基于ARM的線纜生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計

陳培+申紅明+張會猛+楊永杰

摘 要： 為了滿足對線纜生產(chǎn)自動化控制的要求，設(shè)計并實現(xiàn)了一種智能生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)采用多層分布式結(jié)構(gòu)，底層監(jiān)控終端以ARM Cortex M4F增強型嵌入式芯片為核心，結(jié)合激光條碼掃描、超高頻識別等技術(shù)，配以良好的人機交互平臺，實現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的采集與處理，并以WiFi無線方式與頂層數(shù)據(jù)庫服務(wù)器系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交換，完成信息的上傳與反饋。監(jiān)控終端通過分析比較反饋的數(shù)據(jù)可以實時控制生產(chǎn)進程，完成工業(yè)自動化監(jiān)控。該系統(tǒng)經(jīng)中天科技線纜框絞生產(chǎn)線測試，穩(wěn)定性好，能有效完成對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的收集、整理、上傳及反饋工作，實現(xiàn)生產(chǎn)的智能監(jiān)控，具有很好的應(yīng)用推廣價值。

關(guān)鍵詞： 線纜生產(chǎn)； 自動化控制； 智能監(jiān)控； ARM； 數(shù)據(jù)庫服務(wù)器

中圖分類號： TN948.64?34； TP274 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）08?0065?04

Design of cable production monitoring system based on STM32

CHEN Pei， SHEN Hongming， ZHANG Huimeng， YANG Yongjie

（School of Electronics and Information， Nantong University， Nantong 226019， China）

Abstract： In order to meet the requirement of the cable production automation control， an intelligent monitoring system for production was designed and implemented. A multi?layer distributed structure is adopted in the system. The bottom monitoring terminal takes ARM Cortex M4F enhanced embedded chip as its core. The acquisition and processing of the production data are achieved in combination with the laser bar code scanning technology， ultrahigh frequency identification technology and perfect man?machine interactive platform. The data exchange is executed by the top?level database server system in WiFi wireless mode to realize the upload and feedback of information. The monitoring terminal can control the production process in real time and complete industrial automation monitoring by means of the analysis and comparison of the feedback data. The system was tested on the box cutter production line of cable at Zhongtian Technology. The test result shows that the system has high stability， can complete the field data collection， collation， upload， feedback effectively， and intelligent monitoring of production.

Keywords： cable production； automatic control； intelligent monitoring； ARM； database server

0 引 言

我國的制造業(yè)企業(yè)正處于由制造大國向制造強國轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵時期[1]，以信息化帶動工業(yè)自動化，加快工業(yè)信息化進程，通過新型工業(yè)化道路實現(xiàn)生產(chǎn)力跨越式發(fā)展對提高企業(yè)的核心競爭力有著至關(guān)重要的作用。在工業(yè)4.0的新型背景下，信息技術(shù)和制造業(yè)相結(jié)合成為更加迫切的要求，也是未來工業(yè)發(fā)展的必然趨勢[2]。目前，國外在智能化生產(chǎn)的研究和開發(fā)方面取得了明顯的進展，而我國還處于初級階段。在我國第二大行業(yè)，即電線電纜行業(yè)中，大多數(shù)線纜企業(yè)仍采用傳統(tǒng)的手工方式記錄車間現(xiàn)場數(shù)據(jù)，不僅效率低、易出錯，同時管理人員無法在第一時間準確、及時地獲取相關(guān)信息，從而迅速調(diào)整現(xiàn)場生產(chǎn)，以保證生產(chǎn)車間的高效運行。因此，使企業(yè)更有效地組織和控制生產(chǎn)，實現(xiàn)實時信息互動成為線纜企業(yè)信息化建設(shè)的重心。本文采用多層分布式結(jié)構(gòu)，基于ARM Cortex?M4增強型嵌入式芯片，設(shè)計了一種線纜生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)，能有效實現(xiàn)線纜生產(chǎn)的智能控制。

