基于W7100的以太網(wǎng)讀卡器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：為低成本地實(shí)現(xiàn)具有以太網(wǎng)接口的讀卡器，提出一種采用W7100新型網(wǎng)絡(luò)微處理器的方案。該讀卡器包括以太網(wǎng)傳輸、讀IC卡和USB傳輸功能。W7100芯片不同于以往采用的以太網(wǎng)控制器。該芯片內(nèi)置硬件TCP／IP協(xié)議棧且包含一個(gè)與8051微處理器二進(jìn)制代碼兼容的8位微處理器內(nèi)核。只需要執(zhí)行簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)傳輸命令即可實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)通信，而不涉及以太網(wǎng)協(xié)議。另外該芯片內(nèi)置以太網(wǎng)物理層可直接連接內(nèi)置變壓器的RJ45插座，而不需要專用的物理層芯片。讀卡器采用MFRC500實(shí)現(xiàn)讀寫IC卡功能、采用CH341T實(shí)現(xiàn)USB接口。實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明該款讀卡器運(yùn)行穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)無(wú)法刷卡和無(wú)法傳輸?shù)那闆r。
關(guān)鍵詞：W7100；以太網(wǎng)微處理器；讀卡器；MFRC500；設(shè)備聯(lián)網(wǎng)

    在實(shí)現(xiàn)微控制器設(shè)備聯(lián)入以太網(wǎng)的方案中，常見的是采用微處理器連接以太網(wǎng)控制器。目前大部分的以太網(wǎng)控制器都是為PC機(jī)設(shè)計(jì)的，如DM9000、CS8900A等。采用這些芯片不僅使用復(fù)雜，而且成本很高，不適合作為讀卡器聯(lián)網(wǎng)的方案。
    W7100是WIZnet公司新型的以太網(wǎng)微處理器。該芯片包含一個(gè)8位微處理器內(nèi)核和硬件的TCP／IP內(nèi)核。其內(nèi)部集成了10／100 Mb／s以太網(wǎng)PHY層，芯片引腳不經(jīng)過(guò)物理層芯片直接連接網(wǎng)口插座。其TCP／IP硬核提供Socket套接字接口，因此只需要進(jìn)行Socket編程就可以完成以太網(wǎng)的通信，就像訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器一樣簡(jiǎn)單，而不涉及以太網(wǎng)底層的控制。

1 W7100的基本特性
    W7100的CPU內(nèi)核是一款高性能、速率優(yōu)化的8位嵌入式微處理器。它使用片內(nèi)存儲(chǔ)器高速運(yùn)行，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的8051微處理器二進(jìn)制代碼兼容。其TCP／IP內(nèi)核是一個(gè)全硬件的、經(jīng)過(guò)多年市場(chǎng)驗(yàn)證的TCP／IP協(xié)議棧，并集成了以太網(wǎng)的MAC和PHY層。芯片的主要特性如下：
    1)64 kB的程序閃存(Flash)；
    2)64 kB的SRAM；
    3)256 B數(shù)據(jù)Flash存儲(chǔ)器(可用于存儲(chǔ)需要掉電保護(hù)的數(shù)據(jù)，如網(wǎng)絡(luò)配置信息)；
    4)內(nèi)置10／100 Mb／s以太網(wǎng)物理層；
    5)硬件的TCP／IP協(xié)議棧支持TCP、UDP、IPv4、ICMP、ARP、IGMP和PPPoE；
    6)支持8個(gè)獨(dú)立的Socket通信，內(nèi)部128B的發(fā)送緩沖區(qū)可快速進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；
    7)支持ADSL連接。
    該芯片可以簡(jiǎn)單理解為由TCP／IP硬件協(xié)議棧、以太網(wǎng)MAC層、以太網(wǎng)PHY層和8051內(nèi)核4部分相加而成。W7100具有的以上特性不僅滿足以太網(wǎng)讀卡器的功能需求，而且開發(fā)難度更小。

