面向紡織MES系統(tǒng)的RFID嵌入式數(shù)據(jù)采集終端設計

將射頻識別(RFID)技術與ARM嵌入式處理器相結合應用于企業(yè)生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)采集及企業(yè)生產(chǎn)管理信息的獲取，可以有效地解決目前生產(chǎn)領域遇到的上述問題。本文設計給出了面向紡織服裝企業(yè)生產(chǎn)制造執(zhí)行系統(tǒng)的網(wǎng)絡架構，并在此之上介紹一種基于ARM Cortex-M處理器、通用無線射頻識別數(shù)據(jù)采集終端的設計和實現(xiàn)。

現(xiàn)今全球紡織服裝行業(yè)市場競爭日益激烈，信息化戰(zhàn)略已成為紡織服裝制造企業(yè)提升市場競爭能力的重要發(fā)展戰(zhàn)略之一。紡織服裝業(yè)作為我國制造業(yè)的重要組成，在我國“制造業(yè)信息化工程”的背景下，已被國家列為信息化技術改革的重點行業(yè)。隨著中國加入WTO和經(jīng)濟全球化，我國在成為世界制造業(yè)中心的同時也面臨前所未有的機遇和挑戰(zhàn)。以信息化帶動工業(yè)化，迅速提高企業(yè)的核心競爭力，是現(xiàn)今紡織服裝企業(yè)急需解決的重要問題。

要實現(xiàn)企業(yè)信息化，尤其是生產(chǎn)過程和企業(yè)管理信息化，首先要解決的問題就是來自生產(chǎn)過程和企業(yè)管理中的大量數(shù)據(jù)信息的獲取和傳輸。只有快捷、準確、方便地采集這些大量底層數(shù)據(jù)，才能實現(xiàn)對生產(chǎn)過程、物流管理、生產(chǎn)計劃、調度和質量等的監(jiān)測與控制。因此，生產(chǎn)信息的數(shù)據(jù)采集與集成將是企業(yè)信息化工程的關鍵所在，在企業(yè)信息化的不斷深入過程中，將發(fā)揮越來越重要的作用。在紡織企業(yè)傳統(tǒng)生產(chǎn)過程中，底層生產(chǎn)數(shù)據(jù)大多是依賴人工進行記錄來獲取的，盡管操作方法繁冗，生產(chǎn)數(shù)據(jù)記錄滯后，無法實現(xiàn)實時監(jiān)控和統(tǒng)計，數(shù)據(jù)可靠性差，效率較低，但目前仍有不少企業(yè)在采用這一傳統(tǒng)方法。在一些設備較為先進的企業(yè)里，生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集已由電子系統(tǒng)自動獲取逐步代替了人工記錄，但數(shù)據(jù)采集終端設備大都采用單片機、串口通信、工控機的模式實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與控制。這些終端單元具有分散性、獨立性，通信距離短，不便于系統(tǒng)的集中管理等缺點。

將射頻識別(RFID)技術與ARM嵌入式處理器相結合應用于企業(yè)生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)采集及企業(yè)生產(chǎn)管理信息的獲取，可以有效地解決目前生產(chǎn)領域遇到的上述問題。本文設計給出了面向紡織服裝企業(yè)生產(chǎn)制造執(zhí)行系統(tǒng)的網(wǎng)絡架構，并在此之上介紹一種基于ARM Cortex-M處理器、通用無線射頻識別數(shù)據(jù)采集終端的設計和實現(xiàn)。

1 RFID技術原理及系統(tǒng)組成

RFID是射頻識別技術的英文所寫，又稱電子標簽，是一項利用射頻信號通過空間交變電磁場耦合實現(xiàn)無接觸信息傳遞并通過所傳遞信息達到識別目的的技術。在射頻識別系統(tǒng)應用中，射頻標簽附著在被識別的物體上，其一旦進入射頻讀卡器的讀寫范圍，內部數(shù)據(jù)信息就可按約定方式與射頻讀卡器進行通信，從而完成自動獲取物品標志信息的功能。

一個典型的射頻識別系統(tǒng)是由射頻標簽(也稱射頻卡、電子標簽或應答器)、射頻讀寫器(PCD)2個部分組成，如圖1所示。

圖1 典型無源RFID系統(tǒng)

