基于RFID的裝配線自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)

許修國，喬君輝，王文龍，李華雷

(1.長城汽車股份有限公司技術(shù)中心，河北保定 071000；2.河北省汽車工程技術(shù)研究中心,河北保定 071000)

基于RFID的裝配線自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)

許修國1,2，喬君輝1,2，王文龍1,2，李華雷1,2

(1.長城汽車股份有限公司技術(shù)中心，河北保定 071000；2.河北省汽車工程技術(shù)研究中心,河北保定 071000)

射頻識(shí)別技術(shù)是一項(xiàng)新型的非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，與其他自動(dòng)識(shí)別技術(shù)相比，該技術(shù)具有識(shí)別距離遠(yuǎn)、識(shí)別速度快以及抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)采用的高頻射頻識(shí)別系統(tǒng)的原理及使用高頻射頻技術(shù)的原因進(jìn)行分析，并對(duì)系統(tǒng)方案的硬件和軟件進(jìn)行了設(shè)計(jì)，最終實(shí)現(xiàn)了對(duì)裝配線上的工件進(jìn)行實(shí)時(shí)自動(dòng)識(shí)別的設(shè)計(jì)要求。

射頻識(shí)別技術(shù)；裝配線；自動(dòng)識(shí)別

0 引言

隨著國家工業(yè)化進(jìn)程的加快，社會(huì)需求對(duì)工業(yè)化生產(chǎn)效率提出更高的要求。目前裝配線所用條形碼技術(shù)存在人工掃描速度較慢、信息交流不暢、生產(chǎn)部門和物流部門不能隨時(shí)交流生產(chǎn)數(shù)據(jù)等問題，導(dǎo)致不能夠滿足裝配線上裝配產(chǎn)品時(shí)配件的及時(shí)送達(dá)、產(chǎn)品產(chǎn)量控制等要求。企業(yè)中使用該技術(shù)的裝配線生產(chǎn)已達(dá)不到指標(biāo)要求，急需一種新的識(shí)別技術(shù)來解決條形碼技術(shù)在裝配線應(yīng)用上的不足和缺陷。

作者采用無線射頻識(shí)別技術(shù)進(jìn)行裝配線自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，解決原有條形碼技術(shù)在產(chǎn)品裝配過程中出現(xiàn)的問題。

1 射頻識(shí)別技術(shù)

射頻設(shè)別技術(shù)[1](Radio Frequency Identification，RFID)的原理是掃描器發(fā)射特定頻率的無線電波能量給接收器，用來驅(qū)動(dòng)接收器電路將內(nèi)部的代碼向外發(fā)送，掃描器接收代碼獲取信息。

典型的射頻識(shí)別系統(tǒng)包括3個(gè)部分：電子標(biāo)簽(又稱為射頻卡、應(yīng)答器)，讀寫器(又稱為閱讀器、讀頭、掃描器)以及后端計(jì)算機(jī)，如圖1所示。

(1)電子標(biāo)簽

電子標(biāo)簽由耦合元件及芯片組成，每個(gè)標(biāo)簽具有唯一的電子編碼，電子標(biāo)簽內(nèi)編寫的程序可按特殊的應(yīng)用隨時(shí)讀取和改寫。通常附著在被識(shí)別物體的表面或嵌入在物體的內(nèi)部，標(biāo)簽內(nèi)存儲(chǔ)有被標(biāo)識(shí)物體的屬性、狀態(tài)、編號(hào)等信息。

圖1 RFID系統(tǒng)基本組成框圖

(2)讀寫器

讀寫器是負(fù)責(zé)讀取或?qū)懭腚娮訕?biāo)簽信息的設(shè)備。通過外置天線與電子標(biāo)簽進(jìn)行無線通信，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)標(biāo)簽識(shí)別碼和內(nèi)存數(shù)據(jù)的讀取或?qū)懭氩僮鳌Ｗx寫器將要發(fā)送的信息，經(jīng)編碼后加載在某一頻率的載波信號(hào)上經(jīng)天線向外發(fā)送，進(jìn)入讀寫器工作區(qū)域的電子標(biāo)簽接收脈沖信號(hào)，輔助電路對(duì)此信號(hào)進(jìn)行解調(diào)、解碼解密，然后對(duì)命令請求、密碼、權(quán)限等進(jìn)行判斷。

