基于LPC11C14的服裝工位機(jī)設(shè)計(jì)

楊益，張中煒，康如婷

（東華大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，上海 201620）

服裝制造業(yè)是典型的勞動(dòng)密集型產(chǎn)業(yè)，信息化的生產(chǎn)管理通常是欠缺的，特別是車(chē)間的管理。現(xiàn)代企業(yè)期望使用高新技術(shù)來(lái)增強(qiáng)產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力并降低成本，通過(guò)有效利用和控制物流信息，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)能的最大化[1]。國(guó)際上，伴隨著生產(chǎn)物流信息化管理中的信息爆炸，RFID技術(shù)被引入來(lái)減輕人工輸入和處理大批數(shù)據(jù)的負(fù)擔(dān)，為生產(chǎn)流程的精細(xì)化管理提供依據(jù)。如今，國(guó)內(nèi)的服裝生產(chǎn)企業(yè)熱衷于服裝生產(chǎn)的信息化，亟需研發(fā)廉價(jià)的智能服裝生產(chǎn)工位機(jī)。文中使用NXP公司的32位內(nèi)置CAN控制器的ARM單片機(jī)，加上RFID讀卡模塊及CAN收發(fā)器，省去了CAN控制器芯片。CAN通訊采用單片機(jī)內(nèi)部CAN控制器，通訊協(xié)議由單片機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)，從而簡(jiǎn)化了應(yīng)用電路，提高了電路的實(shí)用性。

1 恩智浦半導(dǎo)體LPC11C14單片機(jī)簡(jiǎn)述

LPC11C14采用ARM公司的Cortex-M0內(nèi)核，具有能耗極低、門(mén)數(shù)量少、代碼占用空間小等特點(diǎn)。由于其低廉的價(jià)格和強(qiáng)大的控制、運(yùn)算性能，被廣泛運(yùn)用于嵌入式網(wǎng)絡(luò)。其具體性能指標(biāo)如下：1）工作頻率：最高50 MHz；工作溫度范圍：-40～+85°；寬電壓供電：1.8～3.6 V；2）32 k 字節(jié)的閃存存儲(chǔ)器和8 k的SRAM；3）2個(gè)16位通用定時(shí)器和2個(gè)32位通用定時(shí)器；4）CAN控制單元，內(nèi)部ROM集成供CAN和CANOpen標(biāo)準(zhǔn)使用的初始化和通信的API函數(shù)，用戶(hù)可直接調(diào)用；兼容CAN2.0A/B，傳輸速率高達(dá)1 Mbit/s；支持32個(gè)消息對(duì)象，且每個(gè)消息對(duì)象有自己的掩碼標(biāo)識(shí)；提供可屏蔽中斷[2]。

2 RFID技術(shù)分析

離散制造的產(chǎn)品往往由多個(gè)零件經(jīng)過(guò)一系列并不連續(xù)的工序的加工最終裝配而成，服裝制造正屬于此類(lèi)，生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)品品種繁多、工藝復(fù)雜，包含龐大的生產(chǎn)物流信息量。因此，應(yīng)用于服裝制造的射頻識(shí)別系統(tǒng)需要包含3部分：1）應(yīng)答器，即物料的RFID標(biāo)簽，由耦合元件和芯片組成，內(nèi)置天線，用于與射頻天線通信。本系統(tǒng)采用的標(biāo)簽是載波頻率為125 kHz只讀式非接觸卡，它靠讀卡器感應(yīng)供電并讀出存儲(chǔ)在芯片EEPROM中的唯一卡號(hào)。無(wú)源和非接觸是該芯片兩個(gè)最突出的特點(diǎn)，射頻接口電路是關(guān)鍵的核心技術(shù)，它從讀卡器接收射頻能量，為芯片產(chǎn)生電源和時(shí)鐘，并采用相移鍵控和加載調(diào)幅等技術(shù)實(shí)現(xiàn)卡與讀卡器間的無(wú)線通訊。2）閱讀器，利用線射頻信號(hào)通過(guò)空間耦合（交變磁場(chǎng)或電磁場(chǎng)）實(shí)現(xiàn)與應(yīng)答器的信息傳遞。在耦合通道內(nèi)，根據(jù)時(shí)序關(guān)系，將實(shí)現(xiàn)能量傳遞和數(shù)據(jù)交換。標(biāo)簽信息被讀取完成之后，將會(huì)傳輸?shù)胶蠖藨?yīng)用軟件。3）應(yīng)用軟件，對(duì)讀寫(xiě)器獲取的應(yīng)答器信息進(jìn)行處理，并通過(guò)CAN總線上傳給服務(wù)器[3]。RFID系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 RFID系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure chart of RFID system

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

基于LPC11C14的工位機(jī)硬件部分主要由射頻讀卡模塊、電源輸入端、CAN通訊模塊組成?？傮w硬件圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.2 System hardware structure

