基于CAN總線與RFID技術(shù)的電子揀選器的設(shè)計(jì)

李 頎， 李惠宇， 侯麗愛(ài)， 張尚玉

(陜西科技大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院， 陜西 西安 710021)

0 引言

伴隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)和物流行業(yè)的飛速發(fā)展，貨物的種類和數(shù)量也隨之急劇增加，倉(cāng)庫(kù)工作人員的操作任務(wù)也變得更加繁重.電子揀選器的出現(xiàn)取代了現(xiàn)場(chǎng)紙質(zhì)訂單，將其安裝在貨物儲(chǔ)位的貨架上并與上位機(jī)(即PC機(jī))進(jìn)行通信，在貨架上顯示揀選信息，工作人員按照電子揀選器上的顯示進(jìn)行揀選作業(yè)，實(shí)現(xiàn)揀選作業(yè)的無(wú)紙化，使得揀選作業(yè)具有現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控、緊急訂單處理和補(bǔ)貨盤(pán)點(diǎn)通知功能[1,2].

目前，我國(guó)倉(cāng)儲(chǔ)管理采用的電子揀選器大多選用RS-485總線通信技術(shù)，這種通信技術(shù)的突出缺點(diǎn)是：RS-485總線只能構(gòu)成主從式結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性和可靠性較差；多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)向總線發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致總線出現(xiàn)短路而損壞某些節(jié)點(diǎn).相較之下，CAN總線具有實(shí)時(shí)性高和可靠性高，數(shù)據(jù)傳輸速率快等優(yōu)點(diǎn)，并且實(shí)現(xiàn)通信的硬件接口簡(jiǎn)單、系統(tǒng)的可擴(kuò)展性好[3].相較于掃描條形碼、二維碼等信息獲取方式，RFID(無(wú)線射頻識(shí)別)技術(shù)具有讀取信息快速便捷、可重復(fù)使用且使用壽命長(zhǎng)、標(biāo)簽數(shù)據(jù)可動(dòng)態(tài)修改等特點(diǎn).在歐盟等發(fā)達(dá)國(guó)家，RFID技術(shù)早已應(yīng)用于圖書(shū)、零售業(yè)及檔案管理等物品種類和數(shù)量復(fù)雜繁多的場(chǎng)合[4,5].

基于CAN總線和RFID技術(shù)的明顯優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)一種基于CAN總線和RFID技術(shù)的電子標(biāo)簽，將其應(yīng)用于倉(cāng)儲(chǔ)管理工作當(dāng)中.它不僅克服了RS-485總線通信存在的問(wèn)題，提高了揀選作業(yè)的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性，并且隨著RFID技術(shù)的加入，使得揀選作業(yè)更加準(zhǔn)確、高效，使系統(tǒng)能夠應(yīng)用于更加復(fù)雜的貨物管理中.

1 電子揀選器總體概述

1.1 CAN總線及RFID技術(shù)概述

CAN總線是一種支持分布式控制的串行口通信網(wǎng)絡(luò)，在以下方面具有明顯的優(yōu)越性：(1)CAN總線采用非破壞性總線仲裁技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)多節(jié)點(diǎn)同時(shí)向總線發(fā)送數(shù)據(jù)，提高了網(wǎng)絡(luò)的可靠性和靈活性；(2)當(dāng)節(jié)點(diǎn)發(fā)生持續(xù)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤時(shí)，該節(jié)點(diǎn)可自動(dòng)關(guān)閉，不會(huì)對(duì)總線上其他節(jié)點(diǎn)的操作造成影響，提高了網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性.(3)CAN總線的通信介質(zhì)為雙絞線，信號(hào)傳輸采用差分電壓方式，提高了抗干擾能力[6].

RFID是一項(xiàng)易于操控且適合于自動(dòng)化控制的靈活性應(yīng)用技術(shù).它的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)由以下幾點(diǎn)體現(xiàn)：(1)識(shí)別速度快，可實(shí)現(xiàn)批量識(shí)別；(2)數(shù)據(jù)容量大，標(biāo)簽數(shù)據(jù)可動(dòng)態(tài)修改；(3)應(yīng)用范圍廣且具有良好的安全性[7].