(3)傳輸協(xié)議

在RFID識(shí)別系統(tǒng)中，電子標(biāo)簽和閱讀器之間通過相應(yīng)的空中接口協(xié)議才能進(jìn)行相互通信。在高頻13.56 MHz下支持兩種標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議：ISO14443和ISO15693。目前常用的是ISO15693標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，該標(biāo)準(zhǔn)分為4個(gè)部分：物理特性、空中接口和初始化、協(xié)議、應(yīng)用注冊/開發(fā)者。

2 識(shí)別系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

識(shí)別系統(tǒng)硬件電路分為控制電路、讀寫驅(qū)動(dòng)電路、功放電路、接收電路和液晶顯示電路等幾部分，識(shí)別系統(tǒng)[2-3]示意圖如圖2所示。

圖2 RFID讀寫設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖

RFID識(shí)別系統(tǒng)的工作過程如下：

(1)運(yùn)行于PC機(jī)上的配件管理系統(tǒng)通過RS232串口向讀寫器內(nèi)的單片機(jī)不斷發(fā)送讀卡指令。

(2)讀寫器內(nèi)單片機(jī)收到讀卡命令后向讀寫器芯片發(fā)出指令。

(3)讀寫器芯片把收到的指令按照協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行編碼，并對(duì)載頻13.56 MHz信號(hào)進(jìn)調(diào)制。

(4)經(jīng)調(diào)制的已調(diào)信號(hào)經(jīng)過線圈天線發(fā)送到空中。

(5) 在讀寫器閱讀場區(qū)內(nèi)的電子標(biāo)簽獲得射頻激勵(lì)取得能量并收到讀取標(biāo)簽信息的命令。

(6)標(biāo)簽經(jīng)過確認(rèn)，如果命令正確，則按命令的要求把標(biāo)簽內(nèi)儲(chǔ)存的信息發(fā)送出去，如果認(rèn)證錯(cuò)誤，則返回錯(cuò)誤信息。

(7)讀寫器收到返回信息后，經(jīng)過解調(diào)和解碼獲得標(biāo)簽內(nèi)存UID等信息。

(8)讀寫器芯片將內(nèi)存UID等信息傳遞給單片機(jī)進(jìn)行處理。

(9)單片機(jī)將收到的標(biāo)簽信息送給PC機(jī)配件管理系統(tǒng)進(jìn)行處理。

(10)管理系統(tǒng)收到信息后決定配件的配送時(shí)間和數(shù)量，并且能夠了解到產(chǎn)品的產(chǎn)量、庫存等數(shù)據(jù)信息及決定生產(chǎn)的速度。

2.1 射頻電路設(shè)計(jì)

S6700多協(xié)議收發(fā)器芯片為13.56 MHz ISM頻段的通信提供了接收/發(fā)送部分所需的各種各樣的轉(zhuǎn)發(fā)器。讀寫器不僅可以提供最高200 mW射頻功率、50 Ω匹配阻抗和5 V電源供應(yīng)，而且可以使用外部放大器獲得更大的輸出功率。S6700與單片機(jī)控制器的接口信號(hào)共有4個(gè)，分別為SCLOCK(雙向串行時(shí)鐘線)、DIN(數(shù)據(jù)輸入端)、DOUT(數(shù)據(jù)輸出端)和M_ERR。

射頻芯片外圍電路的原理圖如圖3所示。

圖3 讀寫器電路原理圖

射頻電路由S6700應(yīng)用電路、與單片機(jī)接口電路和振蕩電路3個(gè)部分組成。讀寫器電路中有輸入和輸出兩路射頻信號(hào)分別與調(diào)制電路和功率放大器相連接。S6700產(chǎn)生的射頻讀寫命令信號(hào)由TX_OUT輸出，經(jīng)濾波阻抗電路在RFOUT進(jìn)入后級(jí)射頻功率放大器。由卡片返回來的信號(hào)經(jīng)RFIN進(jìn)入RX_IN引腳。

2.2 射頻功放和接收電路設(shè)計(jì)

射頻讀寫器所采用的功率放大器的結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。因?yàn)榍懊娴纳漕lASIC單元電路輸出端RFOUT的阻抗與射頻功率放大器的輸入阻抗不匹配，所以射頻信號(hào)在進(jìn)入射頻功率放大晶體管之前要先經(jīng)過一個(gè)匹配網(wǎng)絡(luò)。又由于天線的阻抗為50 Ω，因此在射頻功率放大晶體管輸出端同樣需要一個(gè)匹配網(wǎng)絡(luò)，與天線的50 Ω阻抗實(shí)現(xiàn)匹配。