2 讀卡器功能和接口芯片選擇
    以太網(wǎng)讀卡器主要功能是讀卡器接受使用者的刷卡，然后通過(guò)以太網(wǎng)將卡號(hào)等信息發(fā)送給服務(wù)器，服務(wù)器查詢并修改數(shù)據(jù)庫(kù)表格。要完成該目標(biāo)，讀卡器需要實(shí)現(xiàn)以下方面。
    1)刷卡功能這里的卡是常見的IC卡，因此需要實(shí)現(xiàn)射頻發(fā)送與接收功能。方案選用NXP公司的MFRC500作為IC卡讀寫芯片。該芯片主要應(yīng)用于13．56 MHz非接觸式通信，其內(nèi)部的發(fā)送器不需要增加有源電路就能直接驅(qū)動(dòng)近操作距離的天線。
    2)以太網(wǎng)接口功能方案采用的W7100直接具有該接口，只需要在軟件中執(zhí)行命令即可。該芯片引出4根差分信號(hào)線連接到RJ45插座。方案選用內(nèi)置變壓器的接口整合型單口RJ45插座13F-60LDNL。該插座還具有數(shù)據(jù)傳輸指示燈和連接指示燈。
    3)USB接口功能 考慮到在以太網(wǎng)故障或者沒有連接以太網(wǎng)的情況如何設(shè)置讀卡器和取出刷卡信息，方案為此添加一個(gè)USB接口作為應(yīng)急。同時(shí)由于W7100具有ISP(系統(tǒng)可編程)功能，即可以通過(guò)串行口下載程序，所以添加的USB口又作為下載程序的接口。方案選用南京沁恒電子有限公司的CH341T作為USB接口芯片。CH341T是一個(gè)USB總線的轉(zhuǎn)接芯片，通過(guò)USB總線仿真異步串口。芯片內(nèi)置了獨(dú)立的收發(fā)緩沖區(qū)，支持單工、半雙工和全雙工異步串行通訊。在計(jì)算機(jī)端的Windows操作系統(tǒng)下，CH341T的驅(qū)動(dòng)程序能夠仿真標(biāo)準(zhǔn)串口，因此上位機(jī)程序就可以完全以串口方式與讀卡器通信，同樣也能實(shí)現(xiàn)程序下載。
    4)外部WatchDog在實(shí)際使用中發(fā)現(xiàn)該芯片2010年的一個(gè)版本有WatchDog不穩(wěn)定的現(xiàn)象(將喂狗代碼與寫dataflash代碼同時(shí)存在程序中時(shí)會(huì)有死機(jī)的現(xiàn)象)，因此方案選用XCOR公司X5043(2．7 V)作為外部Watchdog。同時(shí)該芯片具有4 KB的SPI EEPROM作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，可用來(lái)擴(kuò)展內(nèi)部dataflash存儲(chǔ)掉電不能丟失的數(shù)據(jù)。
    5)唯一標(biāo)識(shí) 在IP地址不固定的情況下，在網(wǎng)絡(luò)上實(shí)現(xiàn)唯一標(biāo)識(shí)每一臺(tái)讀卡器就很困難。方案為讀卡器添加了一組8位的撥碼開關(guān)，通過(guò)為每一臺(tái)讀卡器撥成不同的二進(jìn)制編碼實(shí)現(xiàn)標(biāo)識(shí)。讀卡器在啟動(dòng)的時(shí)候讀取撥碼開關(guān)的值來(lái)設(shè)定自己的序列號(hào)。撥碼開關(guān)的8根引腳可接至W71004組通用引腳中的任意8根。需要注意的是W7100的所有通用引腳在作為輸出時(shí)都要外部上拉。
    6)設(shè)定工作狀態(tài)讀卡器在正常使用前時(shí)需要運(yùn)行在配置狀態(tài)，此時(shí)讀卡器接收上位機(jī)配置程序發(fā)來(lái)的配置參數(shù)配置其IP地址、MAC地址、子網(wǎng)掩碼等。這些數(shù)據(jù)存放在內(nèi)部dataflash或者外部watchdog中。方案采用將撥碼開關(guān)撥為“1000 0000”作為配置狀態(tài)，其他為正常工作狀態(tài)。
    7)指示燈和蜂鳴器 刷一次卡需要蜂鳴器蜂鳴一次和指示燈閃爍一次，用來(lái)指示刷卡成功。如果操作未成功，蜂鳴器要長(zhǎng)響報(bào)警。如果進(jìn)入配置狀態(tài)，指示燈要改變顏色。方案選用紅藍(lán)雙色的LED燈作為指示燈，紅色代表配置狀態(tài)，藍(lán)色代表工作狀態(tài)。
    讀卡器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3 硬件電路設(shè)計(jì)
    1)射頻電路如圖2所示，MFRC500需要連接8根數(shù)據(jù)線和4個(gè)功能引腳，另外通過(guò)3根信號(hào)線連接到天線線圈。數(shù)據(jù)線和CS引腳接到W7100的通用口，ALE、WR和RD引腳分別接到W7100對(duì)應(yīng)功能引腳。如圖3和圖4所示，天線線圈的是由地線(GND)繞成的。為了加強(qiáng)信號(hào)，通常還需要添加一個(gè)屏蔽層?？烧{(diào)電容的具體值還要根據(jù)實(shí)際的感應(yīng)距離調(diào)校而得。