條形碼識(shí)別技術(shù)每次只能掃描一個(gè)條形碼，條形碼掃描器必須在近距離且無(wú)物體阻擋的情況下才能辨識(shí)條形碼，與此相比，RFID讀寫(xiě)器能夠同時(shí)識(shí)別多個(gè)電子標(biāo)簽，實(shí)現(xiàn)貨物信息的批量識(shí)別，且當(dāng)電子標(biāo)簽進(jìn)入讀寫(xiě)器掃描范圍，即能夠透過(guò)紙張、木材和塑料等材質(zhì)與讀寫(xiě)器進(jìn)行穿透性通信，提高了信息讀寫(xiě)的效率.而CAN總線在傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，每個(gè)數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)域最長(zhǎng)為8字節(jié)，這種短幀傳輸時(shí)間短、受干擾率低，每幀都有位填充、CRC校驗(yàn)等檢錯(cuò)措施，且在數(shù)據(jù)發(fā)送期間丟失仲裁或者由于出錯(cuò)而遭到的幀可自動(dòng)重發(fā).結(jié)合這兩種技術(shù)，使得系統(tǒng)具有更好的數(shù)據(jù)傳輸效率和數(shù)據(jù)檢錯(cuò)糾錯(cuò)能力[8,9].

1.2 電子揀選器工作原理概述

基于CAN總線與RFID技術(shù)的電子揀選系統(tǒng)由上位機(jī)作為主控機(jī)，由多個(gè)以MSP430單片機(jī)為微控制器的電子揀選器組成.根據(jù)倉(cāng)庫(kù)貨物儲(chǔ)存的實(shí)際需要，將燒寫(xiě)了ID號(hào)的電子標(biāo)簽終端安裝在相應(yīng)的貨架上，上位機(jī)根據(jù)訂單信息向電子揀選器發(fā)送相關(guān)命令和數(shù)據(jù)，相應(yīng)的電子揀選器接收到上位機(jī)的命令和數(shù)據(jù)后，使指示燈閃爍并在數(shù)碼管上顯示需要揀選貨品的相關(guān)信息.RFID讀寫(xiě)器不斷發(fā)出電磁波，在揀選完畢后按下確認(rèn)鍵時(shí)，對(duì)附著在貨物上的電子標(biāo)簽按照上位機(jī)發(fā)來(lái)的指令進(jìn)行貨物信息的修改，使得貨物的實(shí)際存儲(chǔ)情況能夠與數(shù)據(jù)庫(kù)的貨物信息相匹配.電子揀選器會(huì)將確認(rèn)指令反饋至上位機(jī)，揀選作業(yè)完成，等待上位機(jī)的下一步指令[10,11].

2 電子揀選器的硬件設(shè)計(jì)

電子揀選器是由微控制器最小系統(tǒng)部分、CAN控制收發(fā)部分、RFID讀寫(xiě)器部分、供電部分、三色燈、數(shù)碼管和按鍵等七部分構(gòu)成.如圖1所示為電子揀選器硬件結(jié)構(gòu)框圖.

圖1 電子揀選器硬件結(jié)構(gòu)框圖

2.1 MSP430微控制器

本設(shè)計(jì)所采用的微控制器選用MSP430系列中的MSP430F149,它是一種16位超低功耗、具有精簡(jiǎn)指令集的混合信號(hào)處理器.它具有更多的端口，擁有更好的功能擴(kuò)展性，能使用戶實(shí)現(xiàn)具有更多功能的系統(tǒng)，同時(shí)也可減小系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜程度.如圖2所示為MSP430最小系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖.

它的超低功耗表現(xiàn)為在休眠模式下工作電流只有0.8μA，在2.2 V、1 MHz工作模式下電流只有280μA；它具有快速的指令執(zhí)行時(shí)間，其采用的是16位的RISC結(jié)構(gòu)，指令執(zhí)行時(shí)間只需150 ns，是傳統(tǒng)單片機(jī)所不能比擬的；它有兩個(gè)串口通信模塊：USART0、USART1,這兩個(gè)串口都可以利用軟件設(shè)置為USART方式或SPI方式，能滿足用戶多機(jī)通信的需求；它提供的片內(nèi)FLASH為60 KB，同時(shí)片內(nèi)還提供較多的RAM，以便進(jìn)行運(yùn)算時(shí)處理[12].

