控制计算机》２００８年２１卷第１期基于ＣＣ２５００的ＲＦＩＤ网络控制器的设计乖ＤｅｓｉｇｎｏｆａｎＲＦｌＤＮｅｔｗＯｒｋＣｏｎｔｒＯＩＩｅｒＢａＳｅｄＯｎＣＣ２５００●张鼎程良伦（广东工业大学自动化学院，广东广州５１０００６）摘要提出了一种基于ＣＣ２５００射频收发芯片的低功耗２．４５ＧＨｚ有源ＲＦＩＤ控制器解决方案。结合ＣＣ２５００的空闲信道评估功能和时隙ＡＬＯＨＡ算法，更加有效地解决了多标签的识别问题。针对现有ＲＦｌＤ系统组网困难且成本较高的问题，采用ＥＮＣ２８Ｊ６０和精简ＴＣＰ／ＩＰ协议栈的方式，实现了ＲＦｆＤ控制器的以太网通信功能。关键词：只ＦＪＤ，ＴＣＰ／ＪＰ，ＣＣ２５００，ＥＮｃ２８Ｊ６０ＡｂＳｔｒａｃｔＴｈｉｓｐａｐｅｒｐｒｅｓｅｎｔｓａｄｅｓｉｇｎｍｅｔｈｏｄＯｆ２．４５ＧＨｚａｃｔｉｖｅ只ＦＩＤｎｅｔｗＯｒｋｃＯｎｔｒｏｆ｜ｅｒｂａｓｅｄＯｎＣＣ２５００．ＵｓｉｎｇｔｈｅＣＩｅａｒＣｈａｎｎｅｌＡｓｓｅｓｓｍｅｎｌ（ＣＣＡ）ｏｆＣＣ２５００ａｎｄｓＩｏｔｔｅｄＡＬＯＨＡ，ｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙｓｏＩＶｅｄｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｏｆｍｕＩｔｉ—ｌａｇｓｉｄｅｎｆ计ｉｃａｔｉｏｎｍｏｒｅｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ．ＴｈｅＲＦＩＤｃｏｎｔｒＯ“ｅｒ，ｗｈｉｃｈｉｓｅｍｂｅｄｄｅｄｗｉｔｈａｒｅｄｕｃｅｄＴＣＰ／ｆＰＳｔａｃｋａｎｄＥＮＣ２８Ｊ６０，ｃＯｕＩｄｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｅｗ猹ｈｓｅｒｖｅｒｖｉａＥｌｈｅｒｎｅｔ．ＫｅｙＷｏｒｄｓ：ＲＦＪＤ，ＴＣＰ／咿ＣＣ２５００，ＥＮＣ２８Ｊ６０本文所设计的ＲＦＩＤ控制器采用低成本２．４５ＧＨｚ有源和标签的硬件组成方框图如图１所示。ＲＦＩＤ技术方案。与无源ＲＦＩＤ系统相比，有源ＲＦｉＤ更像一个小的无线通信系统，其最重要的特征是标签通信所需的能量由内置的电池供应。在标签内部有一个专用射频收发芯片，因此可以支持远距离信号传输，能够取得更稳定的系统性能。１ＲＦＩＤ控制器系统硬件组成ＲＦＩＤ控制器系统硬件设计主要包括ＲＦＩＤ控制器和标签两部分。其中只ＦＩＤ控制器主要由控制模块、射频收发模块和以太网通信模块组成；标签由控制模块和射频收发模块组成。ＲＦｌＤ控制器和标签的控制模块分别采用ＴＩ公司的～，＿●－－●●‘…－●＿…－●－＿－…＿＿＊＾－●●＾－●＿‘●“－一，…，＾控制蒜ｂ拣茧ＭＳＰ４３０Ｆ１４９和ＭＳＰ４３０Ｆ２０１３作为主控制器，再加上复位电图１系统硬件方框图路、电源电路、晶振以及指示电路即可完成最小系统的设计。２ＲＦｌＤ控制器ＴＣＰ／ｌＰ的软件设计ＭＳＰ４３０系列单片机采取１６位ＲＩＳＣ结构，内置看门狗电路。在一个复杂的应用系统中，可能会存在多个的控制器同时它不仅具有丰富的片上外设资源，还具备超低的功耗；芯片的供工作，而且分布在不同的地理位置。这时数据就可以通过局域电电压范围为１．８～３．６Ｖ，适合于电池供电。网，甚至是因特网传送到上层服务器中。服务器对接收到的信息射频收发模块由Ｔｌ公司的ＣＣ２５００和天线组成。ＣＣ２５００进行分析处理，生成数据帧，并将它们返回到读写装置中。