基于射頻卡定位技術(shù)的煉鋼廠天車物流從站設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

杜衛(wèi)華， 張 婕，李金文，高樹紅

（1. 承德石油高等專科學(xué)校 電氣與電子系，承德 067000；2. 承德科維電子設(shè)備廠，承德 067000）

0 引言

在煉鋼廠，生產(chǎn)管理需要獲得混鐵爐鐵水的入爐量、出爐量，按班、日、月進(jìn)行統(tǒng)計(jì)匯總，獲得轉(zhuǎn)爐每爐鋼的入鐵量、廢鋼放入量、產(chǎn)鋼量，這些數(shù)據(jù)的獲取可通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)天車吊運(yùn)物料的重量變化、天車的位置變化再與煉鋼廠的工藝流程相結(jié)合，計(jì)算機(jī)就可以根據(jù)重量邏輯、位置邏輯和時(shí)序邏輯來(lái)定性、定量判斷天車進(jìn)行了何種作業(yè)，從而自動(dòng)計(jì)量出兌入鐵水量、加入廢鋼量、出鋼量和連鑄消耗等，代替了抄報(bào)員的繁重工作。煉鋼現(xiàn)場(chǎng)電磁干擾比較嚴(yán)重，天車的作業(yè)性質(zhì)決定其數(shù)據(jù)只能無(wú)線傳輸，所以天車物流子站的設(shè)計(jì)是物流管理系統(tǒng)的核心。

圖1 天車定位分布點(diǎn)及射頻卡安裝位置（地址）

本文以河南鳳寶煉鋼廠天車物流管理系統(tǒng)的天車物流子站設(shè)計(jì)為例，介紹了物流子站的設(shè)計(jì)方案。現(xiàn)場(chǎng)情況如圖1所示，共有三跨：600t混鐵爐跨，加料跨，澆鋼跨，為了實(shí)現(xiàn)天車吊運(yùn)作業(yè)內(nèi)容和吊運(yùn)物料種類進(jìn)行判斷，我們根據(jù)實(shí)際需要選定以下12個(gè)位置作為天車定位點(diǎn)（每個(gè)定位點(diǎn)加裝位置標(biāo)識(shí)即加裝射頻卡）。

1 子站結(jié)構(gòu)及工作原理

子站系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)方法,由射頻卡定位模塊、重量調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳模塊組成。

1.1 射頻卡讀卡器的設(shè)計(jì)

1.1.1 射頻卡定位原理

射頻識(shí)別是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，它通過(guò)射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)。RFID識(shí)別系統(tǒng)通常由射頻卡標(biāo)簽、讀寫器、天線組成。工作時(shí)，讀寫器通過(guò)系統(tǒng)天線發(fā)送一定頻率的射頻信號(hào)，當(dāng)射頻卡標(biāo)簽進(jìn)入發(fā)射天線工作區(qū)域時(shí)產(chǎn)生感應(yīng)，從而獲得能量并被激活。激活后的射頻卡標(biāo)簽將自身編碼等信息通過(guò)其內(nèi)置天線發(fā)送出去，系統(tǒng)天線接受到射頻卡標(biāo)簽發(fā)送來(lái)的載波信號(hào)，經(jīng)讀寫器對(duì)其進(jìn)行解調(diào)和譯碼，并將譯碼后的數(shù)據(jù)送到主系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)處理以判斷該卡的合法性，利用射頻卡的這種特性就可以在天車定位點(diǎn)安裝射頻卡，在天車側(cè)面安裝射頻卡讀卡器，及時(shí)獲取天車的位置信息。

1.1.2 射頻卡讀卡器的設(shè)計(jì)

1）讀卡器天線設(shè)計(jì)

讀卡器中的天線用于產(chǎn)生磁通量，而磁通量用于向射頻卡片提供電源，對(duì)讀卡器天線的設(shè)計(jì)有三點(diǎn)要求:

（1）天線線圈的電流最大,用于產(chǎn)生最大的磁通量。

（2）功率匹配，最大程度地利用產(chǎn)生磁通量的可用能量；

（3）足夠的帶寬，以無(wú)失真地傳送數(shù)據(jù)調(diào)制的載波信號(hào)。

圖2 系統(tǒng)電氣原理圖

根據(jù)頻率范圍的不同，使用不同的方法將天線線圈連接到讀卡器發(fā)送器的輸出端，通過(guò)功率匹配將天線線圈直接連接到功率輸出級(jí)，或通過(guò)同軸電纜來(lái)饋送到天線線圈。由于MFRC531是低功耗設(shè)計(jì)，因此卡和天線之間的耦合系數(shù)必須滿足一定的值，卡和天線之間的耦合系數(shù)不能低于0.3，天線的直徑要求介于0.5～1.5mm之間。 在本設(shè)計(jì)中，天線采用65cm×54cm、天線導(dǎo)體寬度為本1mm、圈數(shù)為三圈的方形天線。這樣，天線的電感通過(guò)下列公式計(jì)算得到[3]：

其中：L：讀卡器天線感應(yīng)；I ：天線導(dǎo)體長(zhǎng)度（1圈）；D：天線導(dǎo)體寬度（必須介于0.5～1.5mm之間）；N：天線導(dǎo)體圈數(shù)（3圈）。

2）讀卡器電路設(shè)計(jì)

圖3 讀卡器硬件組成原理框圖

讀卡器的硬件組成見原理框，如圖3所示。Mifare射頻卡進(jìn)入距離射頻天線100mm內(nèi)，讀卡器就可以讀到卡中的數(shù)據(jù)。讀卡器讀到Mifare卡中的數(shù)據(jù)后，系統(tǒng)單片機(jī)要將所讀卡號(hào)及時(shí)間一起存入存儲(chǔ)器，同時(shí)指示燈閃一次，喇叭響一次，表示完成一次操作。

圖4 讀卡器及Mifare射頻卡安裝圖

讀卡要執(zhí)行一系列的操作指令，調(diào)用多個(gè)C51函數(shù)。包括裝載密碼、詢卡、防沖突、選卡、驗(yàn)證密碼、讀卡、停卡，這一系列的操作必須按固定的順序進(jìn)行。

讀卡器和主CPU(C8051F020)之間采用應(yīng)答方式通訊，可隨時(shí)把卡號(hào)及讀卡時(shí)間傳送給主CPU。

1.2 稱重傳感器信號(hào)調(diào)理、秤體安裝

稱重傳感器采用QS-M魚背式傳感器，傳感器的靈敏度為2.0±0.005mV/V，最大供橋電壓15V，信號(hào)調(diào)理電路由AD620高精度集成運(yùn)算放大器和OPA27組成的濾波電路組成，電路增益通過(guò)調(diào)節(jié)Rg來(lái)實(shí)現(xiàn),即 G=49.4/Rg+1，電氣原理圖如圖5所示。

圖5 QS-M傳感器信號(hào)調(diào)理電路

魚背式傳感器安裝于定滑輪軸或稱重軸下方，每根軸裝有2只傳感器，傳感器測(cè)得滑輪軸上鋼絲繩張力，從而得到被吊重物的重量，傳感器安裝圖如圖6所示。

圖6 傳感器安裝圖

1.3 C8051F020單片機(jī)[1]

C8051F020是美國(guó)CYGNAL公司推出的混合信號(hào)系統(tǒng)芯片，是高度集成的片上系統(tǒng)，它嵌入了一款高速、低功耗、高性能的8位微處理器，最突出的特點(diǎn)是高速指令處理能力。C8051F020采用CIP-51微控制器內(nèi)核，與MCS-51指令完全兼容。CIP-51采用流水線結(jié)構(gòu)，與標(biāo)準(zhǔn)的8051相比，指令執(zhí)行速度有很大的提高。片內(nèi)集成了多通道12位和8位A/D轉(zhuǎn)換器以及一個(gè)雙12位D/A轉(zhuǎn)換器，兩個(gè)增強(qiáng)型UART串口，便于模擬量和數(shù)字量的采集，該單片機(jī)還集成有4KB內(nèi)部數(shù)據(jù)RAM和64KB Flash,片內(nèi)還配置了標(biāo)準(zhǔn)的JTAG接口，調(diào)試方便。

