基于LPC11C14单片机、可读取RFID标签的服装生产工位机设计

    服装制造业是典型的劳动密集型产业，信息化的生产管理通常是欠缺的，特别是车间的管理。现代企业期望使用高新技术来增强产品的竞争力并降低成本，通过有效利用和控制物流信息，实现产能的最大化。国际上，伴随着生产物流信息化管理中的信息爆炸，RFID技术被引入来减轻人工输入和处理大批数据的负担，为生产流程的精细化管理提供依据。如今，国内的服装生产企业热衷于服装生产的信息化，亟需研发廉价的智能服装生产工位机。文中使用NXP公司的32位内置CAN控制器的ARM单片机，加上RFID读卡模块及CAN收发器，省去了CAN控制器芯片。CAN通讯采用单片机内部CAN控制器，通讯协议由单片机软件实现，从而简化了应用电路，提高了电路的实用性。

    1 恩智浦半导体LPC11C14单片机简述

    LPC11C14采用ARM公司的Cortex—M0内核，具有能耗极低、门数量少、代码占用空间小等特点。由于其低廉的价格和强大的控制、运算性能，被广泛运用于嵌入式网络。其具体性能指标如下：1)工作频率：最高50 MHz；工作温度范围：-40～+85°；宽电压供电：1．8～3．6 V；2)32 k字节的闪存存储器和8 k的SRAM；3)2个16位通用定时器和2个32位通用定时器；4)CAN控制单元，内部ROM集成供CAN和CANOpen标准使用的初始化和通信的API函数，用户可直接调用；兼容CAN2．0A／B，传输速率高连1 Mbit／s；支持32个消息对象，且每个消息对象有自己的掩码标识；提供可屏蔽中断。

    2 RFID技术分析

    离散制造的产品往往由多个零件经过一系列并不连续的工序的加工最终装配而成，服装制造正属于此类，生产过程中产品品种繁多、工艺复杂，包含庞大的生产物流信息量。因此，应用于服装制造的射频识别系统需要包含3部分：1)应答器，即物料的RFID标签，由耦合元件和芯片组成，内置天线，用于与射频天线通信。本系统采用的标签是载波频率为125 kHz只读式非接触卡，它靠渎卡器感应供电并读出存储在芯片EEPROM中的唯一卡号。无源和非接触是该芯片两个最突出的特点，射频接口电路是关键的核心技术，它从读卡器接收射频能量，为芯片产生电源和时钟，并采用相移键控和加载调幅等技术实现卡与读卡器问的无线通讯。2)阅读器，利用线射频信号通过空间耦合(交变磁场或电磁场)实现与应答器的信息传递。在耦合通道内，根据时序关系，将实现能量传递和数据交换。标签信息被读取完成之后，将会传输到后端应用软件。3)应用软件，对读写器获取的应答器信息进行处理，并通过CAN总线上传给服务器。RFID系统结构图如图1所示。

        3 系统硬件设计

    基于LPC11C14的工位机硬件部分主要由射频读卡模块、电源输入端、CAN通讯模块组成。总体硬件图如图2所示。

    3．1 射频读卡

    读卡芯片采用瑞士EM公司的专用读卡芯片EM4095，其特点如下：不需要外部时钟，载波频域100～150 kHz，兼容多种应答模式，睡眠模式电流1μA。如图3所示，使用这款读卡芯片外围电路简单，只需外加一个天线接收电路和少量的外围元件就能在微处理器的控制下读取IC卡上的信息。

    射频标签采用的是瑞士EM公司提供的非接触式只读RFID芯片H4001，其内部具有64位一次性可编程(One TimesProgrammable)的存储器，除了10个同步位和14个校验位外，其余的40个位在应用系统作为识别码使用。其典型的工作频率为125 kHz，数据传输编码采用曼彻斯特编码，传输速率为718 kbps。它具有各种外型封装，如ISO薄卡、ISO厚卡、钥匙扣等，是目前市场上性价比最好的非接触式只读RFID卡。

    3．2 CAN通讯模块

    由于IPC11C14单片机片内已经集成了CAN控制器，所以只需要外接一个CAN收发器就可以实现CAN通讯，这样就简化了电路并节省了电路成本。本设计采用的是飞利浦公司的高速收发器TJA1050。TJA1050是CAN控制器和物理总线之间的接口，可以提供对总线的差动发送能力和对CAN控制器的羞动接收能力。特点如下：具有高速率最高达1 Mbit／s；电磁抗干扰EMI性极高；不上电的节点不会对总线造成扰动；TXD引脚有防止箝位在显性总线电平的超时功能；保护总线引脚防止工业环境中的瞬态干扰；至少可以连接110个节点等。

