基于LPC11C14的服裝工位機(jī)設(shè)計

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，特別是車間的管理。現(xiàn)代企業(yè)期望使用高新技術(shù)來增強(qiáng)產(chǎn)品的競爭力并降低成本，通過有效利用和控制物流信息，實現(xiàn)產(chǎn)能的最大化[1]。國際上，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)軟件實現(xiàn)，從而簡化了應(yīng)用電路，提高了電路的實用性。

1 恩智浦半導(dǎo)體LPC11C14單片機(jī)簡述

LPC11C14采用ARM公司的Cortex-M0內(nèi)核，具有能耗極低、門數(shù)量少、代碼占用空間小等特點(diǎn)。由于其低廉的價格和強(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)的閃存存儲器和8 k的SRAM；3）2個16位通用定時器和2個32位通用定時器；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個消息對象，且每個消息對象有自己的掩碼標(biāo)識；提供可屏蔽中斷[2]。

2 RFID技術(shù)分析

離散制造的產(chǎn)品往往由多個零件經(jīng)過一系列并不連續(xù)的工序的加工最終裝配而成，服裝制造正屬于此類，生產(chǎn)過程中產(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)供電并讀出存儲在芯片EEPROM中的唯一卡號。無源和非接觸是該芯片兩個最突出的特點(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)生電源和時鐘，并采用相移鍵控和加載調(diào)幅等技術(shù)實現(xiàn)卡與讀卡器間的無線通訊。2）閱讀器，利用線射頻信號通過空間耦合（交變磁場或電磁場）實現(xiàn)與應(yīng)答器的信息傳遞。在耦合通道內(nèi)，根據(jù)時序關(guān)系，將實現(xiàn)能量傳遞和數(shù)據(jù)交換。標(biāo)簽信息被讀取完成之后，將會傳輸?shù)胶蠖藨?yīng)用軟件。3）應(yīng)用軟件，對讀寫器獲取的應(yīng)答器信息進(jìn)行處理，并通過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

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。總體硬件圖如圖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公司的專用讀卡芯片EM4095，其特點(diǎn)如下:不需要外部時鐘，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單，只需外加一個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）的存儲器，除了10個同步位和14個校驗位外，其余的40個位在應(yīng)用系統(tǒng)作為識別碼使用。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，是目前市場上性價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CAN收發(fā)器就可以實現(xiàn)CAN通訊，這樣就簡化了電路并節(jié)省了電路成本。本設(shè)計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，可以提供對總線的差動發(fā)送能力和對CAN控制器的差動接收能力。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)不會對總線造成擾動；TXD引腳有防止箝位在顯性總線電平的超時功能；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)

實現(xiàn)CAN通訊之后，工位機(jī)還無法實現(xiàn)與服務(wù)器的通訊。本設(shè)計采用的是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

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個任務(wù)模塊，涉及任務(wù)繁多、控制功能復(fù)雜。故采用了時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度算法，系統(tǒng)將所有的任務(wù)按順序排成一個先進(jìn)先出隊列，每次調(diào)度時把CPU分配給隊首的任務(wù)，并令其執(zhí)行一個時間片，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)的時間片時，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，用一個中斷方式的GPIO口來獲取，并從EM4095的CLK口上得到的時鐘作為基準(zhǔn)，來記錄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個時鐘周期的長度左右（即圖6中的1T），窄脈寬應(yīng)該在32個時鐘周期的長度左右（即圖6中的0.5T）。根據(jù)這些信息來設(shè)置門限，就可以篩選出有效的波形來進(jìn)行解碼和校驗的處理。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9位（11111111）的數(shù)據(jù)頭用于標(biāo)志數(shù)據(jù)流的開始，校驗部分將防止數(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個字節(jié)，包括信息和數(shù)據(jù)2部分。前5個字節(jié)為信息部分，字節(jié)6～13為數(shù)據(jù)幀的實際數(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，一個數(shù)據(jù)幀最多只能傳輸8個字節(jié)的數(shù)據(jù)，而通信中需要收發(fā)40多個字節(jié)的報文，則需要對報文進(jìn)行拆包。下面是經(jīng)過拆包的CAN報文通信協(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”、“目的地址”、“源地址”放入CAN幀的地址標(biāo)識域，“數(shù)據(jù)”放入CAN幀的數(shù)據(jù)域。“總幀數(shù)”用于標(biāo)識當(dāng)前數(shù)據(jù)包由幾個數(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”用于標(biāo)識當(dāng)前幀為數(shù)據(jù)包中第幾個幀，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”，長度為56 BIT。

5 實際應(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，首先對CAN通訊定時器進(jìn)行設(shè)置，以匹配波特率，然后點(diǎn)擊“連接”和“啟動CAN”按鈕，以啟動USBCAN-I接口卡；在任務(wù)設(shè)置欄中，輸入工位號、工序號、物流卡號、工號以及任務(wù)時長，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)實時監(jiān)控工單進(jìn)度。通過實際測試發(fā)現(xiàn)，該工位機(jī)系統(tǒng)能夠?qū)崟r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時采集、傳遞和處理問題，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)時裝有限公司進(jìn)行了初步的現(xiàn)場調(diào)試，使生產(chǎn)效率提高了15%，產(chǎn)品質(zhì)量問題降低了20%左右，企業(yè)的信息化管理程度得到了大大的提高。

[1]魯洋.基于RFID技術(shù)的生產(chǎn)管理系統(tǒng)研究[D].湖北:武漢科技大學(xué)，2010.

[2]Guangzhou ZLGMCU Development.LPC1100系列微控制器[EB/OL].[2010].http://www.zlgmcu.com/NXP/LPC1000/lpc1110/LPC1100_um_all_cn.zip.

[3]張挺，熊璋，王劍昆，等.一種基于現(xiàn)場總線的RFID互聯(lián)系統(tǒng)研究與實現(xiàn)[J].微電子學(xué)與計算機(jī)，2007，24（4）：151-155.ZHANG Ting，XIONG Zhang，WANG Jian-kun.Design of networked radio frequency identification system based on control area network[J].Microelectronics&Computer， 2007，24（4）：151-155.

[4]劉宏超.基于EM4095的牲畜信息閱讀器的研究 [D].黑龍江:東北農(nóng)業(yè)大學(xué)，2011.

[5]Guangzhou ZLGMCU Development.TJA1050 CAN高速收發(fā)器應(yīng)用指南 [EB/OL].[2008].http://www.zlgmcu.com/philips/can/tja1050/tja1050yingrongzhinan_cn.pdf.

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

[7]曾慶遠(yuǎn)，劉鐮斧.基于RF前端芯片EM4095的RFID閱讀器設(shè)計[C]//2008年中國西部青年通信學(xué)術(shù)會議論文集，2008:515-521.