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    2)RJ45電路圖5為RJ45的參考原理圖，RJ45插座的4根兩對(duì)差分信號(hào)線(TPTX+、TPTX-、TPRX+和TPRX-)分別連接到W7100的對(duì)應(yīng)引腳(TXO-P、TXON、RXIP和RXIN)。在布線時(shí)需要特別注意的是：每對(duì)差分信號(hào)線之間盡量平行、靠近且長(zhǎng)度相等，這樣做是為了減少信號(hào)干擾。

    3)CH341T電路 CH341T通過(guò)串行口RXD、TXD與W7100相連。在9和10腳需要連接12 MHz的晶振。8腳(UD-)接USB插座的2腳，7腳(UD+)接USB插座的3腳。USB插座的1腳接5 V電源，4腳接地。
    4)X5043的連接 由于在W7100下載程序的時(shí)候不能受到X5043的影響，所以必須要在其與nRST引腳上添加一個(gè)跳線。在下載程序的時(shí)候要拔掉跳線帽，等下載完成之后再接上。要使X5043在上電之后開始工作必須在nCS引腳有一個(gè)從高電平到低電平的下拉。另外由于必須要與手動(dòng)復(fù)位按鈕共用nRST信號(hào)線，所以在復(fù)位鍵旁邊不能并聯(lián)大電容，這樣會(huì)將復(fù)位信號(hào)過(guò)濾掉。
    5)電源設(shè)計(jì) 由于W7100芯片集成了以太網(wǎng)物理層，因此在布線時(shí)存在數(shù)字電源與模擬電源、數(shù)字地與模擬地的混合設(shè)計(jì)。總共包括1．8 V、1．8 D、1．8 A、3．3 V、3．3 D、3．3 A、數(shù)字地GND和模擬地GNDA，它們分別連接到W7100和其它器件的對(duì)應(yīng)引腳。印刷板的鋪地是數(shù)字地，但是模擬地也要盡量的寬。1．8 V、1．8 D和1．8 A之間用1μH電感相連接，同樣3．3 V、3．3 D和3．3 A之間用1μH電感相連接，每種電源和地之間用一個(gè)10 μF的電容相連接。
    6)W7100引腳連接 W7100的XTLN0和XTLP0為內(nèi)部PHY的晶體的輸入輸出。使用25 MHz平行共鳴晶體連接到這兩個(gè)端口，以穩(wěn)定內(nèi)部振蕩器。同樣XTLN1和XTLP1引腳為W7100內(nèi)核的晶體輸入輸出端，使用11．059 2 MHz平行共鳴晶體連接到這兩個(gè)端口。
    TM3-0和PM2-0引腳懸空，采用默認(rèn)模式。BOOTEN引腳為啟動(dòng)代碼控制，低電平運(yùn)行應(yīng)用程序代碼，高電平運(yùn)行下載程序，所以必須使用跳線方式將其分別連接到地和高電平，在開機(jī)時(shí)通過(guò)跳線進(jìn)入不同運(yùn)行狀態(tài)。
    F64EN引腳要外接4．7 k下拉電阻。RESETBG為PHY片外電阻，需要連接一個(gè)12．3 k(誤差在1％以內(nèi))的電阻到地。RXLED和TXLED分別通過(guò)兩個(gè)二極管連接到網(wǎng)口的nACT引腳(nACT需要上拉4．7 k電阻)，用來(lái)指示數(shù)據(jù)傳輸。
nINT3引腳和LINKLED引腳共同連接到網(wǎng)口的nLINK引腳，用來(lái)驅(qū)動(dòng)連接指示燈。
    7)實(shí)物參考圖 以上6點(diǎn)就是讀卡器的幾個(gè)重要部件的設(shè)計(jì)參考，在實(shí)際應(yīng)用中可根據(jù)性能需要采用更加成熟的模塊，這樣會(huì)獲得更好的效果。如在某工程中對(duì)刷卡可靠性要求很高，采用了周立功單片機(jī)公司的ZLG500AT模塊作為刷卡模塊。讀卡器主板如圖6所示。