ＴＣＰ／是一款单片２．４ＧＨｚ射频收发芯片，适合于低成本超低功耗的ＩＰ协议本身非常复杂，它对于计算机的存储器、运算速度等要求无线应用。射频收发模块通过ＳＰｌ接口与控制模块连接。为了减比较高。在嵌入式系统中，往往针对不同的系统采用不同的精简小标签的尺寸大小，ＣＣ２５００射频模块部分采用ＰＣＢ环形天ＴＣＰ／ｉＰ协议栈，实现比较灵活，价格低廉，适用范围广泛，本文线；控觎器的射频模块部分可以采用ＳＭＡ接口天线或者ＰＣＢ采用此种设计方案。天线。ＥＮＣ２８Ｊ６０以太网控制器驱动程序开发的关键在于ＳＰＩ读以太网通信模块部分主要采用Ｍｊｃｒｏｃｈｉｐ公司的１０Ｍ以写函数的编写。由于ＭＳＰ４３０Ｆ１４９最多只有２个硬件ＳＰｌ口，太网控制器芯片ＥＮＣ２８Ｊ６０。该芯片遵循ｌＥＥＥ８０２．３标准，采用已用于射频芯片和ＲＳ２３２的连接，所以本文中以太网控制器接ＳＰＩ接口与控制模块连接，能够大大节省系统的Ｉ／Ｏ资源。网络口利用Ｉ／Ｏ口来模拟实现，对于ＳＰＩ读写时序的要求要参考接口采用集成以太网变压器的ＬＵｌＳ０１Ｃ一４３ＬＦ。此外采用ＥＮＣ２８Ｊ６０芯片手册。本系统中采用Ｐ６口来模拟ＳＰＩ接口，３ＭＡ×３２３２ＥＣＡＥ使控制器通过串口能够与ＰＣ机连接。线Ｍａｓｌｅｒ模式。经过系统测试，硬件ＳＰＩ对Ｐｉｎｇ命令的响应时控制器可以由电池供电，也可以外接５Ｖ直流电源，由问为１５ｍｓ，模拟ＳＰＩ对Ｐｉｎｇ命令的响应时间为６０ｍｓ。模型中ＬＭｌｌ１７转成３．３Ｖ供系统使用。标签则由２节１．５ＶＡＡ电池提ＡＲＰ部分主要实现ＡＲＰ请求和ＡＲＰ响应的功能，用于ｌＰ地址供电源。另外通过Ｉ／Ｏ口分别在控制器和标签上设置了２个到ＭＡＣ地址的转化。为了提高ＡＲＰ协议的效率，建立了ＡＲＰＬＥＤ，起到指示控制器和标签之间射频通信状况的作用。控制器表的地址缓存和ＡＲＰ表的动态更新，用于存储最近接受的数据｝国家自然科学基金项目资助（６０６７３２３１）；广东瘩自然科学基金项目（０７１１７４２１）；广东省科技计划重点项耳资助（２００５８１０１０１０６５）万方数据基于ＣＣ２５００的ＲＦＩＤ网络控制器的设计包中的ｌＰ／ＭＡＣ地址对。ｌＣＭＰ用于测试控制器所处的网络环境的通信状况，如响应ＰＣ的Ｐｉｎｇ命令。ＵＤＰ部分主要用于支持本地网络中控制器和数据库服务器之间的数据传输。虽然ＵＤＰ协议提供的是不可靠的传输，但是我们在上层添加了出错和丢失重发机制来确保其可靠性。并且采用加密传输的方式来保证数据在以太网传输中的安全性。利用ＵＤＰ协议可以实时反器阅读范围内的所有标签都接收同步信号。２）控制器在不发送同步信号的时候处于接收状态，等待标签的响应帧。如果在这个时问内接收到标签的响应帧，则发送命令帧对标签进行确认。在设定的超时时间内，控制器没有收到任何标签的响应信息，则认为在目标范围内没有标签，停止发送同步帧。３）标签在不工作的时候，处于低功耗状态，检测到同步信号则被激活。４）标签如果没有被确认（ＡＣＫ＝Ｏ），查询此时信道是否空闲（ＣＣＡ＝０），如果空闲则马上发送响应帧，否则需要等待自己的时隙发送数据。如果标签发送数据成功，并且收到控制器发送的命令帧，则使ＡＣＫ＝１。在设定的超时时问内，都检测到信道被占用（ＣＣＡ＝１），则停止发送数据，表示通信出错或者标签太多。标签将等待下一个同步信号到来后发送数据。部分程序流程图如图３所示。防碰撞部分主要在标签上进行，控制器只需发送同步信号，并对标签的识别状态进行记录，从而使控制器更加专注于数据的网络传输和处理部分。