1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。采用多層分布式結(jié)構(gòu)，從下至上分為監(jiān)控層、網(wǎng)絡(luò)層和管理層。其中網(wǎng)絡(luò)層是系統(tǒng)的通信橋梁，它工作狀況的穩(wěn)定與否會直接決定整個系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠焚|(zhì)[3]。考慮到車間內(nèi)已經(jīng)實現(xiàn)了WiFi信號全覆蓋和其傳輸速度快、組網(wǎng)成本低的優(yōu)點，采用WiFi無線終端接入企業(yè)局域網(wǎng)的方式，實現(xiàn)有效數(shù)據(jù)幀的實時傳輸[4]。底層監(jiān)控層以監(jiān)控終端為核心，每個監(jiān)控終端設(shè)置一個WiFi節(jié)點，并且每個WiFi節(jié)點有一個惟一的標識（IP），這些節(jié)點和無線接入點一起組成無線局域網(wǎng)?，F(xiàn)場以無線路由器為中心，一方面和每一個WiFi智能節(jié)點相連，另一方面和頂層服務(wù)器相連。根據(jù)客戶訂單，預(yù)先將生產(chǎn)工藝卡全部錄入數(shù)據(jù)庫服務(wù)器系統(tǒng)。以線纜生產(chǎn)框絞工藝為例，首先，監(jiān)控終端各組成模塊對生產(chǎn)線進行監(jiān)控，同時將其采集到的合同、鋼芯、上盤、生產(chǎn)等信息以無線方式上傳至服務(wù)器，上位機對接收到的生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行分析、處理，并向監(jiān)控終端回送相關(guān)數(shù)據(jù)，以便監(jiān)控終端進行下一步處理。如果監(jiān)控終端接收到的數(shù)據(jù)和本地獲取到的相關(guān)數(shù)據(jù)有誤差，則啟動報警裝置，同時通過控制繼電器強制停止運行框絞機，并且監(jiān)控終端液晶屏上會提示錯誤信息以便工人及時操作糾正。企業(yè)管理人員亦可以通過上位機監(jiān)控軟件實時查看生產(chǎn)數(shù)據(jù)，第一時間了解車間生產(chǎn)情況，從而進行有效、迅速的響應(yīng)，及時處理現(xiàn)場突發(fā)事件，實現(xiàn)生產(chǎn)的智能化。

2 監(jiān)控終端硬件設(shè)計

硬件設(shè)計主要集中在系統(tǒng)的監(jiān)控層部分。以一個監(jiān)控終端為例進行介紹。監(jiān)控終端的設(shè)計是較為繁瑣的，涉及到諸多模塊和多種功能的實現(xiàn)，在整個生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。監(jiān)控終端可分為集中器和采集器兩個部分，兩者之間通過合理的任務(wù)安排和調(diào)度，實現(xiàn)效率最大化。

2.1 監(jiān)控終端集中器的主要硬件設(shè)計

根據(jù)所需實現(xiàn)的功能，集中器的核心處理器采用ST公司的基于Cortex M4F架構(gòu)的新型ARM芯片——STM32F407ZGT6。該芯片最高運行頻率達168 MHz，集成了FPU和DSP指令，片上資源豐富[5]。不僅配置強大，同時較先前推出的STM32F1x系列相比，擁有238 μA/MHz的超低功耗，完全滿足本系統(tǒng)的設(shè)計要求。集中器外圍硬件主要包括條碼掃描、矩陣鍵盤、采集器等數(shù)據(jù)采集與輸入模塊，7寸TFTLCD觸摸屏、WiFi、嵌入式打印等交互與輸出模塊，SD卡、FLASH存儲模塊，以及電源管理模塊等。主芯片與各外圍模塊的接口設(shè)計如圖2所示。

以STM32F407ZGT6為核心的監(jiān)控終端集中器主要實現(xiàn)如下功能：

（1） 采集與輸入功能：根據(jù)FM100型激光條碼掃描器的控制邏輯實現(xiàn)合同、桿材編號的采集。也可通過4×4矩陣按鍵實現(xiàn)鍵入、刪除、選擇、確認、切換等操作。

（2） 交互與輸出功能：根據(jù)MD070SD型7寸總線型TFT彩色液晶屏幕的控制邏輯顯示合同、桿材、鋼芯、上盤、生產(chǎn)及保修信息等，形成良好的人機交互界面。采集器與服務(wù)器之間以USR?WIFI232?X WiFi無線模塊為中轉(zhuǎn)，實現(xiàn)特定格式數(shù)據(jù)幀的收發(fā)功能，通信波特率為57 600 b/s。線纜成品出廠時需要將線纜成品出廠信息的標簽貼在產(chǎn)品包裝上，這里選用RD?DH型熱敏微型打印機進行標簽打印。

（3） 現(xiàn)場數(shù)據(jù)臨時存儲功能：考慮到車間無線網(wǎng)存在不穩(wěn)定的情況，當出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)故障時，將本地數(shù)據(jù)暫存于SD卡中，待網(wǎng)絡(luò)再次暢通后，重新上傳SD卡中存儲的所有數(shù)據(jù)，同時兼顧系統(tǒng)的有效性和可靠性。

