基于射頻卡定位技術的煉鋼廠天車物流從站設計與實現

杜衛華， 張 婕，李金文，高樹紅

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

0 引言

在煉鋼廠，生產管理需要獲得混鐵爐鐵水的入爐量、出爐量，按班、日、月進行統計匯總，獲得轉爐每爐鋼的入鐵量、廢鋼放入量、產鋼量，這些數據的獲取可通過現場天車吊運物料的重量變化、天車的位置變化再與煉鋼廠的工藝流程相結合，計算機就可以根據重量邏輯、位置邏輯和時序邏輯來定性、定量判斷天車進行了何種作業，從而自動計量出兌入鐵水量、加入廢鋼量、出鋼量和連鑄消耗等，代替了抄報員的繁重工作。煉鋼現場電磁干擾比較嚴重，天車的作業性質決定其數據只能無線傳輸，所以天車物流子站的設計是物流管理系統的核心。

圖1 天車定位分布點及射頻卡安裝位置（地址）

本文以河南鳳寶煉鋼廠天車物流管理系統的天車物流子站設計為例，介紹了物流子站的設計方案。現場情況如圖1所示，共有三跨：600t混鐵爐跨，加料跨，澆鋼跨，為了實現天車吊運作業內容和吊運物料種類進行判斷，我們根據實際需要選定以下12個位置作為天車定位點（每個定位點加裝位置標識即加裝射頻卡）。

1 子站結構及工作原理

子站系統采用模塊化設計方法,由射頻卡定位模塊、重量調理模塊、數據遠傳模塊組成。

1.1 射頻卡讀卡器的設計

1.1.1 射頻卡定位原理

射頻識別是一種非接觸式的自動識別技術，它通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關數據。RFID識別系統通常由射頻卡標簽、讀寫器、天線組成。工作時，讀寫器通過系統天線發送一定頻率的射頻信號，當射頻卡標簽進入發射天線工作區域時產生感應，從而獲得能量并被激活。激活后的射頻卡標簽將自身編碼等信息通過其內置天線發送出去，系統天線接受到射頻卡標簽發送來的載波信號，經讀寫器對其進行解調和譯碼，并將譯碼后的數據送到主系統進行相關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安裝射頻卡，在天車側面安裝射頻卡讀卡器，及時獲取天車的位置信息。

1.1.2 射頻卡讀卡器的設計

1）讀卡器天線設計

讀卡器中的天線用于產生磁通量，而磁通量用于向射頻卡片提供電源，對讀卡器天線的設計有三點要求:

（1）天線線圈的電流最大,用于產生最大的磁通量。

（2）功率匹配，最大程度地利用產生磁通量的可用能量；

（3）足夠的帶寬，以無失真地傳送數據調制的載波信號。

圖2 系統電氣原理圖

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

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

2）讀卡器電路設計

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射頻卡進入距離射頻天線100mm內，讀卡器就可以讀到卡中的數據。讀卡器讀到Mifare卡中的數據后，系統單片機要將所讀卡號及時間一起存入存儲器，同時指示燈閃一次，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

讀卡要執行一系列的操作指令，調用多個C51函數。包括裝載密碼、詢卡、防沖突、選卡、驗證密碼、讀卡、停卡，這一系列的操作必須按固定的順序進行。

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

1.2 稱重傳感器信號調理、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，信號調理電路由AD620高精度集成運算放大器和OPA27組成的濾波電路組成，電路增益通過調節Rg來實現,即 G=49.4/Rg+1，電氣原理圖如圖5所示。

圖5 QS-M傳感器信號調理電路

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[1]

C8051F020是美國CYGNAL公司推出的混合信號系統芯片，是高度集成的片上系統，它嵌入了一款高速、低功耗、高性能的8位微處理器，最突出的特點是高速指令處理能力。C8051F020采用CIP-51微控制器內核，與MCS-51指令完全兼容。CIP-51采用流水線結構，與標準的8051相比，指令執行速度有很大的提高。片內集成了多通道12位和8位A/D轉換器以及一個雙12位D/A轉換器，兩個增強型UART串口，便于模擬量和數字量的采集，該單片機還集成有4KB內部數據RAM和64KB Flash,片內還配置了標準的JTAG接口，調試方便。

1.4 圖形式LCD顯示

系統采用 320X240 點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。根據需要顯示站號（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]

通過交叉開關把C8051F020單片機的P0.0，P0.1設置為TX0，RX0。 采用SP3223轉換器實現TTL電平與RS-232電平相轉換，數傳電臺采用ND-250A，其主要特點是日本原裝，采用FET放大電路，體積小，功耗低。

表1 ND-250A數傳電臺主要性能參數

2 系統軟件設計

2.1 主程序設計

圖8 主程序流程圖

軟件設計采用模塊化編程結構，包括初始化子程序、數據采集處理子程序、數據存儲子程序、LCD顯示子程序、按鍵獲取程序、傳感器標定子程序、站號設定子程序、串口通訊子程序。所有程序代碼采用C語言編寫，可以方便地調試和下載程序，主程序流程如圖8所示。

2.2 通訊程序

地面上主站為及時獲得每個天車重量（毛重、皮重）、位置信息，由邏輯推理后可自動生成各種報表，動態流程畫面。主站采用輪尋點名方式通過無線數傳電臺ND250發送站號指令，所有子站收到站號指令后均與機內用戶設定的站號比較，站號相同的子站把最新數據（包括位置數據、毛重量數據、凈重量數據）通過數傳電臺ND250打包發送回去。為了降低無線傳輸中的誤碼率，采用循環冗余校驗（CRC）的誤碼檢測技術，在數據包后面添加數據校驗和，為了減少數據包長度，提高傳輸效率，本系統采用了8位的CRC校驗，生成多項式為[5]：G(x)=x8+ x5+ x4+ 1，CRC編碼由程序完成。

3 結論[4]

射頻卡代替傳統的光電開關組,CPU采用SOC芯片單片機,無線傳輸部分采用功率、頻段、BAUD可調的日精數傳電臺，系統抗干擾能力強、可靠性高、維護工作量小。該子站已在河南鳳寶煉鋼廠運行一年，滿足設計要求。

[1] C8051F02x Data Sheets ,Cygnal Corporation.

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

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

[4] 王廣淘,揚喜梅.天車對位下料裝置改進方法的探討[J].鑄造設備研究,2007(4):26-28.

[5] 宋漢珍.微型計算機原理[M].北京:高等教育出版社,2005.