摘要：為低成本地實現具有以太網接口的讀卡器，提出一種采用W7100新型網絡微處理器的方案。該讀卡器包括以太網傳輸、讀IC卡和USB傳輸功能。W7100芯片不同于以往采用的以太網控制器。該芯片內置硬件TCP／IP協議棧且包含一個與8051微處理器二進制代碼兼容的8位微處理器內核。只需要執行簡單的網絡傳輸命令即可實現以太網通信，而不涉及以太網協議。另外該芯片內置以太網物理層可直接連接內置變壓器的RJ45插座，而不需要專用的物理層芯片。讀卡器采用MFRC500實現讀寫IC卡功能、采用CH341T實現USB接口。實際應用結果表明該款讀卡器運行穩定，沒有出現無法刷卡和無法傳輸的情況。
關鍵詞：W7100；以太網微處理器；讀卡器；MFRC500；設備聯網

在實現微控制器設備聯入以太網的方案中，常見的是采用微處理器連接以太網控制器。目前大部分的以太網控制器都是為PC機設計的，如DM9000、CS8900A等。采用這些芯片不僅使用復雜，而且成本很高，不適合作為讀卡器聯網的方案。
W7100是WIZnet公司新型的以太網微處理器。該芯片包含一個8位微處理器內核和硬件的TCP／IP內核。其內部集成了10／100 Mb／s以太網PHY層，芯片引腳不經過物理層芯片直接連接網口插座。其TCP／IP硬核提供Socket套接字接口，因此只需要進行Socket編程就可以完成以太網的通信，就像訪問外部存儲器一樣簡單，而不涉及以太網底層的控制。

1 W7100的基本特性
W7100的CPU內核是一款高性能、速率優化的8位嵌入式微處理器。它使用片內存儲器高速運行，與工業標準的8051微處理器二進制代碼兼容。其TCP／IP內核是一個全硬件的、經過多年市場驗證的TCP／IP協議棧，并集成了以太網的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數據Flash存儲器(可用于存儲需要掉電保護的數據，如網絡配置信息)；
4)內置10／100 Mb／s以太網物理層；
5)硬件的TCP／IP協議棧支持TCP、UDP、IPv4、ICMP、ARP、IGMP和PPPoE；
6)支持8個獨立的Socket通信，內部128B的發送緩沖區可快速進行數據交換；
7)支持ADSL連接。
該芯片可以簡單理解為由TCP／IP硬件協議棧、以太網MAC層、以太網PHY層和8051內核4部分相加而成。W7100具有的以上特性不僅滿足以太網讀卡器的功能需求，而且開發難度更小。

2 讀卡器功能和接口芯片選擇
以太網讀卡器主要功能是讀卡器接受使用者的刷卡，然后通過以太網將卡號等信息發送給服務器，服務器查詢并修改數據庫表格。要完成該目標，讀卡器需要實現以下方面。
1)刷卡功能這里的卡是常見的IC卡，因此需要實現射頻發送與接收功能。方案選用NXP公司的MFRC500作為IC卡讀寫芯片。該芯片主要應用于13．56 MHz非接觸式通信，其內部的發送器不需要增加有源電路就能直接驅動近操作距離的天線。
2)以太網接口功能方案采用的W7100直接具有該接口，只需要在軟件中執行命令即可。該芯片引出4根差分信號線連接到RJ45插座。方案選用內置變壓器的接口整合型單口RJ45插座13F-60LDNL。該插座還具有數據傳輸指示燈和連接指示燈。
3)USB接口功能 考慮到在以太網故障或者沒有連接以太網的情況如何設置讀卡器和取出刷卡信息，方案為此添加一個USB接口作為應急。同時由于W7100具有ISP(系統可編程)功能，即可以通過串行口下載程序，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USB總線的轉接芯片，通過USB總線仿真異步串口。芯片內置了獨立的收發緩沖區，支持單工、半雙工和全雙工異步串行通訊。在計算機端的Windows操作系統下，CH341T的驅動程序能夠仿真標準串口，因此上位機程序就可以完全以串口方式與讀卡器通信，同樣也能實現程序下載。
4)外部WatchDog在實際使用中發現該芯片2010年的一個版本有WatchDog不穩定的現象(將喂狗代碼與寫dataflash代碼同時存在程序中時會有死機的現象)，因此方案選用XCOR公司X5043(2．7 V)作為外部Watchdog。同時該芯片具有4 KB的SPI EEPROM作為數據存儲器，可用來擴展內部dataflash存儲掉電不能丟失的數據。
5)唯一標識 在IP地址不固定的情況下，在網絡上實現唯一標識每一臺讀卡器就很困難。方案為讀卡器添加了一組8位的撥碼開關，通過為每一臺讀卡器撥成不同的二進制編碼實現標識。讀卡器在啟動的時候讀取撥碼開關的值來設定自己的序列號。撥碼開關的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都要外部上拉。
6)設定工作狀態讀卡器在正常使用前時需要運行在配置狀態，此時讀卡器接收上位機配置程序發來的配置參數配置其IP地址、MAC地址、子網掩碼等。這些數據存放在內部dataflash或者外部watchdog中。方案采用將撥碼開關撥為“1000 0000”作為配置狀態，其他為正常工作狀態。
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，用來指示刷卡成功。如果操作未成功，蜂鳴器要長響報警。如果進入配置狀態，指示燈要改變顏色。方案選用紅藍雙色的LED燈作為指示燈，紅色代表配置狀態，藍色代表工作狀態。
讀卡器的結構如圖1所示。

3 硬件電路設計
1)射頻電路如圖2所示，MFRC500需要連接8根數據線和4個功能引腳，另外通過3根信號線連接到天線線圈。數據線和CS引腳接到W7100的通用口，ALE、WR和RD引腳分別接到W7100對應功能引腳。如圖3和圖4所示，天線線圈的是由地線(GND)繞成的。為了加強信號，通常還需要添加一個屏蔽層。可調電容的具體值還要根據實際的感應距離調校而得。