映标签的读取状况，通过网络将数据传送到服务器中，由上层应用软件进行数据分析和处理，如ＲＦＩＤ定位软件。ＴＣＰ部分是为了支持ＲＦｌＤ控制器与远程服务器之间的可靠的数据连接。考虑到ＴＣＰ协议的复杂性，只实现了ＴＣＰ协议的基本功能。在ＲＦＩＤ控制器上建立了一个简单的Ｈｔｔｐ服务器，可以利用已有的局域网或Ｉｎｔｅｍｅｔ网络通过浏览器实现远程监测、远程控制、传送数据等功能，远程不需要专门的应用软件，操作、维护方便，适用范围广泛；也可以建立一个客户端，当有数据传输的时候，自动和远端服务器建立连接。系统网络通信部分程序流程图如图２所示。控制器在正常工作之前，要对系统的各个部分进行初始化配置。控制器的初始化操作主要包括三个部分：ＭＳＰ４３０Ｆ１４９的定时器Ａ、Ｂ、看门狗定时器的设置以及软件配置串口通信模块的模式、Ｉ／Ｏ的设置等；ＥＮＣ２８Ｊ６０ＭＡＣ和ＰＨＹ控制寄存器的配置，８ＫＢ收发缓冲器的大小设嚣等；ＣＣ２５００收发通信控制寄存器的配置等等。控制器在上电初始化之后，周期性的检测是否收到数据包（控制命令），只有正确接受到控制命令后，才转去处理读写标签的操作，并将处理后的结果返回给上层服务器。控制命令和返回的标签信息封装在ＵＤＰ或者是ＴＣＰ数据包的数据载荷部分。《陟◇弋参缸◇匣卜魁≤＞咱ｉ“｜ａ控制器同步信号发送图３控制器和标签部分程序框图ｂ标签响应帧发送与停止控制器和标签的各种数据帧格式如表１所示。本文射频部分采取的的数据传输速率为２５０ｋｐｓ，即１ｍｓ可以传输３２个字节的数据，所以数据帧的长度不宜过长，否则在有效的时间范围内不能够成功进行数据收发。表１三种数据帧格式图２３系统网络通信程序流程图４结束语该控制器设计简单可靠，能够灵活组网，极大降低系统的应用成本。在较大规模的应用中，数据的传输量会很大，在控制现场需要首先对数据进行本地存储及冗余处理，然后才将有用的数据上传至数据库管理系统中，同时也要考虑到安全性问题。参考文献［１］谢希仁．计算机网络［Ｍ］４版．北京：电子工业出版杜，２００４［２］ＴｅｘａｓＩｎｓｔｒｕｍｅｎｌｓ．ＭＳＰ４３０×１ｘ×ＦａｍｉＩｙＵｓｅｒ７ｓＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ．２００６ｆ３１ＴｅｘａｓＧｕｉｄｅ．ＴｅｘａｓＲＦｌＤ控制器的多标签防碰撞的实现当控制器的读写区域范围内有多个标签存在的时候，标签接收到控制器的发送命令，同时发送数据给控制器就会造成数据不能够正常接收，数据之间产生碰撞，这时就需要采取防碰撞机制。射频通信中采取的防碰撞机制空分多路法、频分多路法、时分多路法、码分多路法等。考虑到ＲＦＩＤ系统的通信特点、功耗、成本以及技术实现的复杂性等，时分多路法（即ＴＤＭＡ）是射频识别系统中防碰撞采用的最普遍的一种方法。ＣＣ２５００具有片上载波感应指示、数字ＲＳＳｌ输出、自动消除通道评价（ＣＣＡ）功能，使其尤其适用于载波侦听系统。本文利用ＣＣ２５００硬件支持的自动消除通道评价（ＣＣＡ）功能，结合时除ＡＬＯＨＡ算法来实现对多标签的识别。实现ＴＤＭＡ通信方式的流程如下：１）控制器按照设定的时间间隔循环发送同步信号，在控制ｆｎｓｔｒｕｍｅｎｔＳ．ＣＣ２５００ｄａｔａｓｈｅｅｔＲｅｖｌ．２．ＴｅｘａｓＩｎｓｔｒｕ．ｍｅｎｔＳ．２００６［４］沈建华，杨艳琴．ＭＳＰ４３０系列１６位超低功耗单片机原理与应用［Ｍ］．ｊｂ京：北京航空航天出版社，２００４［收稿日期：２００７９．２７］万方数据