3.1 射頻讀卡

讀卡芯片采用瑞士EM公司的專(zhuān)用讀卡芯片EM4095，其特點(diǎn)如下:不需要外部時(shí)鐘，載波頻域100～150 kHz，兼容多種應(yīng)答模式，睡眠模式電流1 μA。如圖3所示，使用這款讀卡芯片外圍電路簡(jiǎn)單，只需外加一個(gè)天線接收電路和少量的外圍元件就能在微處理器的控制下讀取IC卡上的信息。

圖3 讀卡模塊電路圖Fig.3 Circuit of reader

射頻標(biāo)簽采用的是瑞士EM公司提供的非接觸式只讀RFID芯片H4001，其內(nèi)部具有64位一次性可編程（One Times Programmable）的存儲(chǔ)器，除了10個(gè)同步位和14個(gè)校驗(yàn)位外，其余的40個(gè)位在應(yīng)用系統(tǒng)作為識(shí)別碼使用。其典型的工作頻率為125 kHz，數(shù)據(jù)傳輸編碼采用曼徹斯特編碼，傳輸速率為718 kbps。它具有各種外型封裝，如ISO薄卡、ISO厚卡、鑰匙扣等，是目前市場(chǎng)上性?xún)r(jià)比最好的非接觸式只讀RFID卡[4]。

3.2 CAN通訊模塊

由于LPC11C14單片機(jī)片內(nèi)已經(jīng)集成了CAN控制器，所以只需要外接一個(gè)CAN收發(fā)器就可以實(shí)現(xiàn)CAN通訊，這樣就簡(jiǎn)化了電路并節(jié)省了電路成本。本設(shè)計(jì)采用的是飛利浦公司的高速收發(fā)器TJA1050。TJA1050是CAN控制器和物理總線之間的接口，可以提供對(duì)總線的差動(dòng)發(fā)送能力和對(duì)CAN控制器的差動(dòng)接收能力。特點(diǎn)如下：具有高速率最高達(dá)1 Mbit/s；電磁抗干擾EMI性極高；不上電的節(jié)點(diǎn)不會(huì)對(duì)總線造成擾動(dòng)；TXD引腳有防止箝位在顯性總線電平的超時(shí)功能；保護(hù)總線引腳防止工業(yè)環(huán)境中的瞬態(tài)干擾；至少可以連接110個(gè)節(jié)點(diǎn)等[5]。

3.3 工位機(jī)與服務(wù)器PC通訊的架構(gòu)

實(shí)現(xiàn)CAN通訊之后，工位機(jī)還無(wú)法實(shí)現(xiàn)與服務(wù)器的通訊。本設(shè)計(jì)采用的是ZLG公司的CAN接口卡USBCAN-I。USBCAN-Ⅰ符合CAN2.0A/B規(guī)范，支持5 kbps～1 Mbps之間的任意波特率，單通道最高數(shù)據(jù)流量達(dá)3 000 fps（標(biāo)準(zhǔn)幀），能滿(mǎn)足服裝生產(chǎn)中工位機(jī)與服務(wù)器通訊的需求[6]。通訊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 通訊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Communication system structure

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主程序框圖如圖5和圖6所示，圖5為主程序軟件框圖，圖6為讀卡中斷軟件流程圖。

圖5 主函數(shù)流程圖Fig.5 Main function diagram

主程序包含CAN數(shù)據(jù)幀的收發(fā)、RFID標(biāo)簽的讀取、薄膜按鍵鍵值的讀取和LCD屏的顯示4個(gè)任務(wù)模塊，涉及任務(wù)繁多、控制功能復(fù)雜。故采用了時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度算法，系統(tǒng)將所有的任務(wù)按順序排成一個(gè)先進(jìn)先出隊(duì)列，每次調(diào)度時(shí)把CPU分配給隊(duì)首的任務(wù)，并令其執(zhí)行一個(gè)時(shí)間片，構(gòu)成微觀上輪流運(yùn)行、宏觀上并執(zhí)行的多任務(wù)效果。