圖2 MSP430最小系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.2 RFID模塊設(shè)計(jì)

RFID模塊主要由微控制器、無(wú)線射頻收發(fā)芯片和天線電路三部分組成，其功能是通過(guò)RFID讀寫(xiě)器，對(duì)附著在貨物上的電子標(biāo)簽中的貨物信息進(jìn)行采集或修改，免去了紙錄作業(yè)的繁瑣.

2.2.1 RFID接口設(shè)計(jì)

此模塊采用NXP公司的MFRC522作為RFID模塊電路開(kāi)發(fā)的核心芯片，MFRC522是一款高度集成的非接觸式13.56 MHz射頻收發(fā)芯片，其通信距離高達(dá)50 mm，這取決于天線的長(zhǎng)度和調(diào)諧.

在此模塊的設(shè)計(jì)中采用SPI接口方式完成MSP430控制器與MFRC522之間的數(shù)據(jù)傳輸.通過(guò)MFRC522芯片提供的4個(gè)引腳(MISO、MOSI、SCK、RST)來(lái)實(shí)現(xiàn)SPI接口電路.當(dāng)MFRC522在與MSP430進(jìn)行SPI通信時(shí)，MFRC522作為從機(jī)：數(shù)據(jù)可以通過(guò)MISO引腳從MFRC522發(fā)回到MSP430中；數(shù)據(jù)也可以通過(guò)MOSI引腳從MSP40發(fā)送到MFRC522中.如圖3所示為RFID接口原理圖.

圖3 RFID模塊接口原理圖

2.2.2 天線電路設(shè)計(jì)

RFID讀寫(xiě)器通過(guò)天線電路向無(wú)源電子標(biāo)簽發(fā)射電波并產(chǎn)生磁場(chǎng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)貨物標(biāo)簽內(nèi)數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)操作.如圖4所示為天線電路設(shè)計(jì)原理圖.

圖4 天線電路設(shè)計(jì)原理圖

微控制器通過(guò)RFID讀寫(xiě)器對(duì)貨物信息進(jìn)行讀寫(xiě)時(shí)，天線的驅(qū)動(dòng)是通過(guò)配置MFRC522內(nèi)部相關(guān)寄存器，利用TX1和TX2引腳實(shí)現(xiàn)的.由于天線是低阻抗器件，與MFRC522芯片進(jìn)行連接需設(shè)計(jì)匹配電路，其功能是使天線工作在13.56 MHz頻段上.圖2～圖3中C31、C32、C33、C35、C36、C37組成了天線匹配電路[13].

2.3 CAN總線模塊設(shè)計(jì)

實(shí)現(xiàn)CAN總線數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠布娐分饕蓛刹糠纸M成，即CAN總線控制電路和CAN總線驅(qū)動(dòng)電路.

2.3.1 CAN總線控制電路

CAN總線控制器實(shí)現(xiàn)了CAN協(xié)議中最復(fù)雜的數(shù)據(jù)鏈路層功能，是CAN總線控制電路的核心器件.SJA1000是一種獨(dú)立的CAN控制器，它具有一種新的操作模式-PeliCAN，此模式支持具有多種新特性的CAN2.0B協(xié)議[14].

SJA1000應(yīng)用電路是由時(shí)鐘電路、復(fù)位電路和模式選擇電路組成的，復(fù)位和模式選擇是由微控制器中的引腳控制的.CAN總線控制電路圖如圖5所示.

圖5 CAN總線控制電路

2.3.2 CAN總線驅(qū)動(dòng)電路

CAN總線驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)了物理層的功能，它將控制器發(fā)送信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榉螩AN物理層標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)，并進(jìn)行放大、傳輸?shù)娇偩€上；并且將總線上接收到的信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榭刂破魉芙邮盏碾娖叫盘?hào).