射頻標簽是內含天線的存儲控制芯片，內存有能夠識別目標的信息。讀寫器由控制單元、發(fā)送器和接收器3個部分構成，主要負責與射頻標簽之間能量的傳遞，數(shù)據(jù)的加密/解密，信號的編碼/解碼，以及與上位機的通信。

2 基于RFID的生產(chǎn)制造執(zhí)行系統(tǒng)架構的設計

制造執(zhí)行系統(tǒng)(Manufacturing Execution System，簡稱MES)是近年來興起的一項制造管理技術，屬于制造業(yè)信息化領域。它是將位于企業(yè)上層的ERP系統(tǒng)與底層設備自動控制系統(tǒng)結合在一起的中間管理系統(tǒng)。一方面，MES可以對來自ERP的生產(chǎn)管理信息進行細化、分解，通過更為精確，更為優(yōu)化的制造指令，將計劃層的操作意圖傳遞給底層設備自動控制系統(tǒng);另一方面，MES可以實現(xiàn)生產(chǎn)制造數(shù)據(jù)的自動化采集及實時監(jiān)控底層設備的運行狀態(tài)，從而加強計劃管理層與底層控制之間的溝通。

紡織企業(yè)使用MES通常需要設計原材料管理、在制品管理、操作工管理、生產(chǎn)設備管理等多個對象，而且管理量非常巨大，尤其是在制品的管理，僅此1項每天就涉及幾萬件甚至十幾萬件。采用RFID技術可以用非接觸式的方式跟蹤在制品的實時分布情況，產(chǎn)品的追溯以及標識身份認證均可通過RFID解決。由于MES系統(tǒng)及其數(shù)據(jù)信息對于一個企業(yè)來講是舉足輕重的，所有生產(chǎn)現(xiàn)場相關數(shù)據(jù)都是通過MES的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實現(xiàn)的，數(shù)據(jù)的實耐性和準確性是該部分的核心要求。因此，其框架結構的設計最根本的要求是實時性、穩(wěn)定性、可靠性和復用性等，采用獨立的網(wǎng)絡架構是可靠的選擇。

在充分考慮紡織企業(yè)生產(chǎn)制造流程、年度生產(chǎn)計劃、物料需求計劃、產(chǎn)品銷售狀況等因素的基礎上，根據(jù)企業(yè)的生產(chǎn)特點及存在的問題，將系統(tǒng)在物理層面上劃分為3個部分，即現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)采集、現(xiàn)場數(shù)據(jù)管理和控制、企業(yè)生產(chǎn)管理及數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，其物理設計框架結構如圖2所示。

圖2 基于RFID的生產(chǎn)制造執(zhí)行系統(tǒng)物理架構

整個MES系統(tǒng)中采用3層Client/Server網(wǎng)絡結構，數(shù)據(jù)庫集成在企業(yè)級專用服務器，并分為現(xiàn)場生產(chǎn)數(shù)據(jù)庫和生產(chǎn)管理數(shù)據(jù)庫?，F(xiàn)場生產(chǎn)數(shù)據(jù)庫提供整個系統(tǒng)的核心數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)采集終端根據(jù)實際情況實時更新，生產(chǎn)管理數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析以生產(chǎn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)庫為基礎。數(shù)據(jù)采集終端負責生產(chǎn)數(shù)據(jù)的實時采集和生產(chǎn)計劃任務示;實時數(shù)據(jù)通信程序負責與數(shù)據(jù)采集模塊進行交互數(shù)據(jù)通信，完成對采集到的生產(chǎn)數(shù)據(jù)分析和生成數(shù)據(jù)采集終端的操作界面，并與生產(chǎn)管理控制部分進行通信獲取生產(chǎn)計劃數(shù)據(jù)及控制信息。數(shù)據(jù)采集服務器直接與各種終端設備相連，用于控制RFID讀寫設備按照預定的方式工作，保證不同的設備之間能很好地協(xié)調配合，還能按照一定的規(guī)則過濾數(shù)據(jù)，篩除冗余數(shù)據(jù)，將真正有效的數(shù)據(jù)傳送至后臺的信息系統(tǒng)。生產(chǎn)管理服務器則集中管理所有的數(shù)據(jù)采集服務器，處理各種RFID事件和信息交換，實時工作流管理，與各種現(xiàn)有應用系統(tǒng)進行很好的集成，用戶可以圍繞這些數(shù)據(jù)進行業(yè)務流程的創(chuàng)新和新的應用。