1.4 圖形式LCD顯示

系統(tǒng)采用 320X240 點(diǎn)陣圖形式液晶顯示模塊,顯示清晰、分辨率高、文本圖形顯示、具有EL背光。根據(jù)需要顯示站號(hào)（S）、重量（W）、射頻卡位置（P）等信息。

圖7 子站前面板LCD顯示圖

1.5 通訊接口[2]

通過(guò)交叉開關(guān)把C8051F020單片機(jī)的P0.0，P0.1設(shè)置為TX0，RX0。 采用SP3223轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)TTL電平與RS-232電平相轉(zhuǎn)換，數(shù)傳電臺(tái)采用ND-250A，其主要特點(diǎn)是日本原裝，采用FET放大電路，體積小，功耗低。

表1 ND-250A數(shù)傳電臺(tái)主要性能參數(shù)

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 主程序設(shè)計(jì)

圖8 主程序流程圖

軟件設(shè)計(jì)采用模塊化編程結(jié)構(gòu)，包括初始化子程序、數(shù)據(jù)采集處理子程序、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)子程序、LCD顯示子程序、按鍵獲取程序、傳感器標(biāo)定子程序、站號(hào)設(shè)定子程序、串口通訊子程序。所有程序代碼采用C語(yǔ)言編寫，可以方便地調(diào)試和下載程序，主程序流程如圖8所示。

2.2 通訊程序

地面上主站為及時(shí)獲得每個(gè)天車重量（毛重、皮重）、位置信息，由邏輯推理后可自動(dòng)生成各種報(bào)表，動(dòng)態(tài)流程畫面。主站采用輪尋點(diǎn)名方式通過(guò)無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)ND250發(fā)送站號(hào)指令，所有子站收到站號(hào)指令后均與機(jī)內(nèi)用戶設(shè)定的站號(hào)比較，站號(hào)相同的子站把最新數(shù)據(jù)（包括位置數(shù)據(jù)、毛重量數(shù)據(jù)、凈重量數(shù)據(jù)）通過(guò)數(shù)傳電臺(tái)ND250打包發(fā)送回去。為了降低無(wú)線傳輸中的誤碼率，采用循環(huán)冗余校驗(yàn)（CRC）的誤碼檢測(cè)技術(shù)，在數(shù)據(jù)包后面添加數(shù)據(jù)校驗(yàn)和，為了減少數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度，提高傳輸效率，本系統(tǒng)采用了8位的CRC校驗(yàn)，生成多項(xiàng)式為[5]：G(x)=x8+ x5+ x4+ 1，CRC編碼由程序完成。

3 結(jié)論[4]

射頻卡代替?zhèn)鹘y(tǒng)的光電開關(guān)組,CPU采用SOC芯片單片機(jī),無(wú)線傳輸部分采用功率、頻段、BAUD可調(diào)的日精數(shù)傳電臺(tái)，系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高、維護(hù)工作量小。該子站已在河南鳳寶煉鋼廠運(yùn)行一年，滿足設(shè)計(jì)要求。

[1] C8051F02x Data Sheets ,Cygnal Corporation.

[2] 李剛,林凌.與8051兼容的高性能、高速單片機(jī)-8051Fxxx.北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2002.

[3] 莫德舉.劉麗麗.RFIC卡讀寫器研發(fā)[J].儀器儀表學(xué)報(bào),2003(8):14-16.

[4] 王廣淘,揚(yáng)喜梅.天車對(duì)位下料裝置改進(jìn)方法的探討[J].鑄造設(shè)備研究,2007(4):26-28.

[5] 宋漢珍.微型計(jì)算機(jī)原理[M].北京:高等教育出版社,2005.