基于LPC11C14的服裝工位機設計

楊益，張中煒，康如婷

（東華大學 信息科學與技術學院，上海 201620）

服裝制造業是典型的勞動密集型產業，信息化的生產管理通常是欠缺的，特別是車間的管理。現代企業期望使用高新技術來增強產品的競爭力并降低成本，通過有效利用和控制物流信息，實現產能的最大化[1]。國際上，伴隨著生產物流信息化管理中的信息爆炸，RFID技術被引入來減輕人工輸入和處理大批數據的負擔，為生產流程的精細化管理提供依據。如今，國內的服裝生產企業熱衷于服裝生產的信息化，亟需研發廉價的智能服裝生產工位機。文中使用NXP公司的32位內置CAN控制器的ARM單片機，加上RFID讀卡模塊及CAN收發器，省去了CAN控制器芯片。CAN通訊采用單片機內部CAN控制器，通訊協議由單片機軟件實現，從而簡化了應用電路，提高了電路的實用性。

1 恩智浦半導體LPC11C14單片機簡述

LPC11C14采用ARM公司的Cortex-M0內核，具有能耗極低、門數量少、代碼占用空間小等特點。由于其低廉的價格和強大的控制、運算性能，被廣泛運用于嵌入式網絡。其具體性能指標如下：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，內部ROM集成供CAN和CANOpen標準使用的初始化和通信的API函數，用戶可直接調用；兼容CAN2.0A/B，傳輸速率高達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識；提供可屏蔽中斷[2]。

2 RFID技術分析

離散制造的產品往往由多個零件經過一系列并不連續的工序的加工最終裝配而成，服裝制造正屬于此類，生產過程中產品品種繁多、工藝復雜，包含龐大的生產物流信息量。因此，應用于服裝制造的射頻識別系統需要包含3部分：1）應答器，即物料的RFID標簽，由耦合元件和芯片組成，內置天線，用于與射頻天線通信。本系統采用的標簽是載波頻率為125 kHz只讀式非接觸卡，它靠讀卡器感應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，射頻接口電路是關鍵的核心技術，它從讀卡器接收射頻能量，為芯片產生電源和時鐘，并采用相移鍵控和加載調幅等技術實現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）實現與應答器的信息傳遞。在耦合通道內，根據時序關系，將實現能量傳遞和數據交換。標簽信息被讀取完成之后，將會傳輸到后端應用軟件。3）應用軟件，對讀寫器獲取的應答器信息進行處理，并通過CAN總線上傳給服務器[3]。RFID系統結構圖如圖1所示。

圖1 RFID系統結構圖Fig.1 Structure chart of RFID system

3 系統硬件設計

基于LPC11C14的工位機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 系統硬件結構圖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，其特點如下:不需要外部時鐘，載波頻域100～150 kHz，兼容多種應答模式，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個位在應用系統作為識別碼使用。其典型的工作頻率為125 kHz，數據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單片機片內已經集成了CAN控制器，所以只需要外接一個CAN收發器就可以實現CAN通訊，這樣就簡化了電路并節省了電路成本。本設計采用的是飛利浦公司的高速收發器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送能力和對CAN控制器的差動接收能力。特點如下：具有高速率最高達1 Mbit/s；電磁抗干擾EMI性極高；不上電的節點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；保護總線引腳防止工業環境中的瞬態干擾；至少可以連接110個節點等[5]。

3.3 工位機與服務器PC通訊的架構

實現CAN通訊之后，工位機還無法實現與服務器的通訊。本設計采用的是ZLG公司的CAN接口卡USBCAN-I。USBCAN-Ⅰ符合CAN2.0A/B規范，支持5 kbps～1 Mbps之間的任意波特率，單通道最高數據流量達3 000 fps（標準幀），能滿足服裝生產中工位機與服務器通訊的需求[6]。通訊系統結構圖如圖4所示。