3 嵌入式數(shù)據(jù)采集終端的硬件設計

數(shù)據(jù)采集終端硬件采用模塊化設計，整體結構由嵌入式處理器、RFID射頻識別、RFID天線、通信接口、以太網(wǎng)絡接口、人機交互、JTAG系統(tǒng)調試、電源、復位等單元電路構成，其硬件系統(tǒng)整體結構如圖3所示。

圖3 嵌入式數(shù)據(jù)采集終端結構圖

嵌入式控制單元是整個硬件系統(tǒng)的核心，主要負責處理RFID射頻模塊采集到底層現(xiàn)場的Tag數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)的存儲、網(wǎng)絡通信及人機交互的處理。在注重系統(tǒng)性能的同時兼顧小體積、低功耗、低成本，故采用Luminary Micro公司StellarisTM系列基于ARM Cortex-M3的微控制器LM3S615.StellarisTM系列LM3S615微控制器是專門針對工廠自動化、測試和測量設備控制、運動控制以及電力/能源監(jiān)控等工業(yè)應用而設計的，其擁有ARM微控制器所具有的眾多優(yōu)點，擁有多種廣泛使用的ARM開發(fā)工具及片上系統(tǒng)的底層IP應用方案。

此外，系統(tǒng)設計了鍵盤電路和液晶顯示電路作為人機交互平臺，為保證系統(tǒng)可靠工作設計了電源電路及其相應的監(jiān)控電路。以下著重對數(shù)據(jù)采集及外圍設備的通信電路設計加以詳細說明。

3.1 射頻識別單元設計

射頻識別單元設計主要包括RFID射頻模塊及射頻天線2大部分的設計工作。在非接觸式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，作為信息獲取的途徑，其設計的優(yōu)劣將關系到整個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的成敗。射頻識別芯片選用荷蘭NXP公司的非接觸式射頻讀寫芯片MF RC522，是應用于13.56 MHz 非接觸式通信的一款高集成度IC讀寫芯片，完全集成了在此頻率下所有類型的被動非接觸式通信方式和通信協(xié)議。

3.1.1 MF RC522射頻芯片接口電路設計

MF RC522與主機闖的通信采用連線較少的串行通信，且可根據(jù)不同的用戶需求，選取SPI、12C或串行UART模式之一。由于LM3S615控制器本身帶有I2C總線接口，可以方便的與射頻識別芯片相連，故在設計時MF RC522與控制器的連接采用I2 C總線接口模式。MF RC522與LM3S615控制器的接口電路如圖4所示。

圖4 MF RC522與微控制器的接口電路

射頻芯片工作在模擬信號和數(shù)字信號混合的環(huán)境中，因此各個電源之間的處理很重要，以防止干擾影響到數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性。這里有AVDD、TVDD、DVDD以及AVSS、TVSS、DVSS分別為模擬部分電源輸入、天線激勵部分電源輸入、數(shù)字部分電源輸入以及模擬地、天線電源地、數(shù)字地。這里分別對3種電源輸入進行LC濾波，采用100 uH的電感與3個10 uF的電容連接組成LC濾波器，使得電源中串入的干擾及噪聲控制在可接受范圍內，并將3種地在一點與系統(tǒng)地連接。

3.1.2 RFID射頻天線電路設計

無源電感耦合式射頻識別系統(tǒng)中，天線在讀寫器與射頻卡之間的能量供應和信息傳輸中起著非常重要的作用。天線的設計構造應滿足如下幾點：使天線線圈的電流最大，用于產(chǎn)生最大的磁通量;功率匹配，以最大程度利用所產(chǎn)生磁通量的可用能量;足夠的帶寬，以無失真的傳送數(shù)據(jù)載波信號。