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4 軟件設(shè)計(jì)
4．1 讀卡器與服務(wù)器通信
    讀卡器與服務(wù)器的通信主要是讀卡器向服務(wù)器發(fā)送卡號(hào)信息和服務(wù)器向讀卡器發(fā)送寫卡信息。服務(wù)器與讀卡器之間采用面向連接的TCP ／IP協(xié)議作為通信的底層協(xié)議，讀卡器作為客戶端。服務(wù)器負(fù)責(zé)監(jiān)聽讀卡器的連接請(qǐng)求。服務(wù)器端采用Socket套接字接口編寫應(yīng)用程序。
    讀卡器端將通過(guò)TCP／IP協(xié)議接收的數(shù)據(jù)保存到事先開辟的內(nèi)存接收緩沖區(qū)，發(fā)送時(shí)將將要發(fā)送的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)發(fā)送緩沖區(qū)，然后執(zhí)行發(fā)送。由于W7100已經(jīng)有硬核的套接字，所以可以直接使用。讀卡器端的端口狀態(tài)轉(zhuǎn)化如圖7所示：

    剛復(fù)位時(shí)讀卡器處于SOCK_CLOSED狀態(tài)。如果此時(shí)服務(wù)器端在監(jiān)聽，則經(jīng)過(guò)執(zhí)行OPEN和CONNECT操作后進(jìn)入SOCK_ESTABLISHED狀態(tài)。這時(shí)候讀卡器就可以與服務(wù)器通過(guò)SEND和RECV操作傳輸信息。讀卡器主動(dòng)執(zhí)行DICON操作或者接收到服務(wù)器端的CLOSE命令后就再次進(jìn)入SOCK_CLO-SED狀態(tài)，等待下次連接。為了實(shí)現(xiàn)讀卡器始終自動(dòng)連接和斷線重連，方案采用了一個(gè)循環(huán)的switch語(yǔ)句，關(guān)鍵示例代碼如下：

   
    讀卡器執(zhí)行設(shè)備監(jiān)控的流程就寫在示例的數(shù)據(jù)處理代碼部分。讀卡器內(nèi)部含有dataflash，用來(lái)保存IP地址、服務(wù)器地址和MAC地址等信息。在復(fù)位時(shí)讀取配置信息、調(diào)用初始化函數(shù)初始化以太網(wǎng)接口。
4．2 W7100讀寫IC卡
    W7100在復(fù)位之后，首先要初始化微處理器和MFRC500，然后依次循環(huán)執(zhí)行配置命令、請(qǐng)求命令、防碰撞命令、選擇命令、證實(shí)命令、裝載密鑰命令、讀卡命令、卡號(hào)發(fā)送服務(wù)器、(等待接收反饋數(shù)據(jù))、(寫卡命令)、閃爍LED、蜂鳴器蜂鳴。這樣循環(huán)執(zhí)行就可以完成刷卡功能。各個(gè)命令和功能分別采用一個(gè)函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，具體的操作可以參考芯片使用手冊(cè)，在這里就不再贅述。下面把主函數(shù)主要結(jié)構(gòu)列舉如下：


5 結(jié)束語(yǔ)
    本文詳細(xì)闡述了一種基于W7100的且支持以太網(wǎng)傳輸?shù)?strong>讀卡器方案，給出了硬件和軟件設(shè)計(jì)的參考。該方案已經(jīng)成功應(yīng)用在某大型事業(yè)單位實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)中。經(jīng)過(guò)實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明該方案能夠滿足刷卡管理的可靠性及實(shí)時(shí)性要求。較之以前的方案，該方案成本更低、更容易開發(fā)。