PCA82C250是CAN協(xié)議控制器與物理總線間的接口，它對(duì)總線提供差動(dòng)發(fā)送能力，對(duì)CAN控制器提供差動(dòng)接收能力.6N137為CAN隔離器，降低電平的高速轉(zhuǎn)換帶來(lái)的噪聲，提高電路的抗干擾能力.如圖6所示為CAN總線驅(qū)動(dòng)電路圖.

圖6 CAN總線驅(qū)動(dòng)電路

2.4 其他模塊設(shè)計(jì)

2.4.1 供電電路

選用轉(zhuǎn)換效率為70%～88%之間的穩(wěn)壓芯片LM2576，將輸入的12 V電壓轉(zhuǎn)換成5 V電壓，為CAN控制器提供電源電壓；選用了AMS1117-3.3芯片將5 V電壓轉(zhuǎn)換為3.3 V，為MSP430微控制器、RFID讀寫(xiě)器以及外圍電路供電.

2.4.2 數(shù)碼管模塊

本設(shè)計(jì)中的數(shù)碼管模塊由三組兩位共陰數(shù)碼管組成，三組分別表示貨物的種類、批次和數(shù)量信息(每組可顯示0～99).在與微控制器連接時(shí)，使用具有鎖存的功能的集成芯片74HC573實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng).

2.4.3 按鍵及三色燈模塊

按鍵的作用是配合操作人員對(duì)貨物進(jìn)行出入庫(kù)及盤(pán)點(diǎn)操作時(shí)，對(duì)貨物數(shù)據(jù)進(jìn)行修改或反饋.按鍵分為四部分：一個(gè)確認(rèn)按鍵，在貨物管理結(jié)束時(shí)，作為最終確認(rèn)按鈕；兩個(gè)操作按鍵，一個(gè)加鍵和一個(gè)減鍵，分別修改區(qū)號(hào)、列號(hào)、行號(hào)信息，配合確認(rèn)按鍵使用；一個(gè)功能按鍵，配合加鍵和減鍵來(lái)完成對(duì)貨物信息如種類、批次、數(shù)量的修改；一個(gè)硬件復(fù)位按鍵，在系統(tǒng)出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)進(jìn)行復(fù)位.

三色燈的作用是當(dāng)下位機(jī)接收到上位機(jī)發(fā)送來(lái)的揀選命令時(shí)，對(duì)所執(zhí)行的命令的內(nèi)容進(jìn)行提示，引導(dǎo)倉(cāng)庫(kù)操作人員快速準(zhǔn)確的到達(dá)揀選位置.三色燈分為紅、綠、藍(lán)三色，分別代表出庫(kù)命令、入庫(kù)命令和盤(pán)點(diǎn)命令.

3 電子揀選器的軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)中首先要對(duì)一些位的定義及微控制器進(jìn)行初始化操作，初始化結(jié)束后判斷EEPROM是否為空，若為空就重新賦給地址值，若不為空則將EEPROM中的ID取出；接著對(duì)電子揀選器進(jìn)行上電自檢，并對(duì)上電檢測(cè)回復(fù)的數(shù)據(jù)進(jìn)行賦值校驗(yàn)，賦值結(jié)束后向上位機(jī)發(fā)送檢測(cè)數(shù)據(jù)，然后接收上位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)并進(jìn)行校驗(yàn)，校驗(yàn)成功就進(jìn)入指令周期執(zhí)行命令(出庫(kù)命令、入庫(kù)命令、盤(pán)點(diǎn)命令等)，校驗(yàn)失敗則進(jìn)行判斷是否發(fā)送錯(cuò)誤命令，重新接收上位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)再進(jìn)行校驗(yàn)，直到校驗(yàn)成功進(jìn)入指令周期執(zhí)行命令，并將執(zhí)行后的數(shù)據(jù)顯示在數(shù)碼管，執(zhí)行結(jié)束后重新接收上位機(jī)發(fā)送的命令[15].指令周期內(nèi)上位機(jī)對(duì)電子揀選器的操作流程圖及電子揀選器對(duì)電子標(biāo)簽的操作流程圖如圖7、圖8所示.