天線線圈的設計采用PCB板的形式，線圈電感量可以根據(jù)如下公式估算：

式中N為線圈匝數(shù)，l為線圈周長，d為銅箔寬度，K為天線的形狀參量(環(huán)形天線K=1.07，矩形天線K=1.47)。

MF RC522與天線的接口由TX1、TX2、RX及VMID連接，已在圖4中給出。TX1、TX2負責調制后的射頻信號輸出到天線，激勵天線產(chǎn)生電磁波將信號輸出到電子標簽，而RX引腳則接收電子標簽調制后由天線接收到的副載波信號，信號經(jīng)過內部狀態(tài)機的解調解碼后成為接收到的數(shù)據(jù)。在圖4的電路圖中，TX1、TX2與TVSS接到1個由L01、L02、C01、C02組成的LC低通濾波器，然后再輸出到天線，這部分的作用是為了電磁兼容設計，減少輻射到外部環(huán)境中的電磁干擾。L01、L02的值為2.2 uH，C01、C02的值為47 pF。

3.2 其他外圍接口電路設計

考慮到目前國內大多紡織企業(yè)生產(chǎn)設備仍舊是新老共存的現(xiàn)狀，新式設備先進，自動化程度高，便于企業(yè)信息化管理，而老式設備使用時間較長，自動化程度相對較低，因此，在系統(tǒng)設計中集成了多種通信設備接口，以提高系統(tǒng)的兼容性。

3.2.1 以太網(wǎng)接口電路

以太網(wǎng)通信模塊為系統(tǒng)提供以太網(wǎng)接入的物理通道，通過該接口，系統(tǒng)可以實現(xiàn)10 Mbps速率的接入。本設計采用WIZnet公司的兼容IEEE802.3以太網(wǎng)控制器W5100。W5100是一款多功能的單片網(wǎng)絡接口芯片，它內部集成有10/100 Mbps以太網(wǎng)控制器，可支持自動應答(全雙工/半雙工模式)，與中央處理單元可以采用標準SPI方式連接，可以實現(xiàn)沒有操作系統(tǒng)的Internet連接，主要用于高集成、高穩(wěn)定、高性能和低成本的嵌入式網(wǎng)絡應用系統(tǒng)。

在W5100中，SEN為SPI接口使能引腳，將其經(jīng)10 kΩ電阻上拉到高電平以允許SPI模式;CS為片選引腳，低電平有效，主要用于在并行總線連接時MCU訪問W5100內部寄存器或存儲器，W5100與處理器的接口電路如圖5所示。

圖5 以太網(wǎng)接口電路

3.2.2 USB接口電路

USB(Universal Serial Bus)總線是近年來出現(xiàn)在計算機系統(tǒng)上的標準外設通信接口，具有接口簡單、信息傳輸量大、即插即用等特點，目前應用十分廣泛。本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計了基于I2C總線協(xié)議的USB總線接口，可方便地與其它USB外設進行數(shù)據(jù)通信。該系統(tǒng)選用Philips公司的USB接口芯片PDIUSBD11，因其具有I2C接口，可以方便實現(xiàn)與微控制器的連接，其電路設計如圖6所示。

圖6 USB接口電路

3.2.3 RS232/RS485總線接口電路

為便于與當前工業(yè)企業(yè)中仍在使用的老式設備進行數(shù)據(jù)通信，數(shù)據(jù)采集終端也設計了現(xiàn)階段使用較為普遍的RS232與RS485串行總線接口。系統(tǒng)選用SP3232E來完成RS232與TTL的電平轉換工作，采用SP3485收發(fā)器作為系統(tǒng)RS485設備的總線接口。

4 嵌入式數(shù)據(jù)采集終端軟件設計

生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中終端應用軟件需按任務進行規(guī)劃和設計，最關鍵的幾個任務為：系統(tǒng)初始化以及主程序、RFID讀寫器信息處理任務、TCP/IP通信任務、人機界面管理、狀態(tài)檢測和控制。大部分程序功能模塊都是采用中斷方式完成的，這樣可以使程序迅速響應其他外部事件，及時準確的對外設進行控制。軟件系統(tǒng)主程序流程如圖7所示。

圖7 數(shù)據(jù)采集終端系統(tǒng)軟件主程序流程

4.1 射頻識別單元軟件結構設計

在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，采用RFID技術實現(xiàn)底層生產(chǎn)數(shù)據(jù)的識別與控制。作為軟件系統(tǒng)的核心，將詳細說明射頻識別單元射頻標簽與讀寫器之間數(shù)據(jù)通信的軟件設計。

射頻識別數(shù)據(jù)采集部分主要包括射頻識別芯片初始化、標簽查詢、防沖突檢測、標簽卡選擇、認證操作、數(shù)據(jù)塊讀寫等。讀寫終端與標簽卡的通信整體流程如圖8所示。