    3．3 工位机与服务器PC通讯的架构

    实现CAN通讯之后，工位机还无法实现与服务器的通讯。本设计采用的是ZLG公司的CAN接口卡USBCAN-I。USBCAN-I符合CAN2．0A／B规范，支持5 kbps～1 Mbps之间的任意波特率，单通道最高数据流量达3 000 FPs(标准帧)，能满足服装生产中工位机与服务器通讯的需求。通讯系统结构图如图4所示。

    4 系统软件设计

    系统软件主程序框图如图5和图6所示，图5为主程序软件框图，图6为读卡中断软件流程图。

      主程序包含CAN数据帧的收发、RFID标签的读取、薄膜按键键值的读取和LCD屏的显示4个任务模块，涉及任务繁多、控制功能复杂。故采用了时间片轮转调度算法，系统将所有的任务按顺序排成一个先进先出队列，每次调度时把CPU分配给队首的任务，并令其执行一个时间片，构成微观上轮流运行、宏观上并执行的多任务效果。

    主程序处于死循环状态，当执行到读卡任务的时间片时，如果与DEMON_O相连接的GPIO口产生中断，将进入相应的中断响应函数。DEMON _O为读卡芯片EM4095的输出波形的接口，用一个中断方式的GPIO口来获取，并从EM4095的CLK口上得到的时钟作为基准，来记录DEMON_O上的脉宽。应用H4001芯片的射频标签采用的是曼彻斯特编码，从DEMON_O口读取的一段正确的波形应包含2种宽度的脉冲，宽脉冲应该在64个时钟周期的长度左右(即图6中的1T)，窄脉宽应该在32个时钟周期的长度左右(即图6中的0．5T)。根据这些信息来设置门限，就可以筛选出有效的波形来进行解码和校验的处理。LF频段射频标签的数据构成的依据是ISO11784／11785协议，其中规定1个9位(11111111)的数据头用于标志数据流的开始，校验部分将防止数据头的重复出现。

    根据CAN2。0B的规范，扩展帧信息为13个字节，包括信息和数据2部分。前5个字节为信息部分，字节6～13为数据帧的实际数据。CAN2.0 B规范如表1所示。

    
    因此在CAN通讯中，一个数据帧最多只能传输8个字节的数据，而通信中需要收发40多个字节的报文，则需要对报文进行拆包。下面是经过拆包的CAN报文通信协议。
    数据帧基本格式为：

        
    CAN帧地址标识域(29BIT)CAN帧数据域(64BIT)
    从以上的分解可以得知，多帧的第一帧是把数据包的“优先级”、“目的地址”、“源地址”放入CAN帧的地址标识域，“数据”放入CAN帧的数据域。“总帧数”用于标识当前数据包由几个数据帧组成，总帧数值为2—8，表示有2—8帧；“当前帧号”用于标识当前帧为数据包中第几个帧，其值为0—7，表示有1-8帧。
    第1帧“数据”(56BIT)部分分解为：

      第2帧到最后一帧的基本格式同第一帧，但“数据”部分只是紧接着上一帧的“具体生产物流信息”，长度为56 BIT。

    5 实际应用

    图7是生产线排产服务器的程序面板。在进行排产时，首先对CAN通讯定时器进行设置，以匹配波特率，然后点击“连接”和“启动CA N”按钮，以启动USBCAN-I接口卡；在任务设置栏中，输入工位号、工序号、物流卡号、工号以及任务时长，并点击“添加任务”按钮，将向工位机下达工单信息。任务状态栏则负责实时监控工单进度。通过实际测试发现，该工位机系统能够实时可靠地采集并处理生产物流信息。

    6 结论

    本系统采用RFID为数据采集手段和CAN总线通信技术，很好地解决物流信息的实时采集、传递和处理问题，为服装生产的数字化管理提供了支持。本系统已经在嘉兴森创时装有限公司进行了初步的现场调试，使生产效率提高了15％，产品质量问题降低了20％左右，企业的信息化管理程度得到了大大的提高。