圖4 通訊系統結構圖Fig.4 Communication system structure

4 系統軟件設計

系統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 主函數流程圖Fig.5 Main function diagram

主程序包含CAN數據幀的收發、RFID標簽的讀取、薄膜按鍵鍵值的讀取和LCD屏的顯示4個任務模塊，涉及任務繁多、控制功能復雜。故采用了時間片輪轉調度算法，系統將所有的任務按順序排成一個先進先出隊列，每次調度時把CPU分配給隊首的任務，并令其執行一個時間片，構成微觀上輪流運行、宏觀上并執行的多任務效果。

圖6 讀卡中斷流程圖Fig.6 Reader interrupt diagram

主程序處于死循環狀態，當執行到讀卡任務的時間片時，如果與DEMON_O相連接的GPIO口產生中斷，將進入相應的中斷響應函數。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，來記錄DEMON_O上的脈寬。應用H4001芯片的射頻標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包含2種寬度的脈沖，寬脈沖應該在64個時鐘周期的長度左右（即圖6中的1T），窄脈寬應該在32個時鐘周期的長度左右（即圖6中的0.5T）。根據這些信息來設置門限，就可以篩選出有效的波形來進行解碼和校驗的處理。LF頻段射頻標簽的數據構成的依據是ISO11784/11785協議，其中規定1個9位（11111111）的數據頭用于標志數據流的開始，校驗部分將防止數據頭的重復出現[7]。

根據CAN2.0B的規范，擴展幀信息為13個字節，包括信息和數據2部分。前5個字節為信息部分，字節6～13為數據幀的實際數據。CAN2.0B規范如表1所示。

表1 CAN2.0B協議Tab.1 CAN2.0B protocol

因此在CAN通訊中，一個數據幀最多只能傳輸8個字節的數據，而通信中需要收發40多個字節的報文，則需要對報文進行拆包。下面是經過拆包的CAN報文通信協議。

數據幀基本格式為：

從以上的分解可以得知，多幀的第一幀是把數據包的“優先級”、“目的地址”、“源地址”放入CAN幀的地址標識域，“數據”放入CAN幀的數據域。“總幀數”用于標識當前數據包由幾個數據幀組成，總幀數值為2-8，表示有 2-8幀；“當前幀號”用于標識當前幀為數據包中第幾個幀，其值為0-7，表示有 1-8幀。

第 1幀“數據”（56BIT）部分分解為：

第2幀到最后一幀的基本格式同第一幀，但“數據”部分只是緊接著上一幀的“具體生產物流信息”，長度為56 BIT。

5 實際應用

圖7是生產線排產服務器的程序面板。在進行排產時，首先對CAN通訊定時器進行設置，以匹配波特率，然后點擊“連接”和“啟動CAN”按鈕，以啟動USBCAN-I接口卡；在任務設置欄中，輸入工位號、工序號、物流卡號、工號以及任務時長，并點擊“添加任務”按鈕，將向工位機下達工單信息。任務狀態欄則負責實時監控工單進度。通過實際測試發現，該工位機系統能夠實時可靠地采集并處理生產物流信息。

圖7 生產管理界面圖Fig.7 Interface chart of the management system

6 結 論

本系統采用RFID為數據采集手段和CAN總線通信技術，很好地解決物流信息的實時采集、傳遞和處理問題，為服裝生產的數字化管理提供了支持。本系統已經在嘉興森創時裝有限公司進行了初步的現場調試，使生產效率提高了15%，產品質量問題降低了20%左右，企業的信息化管理程度得到了大大的提高。

[1]魯洋.基于RFID技術的生產管理系統研究[D].湖北:武漢科技大學，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.一種基于現場總線的RFID互聯系統研究與實現[J].微電子學與計算機，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:東北農業大學，2011.

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

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

[7]曾慶遠，劉鐮斧.基于RF前端芯片EM4095的RFID閱讀器設計[C]//2008年中國西部青年通信學術會議論文集，2008:515-521.