圖8 讀寫終端與標簽卡通信流程

4.2 MF RC522對標簽的尋卡程序設計流程

當MF RC522初始化結束后，第1步工作就是尋找感應區(qū)內是否有滿足ISO/IEC 14443A標準的射頻卡。尋卡程序的流程如圖9所示。

圖9 MF RC522對標簽的尋卡程序流程

流程中尋卡命令有2個：0x52表示尋找感應區(qū)內所有符合14443A的標準卡，0x26表示尋找未進入休眠狀態(tài)的卡。返回值2個字節(jié)的卡片類型數(shù)據(jù)，0x4400表示Mifare UhraLight卡，0x0400表示Mifare One(S50)卡，0x0200表示Mifare One(S70)卡，0x0800表示Mifare Pro(X)卡，0x4403表示Mifare DESFire卡。

4.3 射頻標簽防碰撞程序設計流程

當MF RC522的感應區(qū)內同時有多個射頻卡時，需要進行防碰撞處理。ISO/IEC 1443A的防碰撞指令格式以及防碰撞程序流程如圖10所示。

圖10 MF RC522對標簽的防碰撞程序流程

圖10中，防碰撞指令0x93表示射頻卡的UID只有4個字節(jié)，NVM表示UID中有效的比特數(shù)，如當NVM為0x20時表示UID的有效比特數(shù)為32 bit。BCC只有當NVM為0x70時(即UID的4個字節(jié)都正確)才存在，表示此時整個UID都被識別，最終結果是要取得卡片的UID，防碰撞流程結束。

4.4 讀射頻標簽程序設計流程

在對卡片的塊區(qū)進行操作前，為提高安全性，必須對卡片進行密鑰驗證。當密鑰選擇為0×60時表示驗證密鑰A;當密鑰選擇為0×61時表示驗證密鑰B。當密鑰驗證碼寫入FIFO并發(fā)送出去后如果無錯誤返回值，可對射頻標簽進行讀寫操作。

射頻標簽讀操作指令先要計算讀操作指令的CRC校驗碼(2個字節(jié))，最后把這2個字節(jié)的指令和2個字節(jié)的CRC校驗碼發(fā)送到FIFO。當返回值無CRC錯誤并得到18個字節(jié)的數(shù)據(jù)時，說明讀操作成功。在這18個字節(jié)中只有16個字節(jié)是有效的，剩下的2個字節(jié)為填充字節(jié)。讀操作流程如圖11所示。

圖11 讀標簽操作流程

4.5 寫射頻標簽程序設計流程

寫操作指令包含2次握手過程。第1次先往FIFO內送入寫操作指令，等待卡片的應答信號，如果接收到4個比特的應答信號1010，則可以發(fā)送數(shù)據(jù);否則說明塊區(qū)未準備好，必須等待塊區(qū)準備好后再寫數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)寫入以后同樣等待卡片的應答信號，如果接收到4個比特的應答信號1010，則說明寫入成功;否則說明寫入失敗。寫操作的流程如圖12所示。

圖12 寫標簽操作流程

5 系統(tǒng)測試

為便于測試RFID數(shù)據(jù)采集終端數(shù)據(jù)讀寫的可靠性，設計開發(fā)了簡單的PC端上位機演示程序。該軟件基于Visual Basic程序設計語言開發(fā)，系統(tǒng)測試直觀、方便。軟件的主要功能是測試RFID讀寫器與射頻標簽之間數(shù)據(jù)通信的正確性和可靠性，如圖13所示。

圖13 射頻標簽讀寫測試

6 結束語

本文面向紡織企業(yè)信息化改造，設計了基于RFID技術的生產(chǎn)制造執(zhí)行系統(tǒng)總體框架結構，并針對企業(yè)現(xiàn)有生產(chǎn)線數(shù)據(jù)采集終端的一些不足，構建了基于RFID技術、嵌入式技術與Internet技術3者相結合的數(shù)據(jù)采集終端系統(tǒng)。經(jīng)測試，該系統(tǒng)可以有效地解決目前生產(chǎn)領域數(shù)據(jù)采集處理的問題，在控制系統(tǒng)成本的同時，獲得更高的安全性、可靠性和便捷性，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、生產(chǎn)管理以及企業(yè)信息控制的無縫集成。