圖7 上位機(jī)對(duì)電子揀選器的操作流程

圖8 電子揀選器對(duì)電子標(biāo)簽的操作流程

4 結(jié)束語(yǔ)

基于CAN總線與RFID技術(shù)的電子揀選器結(jié)合PC機(jī)組成的倉(cāng)儲(chǔ)管理系統(tǒng)增強(qiáng)了倉(cāng)儲(chǔ)貨物信息的準(zhǔn)確性和統(tǒng)一性，提高了倉(cāng)儲(chǔ)揀選作業(yè)的工作效率，加快了貨物出庫(kù)、入庫(kù)的流轉(zhuǎn)速度，增強(qiáng)了倉(cāng)儲(chǔ)管理系統(tǒng)的處理能力.由此看出，基于CAN總線與RFID技術(shù)的電子揀選器能夠使得物流揀選作業(yè)更加高效和準(zhǔn)確，從而滿足現(xiàn)代物流行業(yè)的倉(cāng)儲(chǔ)管理系統(tǒng)的要求.該電子揀選器已經(jīng)在西安某乳業(yè)公司的倉(cāng)儲(chǔ)管理中得到推廣應(yīng)用.

[1] 張文杰，陳萬(wàn)米．基于CAN總線的電子標(biāo)簽揀選系統(tǒng)[J]．自動(dòng)化儀表，2013,28(3)：32-35．

[2] 丁連紅，時(shí) 鵬．倉(cāng)儲(chǔ)中心揀選作業(yè)研究綜述[J]．物流技術(shù)，2008，27(8)：15-19．

[3] 王啟剛，譚 杰．基于CAN總線的PC與RFID讀寫(xiě)器通信實(shí)現(xiàn)[J]．計(jì)算機(jī)工程，2007,33(11)：244-246．

[4] 王家海，沈 煒．基于RFID的中小企業(yè)倉(cāng)儲(chǔ)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]．機(jī)電一體化，2008,13(1)：64-66．

[5] 湯旻安，張 鯤．基于CAN總線的RFID應(yīng)用與研究[J]．甘肅科技，2008,24(24)：26-28．

[6] 韓成浩，高曉紅．CAN總線技術(shù)及其應(yīng)用[J]．制造業(yè)自動(dòng)化，2010,32(2)：146-149．

[7] 段春輝，趙景波．倉(cāng)儲(chǔ)電子標(biāo)簽輔助揀貨系統(tǒng)的研究設(shè)計(jì)[J]．微型機(jī)與應(yīng)用，2011,30(11)：116-118．

[8] 郝文瑞．RFID技術(shù)在倉(cāng)儲(chǔ)管理系統(tǒng)中的應(yīng)用[D]．成都：西南交通大學(xué)，2011．

[9] 耿方新，CAN總線控制器的研究與設(shè)計(jì)[D].北京：北京交通大學(xué)，2010.

[10] 李俊韜，劉丙午．?dāng)?shù)字化揀選作業(yè)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)[J]．物流技術(shù)，2008,27(10)：254-255．

[11] 武曉釗．物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在倉(cāng)儲(chǔ)物流領(lǐng)域應(yīng)用分析與展望[J]．中國(guó)流通經(jīng)濟(jì)，2011，25(6)：36-39．

[12] 楊 平,王 威.MSP430系列超低功耗單片機(jī)及應(yīng)用[J].應(yīng)用天地,2008,27(12)：48-50.

[13] 徐 濤.RFID技術(shù)在庫(kù)存管理中的應(yīng)用研究[D].成都:西南交通大學(xué)，2009.

[14] 劉彥臣，關(guān) 碩．獨(dú)立的CAN控制器SJA100及其應(yīng)用[J]．東北電力學(xué)院學(xué)報(bào)，2005,25(6)：85-87．

[15] 徐 強(qiáng)．電子標(biāo)簽揀貨系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[J].物流技術(shù),2008,31(4)：136-138.