圖4 射頻功率放大器電路原理框圖

在識(shí)別系統(tǒng)中，如果將接收到的信號(hào)直接送入射頻ASIC單元中進(jìn)行解調(diào)解碼，則ASIC會(huì)受到靈敏度的限制而無法對(duì)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)解碼，因此，接收到的信號(hào)不能進(jìn)行解調(diào)解碼，而需要從信號(hào)中提取副載波信號(hào)、對(duì)檢波信號(hào)進(jìn)行濾波、副載波放大及再次調(diào)回13.56 MHz等步驟才行。原理如圖5所示。

圖5 射頻接收原理框圖

3 識(shí)別系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 識(shí)別程序流程圖

系統(tǒng)程序由數(shù)據(jù)發(fā)送程序、數(shù)據(jù)接受程序、液晶顯示程序等組成。系統(tǒng)上電復(fù)位之后，各個(gè)模塊電路要進(jìn)行初始化，進(jìn)入預(yù)設(shè)的工作模式。讀卡模塊程序以查詢的方式檢測天線發(fā)射的有效范圍內(nèi)是否有射頻卡，如果有卡進(jìn)入，應(yīng)先判斷該卡是否符合協(xié)議，顯示程序模塊也將顯示該卡是否合法的相關(guān)信息；如果卡有效，則讀取卡中的儲(chǔ)存信息，并將相關(guān)數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)。程序流程圖如圖6所示。

圖6 識(shí)別程序流程圖

3.2 讀寫程序設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)所使用的芯片支持3種工作模式：寄存器模式、普通模式和直接模式。寄存器模式可以直接讀取TI公司生產(chǎn)的Tag-it電子標(biāo)簽；普通模式可以讀取符合ISO15693和ISO14443 Type A的電子標(biāo)簽；直接模式可以間接讀取某些13.56 MHz頻段的電子標(biāo)簽。讀寫程序流程圖如圖7所示。

圖7 讀寫部分流程圖

4 結(jié)論

此設(shè)計(jì)的特色在于將無線射頻技術(shù)應(yīng)用在現(xiàn)代化的裝配線上，解決了傳統(tǒng)裝配線上使用條形碼掃描可能出現(xiàn)如識(shí)別速度慢、人力成本高、識(shí)別碼利用率低等各種問題，使得產(chǎn)品生產(chǎn)時(shí)零部件的配送時(shí)間及數(shù)量、產(chǎn)品的產(chǎn)量及生產(chǎn)速度都能得到有效的掌握和控制，并且能在發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)缺陷進(jìn)行產(chǎn)品召回時(shí)起到關(guān)鍵作用，改善了對(duì)產(chǎn)品產(chǎn)量、配件配送及產(chǎn)品跟蹤的有效管理，解決了裝配線自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)出現(xiàn)的產(chǎn)品追溯、配件實(shí)時(shí)配送等問題。

【1】董麗華.RFID技術(shù)與應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社,2008.

【2】李朝青.單片機(jī)原理及接口技術(shù)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2006.

【3】康東,石喜勤,李永鵬.射頻識(shí)別(RFID)核心技術(shù)與典型應(yīng)用開發(fā)案例[M].北京:人民郵電出版社,2008.

Design of Automatic Recognition System of Assembly Line Based on RFID

XU Xiuguo1,2, QIAO Junhui1,2, WANG Wenlong1,2, LI Hualei1,2

(1.Research & Development Center of Great Wall Motor Company, Baoding Hebei 071000,China; 2.Automotive Engineer Technical Center of Hebei, Baoding Hebei 071000,China)

Radio frequency identification(RFID) technology is an emerging non-contact automatic identification technology. Compared to other automatic identification technologies, it has long recognition distance, quick recognition speed and strong anti-jamming ability, etc. The principle of the used high-frequency RFID system and the causes why high-frequency RFID system was used were analyzed. The hardware and software of the system were designed. Finally, the design requirement that workpiece on assembly line can be identified real time is achieved.

Radio frequency identification technology; Assembly line; Automatic recognition

2017-02-22

許修國( 1984—)，男，大學(xué)專科，助理工程師，研究方向?yàn)榈妆P零部件設(shè)計(jì)及驗(yàn)證。E-mail：xuxiuguo@gwm.cn。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.06.012

U463.9

B

1674-1986(2017)06-043-03