圖6 讀卡中斷流程圖Fig.6 Reader interrupt diagram

主程序處于死循環(huán)狀態(tài)，當(dāng)執(zhí)行到讀卡任務(wù)的時(shí)間片時(shí)，如果與DEMON_O相連接的GPIO口產(chǎn)生中斷，將進(jìn)入相應(yīng)的中斷響應(yīng)函數(shù)。DEMON_O為讀卡芯片EM4095的輸出波形的接口，用一個(gè)中斷方式的GPIO口來(lái)獲取，并從EM4095的CLK口上得到的時(shí)鐘作為基準(zhǔn)，來(lái)記錄DEMON_O上的脈寬。應(yīng)用H4001芯片的射頻標(biāo)簽采用的是曼徹斯特編碼，從DEMON_O口讀取的一段正確的波形應(yīng)包含2種寬度的脈沖，寬脈沖應(yīng)該在64個(gè)時(shí)鐘周期的長(zhǎng)度左右（即圖6中的1T），窄脈寬應(yīng)該在32個(gè)時(shí)鐘周期的長(zhǎng)度左右（即圖6中的0.5T）。根據(jù)這些信息來(lái)設(shè)置門(mén)限，就可以篩選出有效的波形來(lái)進(jìn)行解碼和校驗(yàn)的處理。LF頻段射頻標(biāo)簽的數(shù)據(jù)構(gòu)成的依據(jù)是ISO11784/11785協(xié)議，其中規(guī)定1個(gè)9位（11111111）的數(shù)據(jù)頭用于標(biāo)志數(shù)據(jù)流的開(kāi)始，校驗(yàn)部分將防止數(shù)據(jù)頭的重復(fù)出現(xiàn)[7]。

根據(jù)CAN2.0B的規(guī)范，擴(kuò)展幀信息為13個(gè)字節(jié)，包括信息和數(shù)據(jù)2部分。前5個(gè)字節(jié)為信息部分，字節(jié)6～13為數(shù)據(jù)幀的實(shí)際數(shù)據(jù)。CAN2.0B規(guī)范如表1所示。

表1 CAN2.0B協(xié)議Tab.1 CAN2.0B protocol

因此在CAN通訊中，一個(gè)數(shù)據(jù)幀最多只能傳輸8個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，而通信中需要收發(fā)40多個(gè)字節(jié)的報(bào)文，則需要對(duì)報(bào)文進(jìn)行拆包。下面是經(jīng)過(guò)拆包的CAN報(bào)文通信協(xié)議。

數(shù)據(jù)幀基本格式為：

從以上的分解可以得知，多幀的第一幀是把數(shù)據(jù)包的“優(yōu)先級(jí)”、“目的地址”、“源地址”放入CAN幀的地址標(biāo)識(shí)域，“數(shù)據(jù)”放入CAN幀的數(shù)據(jù)域?！翱値瑪?shù)”用于標(biāo)識(shí)當(dāng)前數(shù)據(jù)包由幾個(gè)數(shù)據(jù)幀組成，總幀數(shù)值為2-8，表示有 2-8幀；“當(dāng)前幀號(hào)”用于標(biāo)識(shí)當(dāng)前幀為數(shù)據(jù)包中第幾個(gè)幀，其值為0-7，表示有 1-8幀。

第 1幀“數(shù)據(jù)”（56BIT）部分分解為：

第2幀到最后一幀的基本格式同第一幀，但“數(shù)據(jù)”部分只是緊接著上一幀的“具體生產(chǎn)物流信息”，長(zhǎng)度為56 BIT。

5 實(shí)際應(yīng)用

圖7是生產(chǎn)線排產(chǎn)服務(wù)器的程序面板。在進(jìn)行排產(chǎn)時(shí)，首先對(duì)CAN通訊定時(shí)器進(jìn)行設(shè)置，以匹配波特率，然后點(diǎn)擊“連接”和“啟動(dòng)CAN”按鈕，以啟動(dòng)USBCAN-I接口卡；在任務(wù)設(shè)置欄中，輸入工位號(hào)、工序號(hào)、物流卡號(hào)、工號(hào)以及任務(wù)時(shí)長(zhǎng)，并點(diǎn)擊“添加任務(wù)”按鈕，將向工位機(jī)下達(dá)工單信息。任務(wù)狀態(tài)欄則負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)監(jiān)控工單進(jìn)度。通過(guò)實(shí)際測(cè)試發(fā)現(xiàn)，該工位機(jī)系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)可靠地采集并處理生產(chǎn)物流信息。

圖7 生產(chǎn)管理界面圖Fig.7 Interface chart of the management system

6 結(jié) 論

本系統(tǒng)采用RFID為數(shù)據(jù)采集手段和CAN總線通信技術(shù)，很好地解決物流信息的實(shí)時(shí)采集、傳遞和處理問(wèn)題，為服裝生產(chǎn)的數(shù)字化管理提供了支持。本系統(tǒng)已經(jīng)在嘉興森創(chuàng)時(shí)裝有限公司進(jìn)行了初步的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，使生產(chǎn)效率提高了15%，產(chǎn)品質(zhì)量問(wèn)題降低了20%左右，企業(yè)的信息化管理程度得到了大大的提高。

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[6]Zhiyuan Electronics.USBCAN-2A/Ⅱ/Ⅰ智能CAN接口卡數(shù)據(jù)手冊(cè)[EB/OL].[2008].http://www.embedcontrol.com/products/pci/usbcan/usbcan.pdf

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