（4） 其他功能：這里主要介紹電源管理功能。AC 220 V轉(zhuǎn)DC 5 V適配器將220 V交流電轉(zhuǎn)成5 V直流電，再經(jīng)兩塊AMS1117 3.3 V電源芯片轉(zhuǎn)換獲得3.3 V直流電，分別提供主芯片和屏幕的供電。最大電流滿足小于電源芯片的最大輸出電流1 A。

2.2 監(jiān)控終端采集器的主要硬件設(shè)計

采集器的硬件設(shè)計體現(xiàn)了分布式結(jié)構(gòu)的設(shè)計思想。在生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)中，采集器主要實現(xiàn)對繞線鐵盤的跟蹤管理。根據(jù)每條生產(chǎn)線的上盤通道數(shù)安裝相應(yīng)數(shù)目的采集器，通過RS 485串口控制UHF射頻識別模塊讀取鐵盤標簽號中的信息，實現(xiàn)鐵盤的跟蹤管理，通信波特率為9 600 b/s。以線纜框架工藝為例，每個線纜操作臺管理1條生產(chǎn)線，包含4個鐵盤推送口，因此需要滿足能同時管理4組鐵盤的實際要求。為此，提出了一種基于分布式控制的鐵盤多標簽自動識別系統(tǒng)。采集器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

STM32和采集器之間采用了RS 485串行通信總線，對4個采集器進行分布式控制。RS 485通信距離遠，可用于多點互連，擴展性強，應(yīng)用時布線簡單，穩(wěn)定可靠。如圖3所示，每臺采集器必須手牽手地串下去，不可以有星型連接或者分叉，否則，干擾將非常大，導(dǎo)致通信不暢，甚至無法通信。采集器由STC12LE5A60S2單片機和UHF模塊組成，它們之間通過RS 232串口進行通信。UHF模塊中核心的超高頻識別技術(shù)（UHF RFID）是RFID技術(shù)在超高頻段的一種應(yīng)用，不僅識別距離遠、讀取速度快，且可以識別高速運動的物體[6]，能適應(yīng)線纜車間惡劣的工作環(huán)境。

此外，系統(tǒng)的報警工作也由采集器來完成。當發(fā)現(xiàn)服務(wù)器回送的數(shù)據(jù)和本地獲取的數(shù)據(jù)有誤差時，采集器通過控制繼電器的引腳強制停止運行框絞機并啟動蜂鳴器和雙層指示燈進行報警，提示工人存在錯誤操作的情況。采集器及其周圍硬件組成框圖如圖4所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件主要由監(jiān)控終端軟件和監(jiān)控中心服務(wù)器收發(fā)軟件兩部分構(gòu)成，本文主要介紹監(jiān)控終端的軟件設(shè)計。

3.1 監(jiān)控終端集中器的軟件設(shè)計

監(jiān)控終端實現(xiàn)的功能多樣，邏輯、時序繁雜，程序編寫時主要采用分塊法和子函數(shù)調(diào)用的思想。監(jiān)控終端軟件中涉及的子函數(shù)模塊有SD卡、FLASH模塊，條碼掃描、鍵盤模塊，觸摸屏、嵌入式打印機模塊，WiFi、采集器模塊等。監(jiān)控終端集中器的軟件模塊設(shè)計主要結(jié)構(gòu)如圖5所示。主程序可直接調(diào)用子函數(shù)來實現(xiàn)預(yù)期功能。

硬件相關(guān)的驅(qū)動及初始化是軟件設(shè)計的重要組成部分，其為增強代碼的可移植性和可維護性提供了保障。這里著重介紹SD卡和通用異步串行（RS 232）初始化流程，如圖6所示。

3.2 監(jiān)控終端采集器的軟件設(shè)計

采集器的軟件設(shè)計是監(jiān)控終端程序設(shè)計中較為重要的部分。在監(jiān)控終端的RS 485總線網(wǎng)絡(luò)中，STM32F407ZGT6作為中心主站，采集器則處于從屬地位。采集器硬件設(shè)計中STC12單片機一方面控制RS 485信號數(shù)據(jù)流向；另一方面，由于UHF模塊內(nèi)部不含有物理地址編號，因此借助于STC12芯片設(shè)計一個編碼電路給每個UHF模塊賦予惟一的物理地址，以便中心主站能夠?qū)?shù)據(jù)來源進行識別。絞線上盤狀態(tài)下，主站采用廣播方式，按地址輪流向采集器發(fā)送讀標簽命令，從站不斷監(jiān)測總線上包含的地址信息，只有檢測到與自己的設(shè)備地址相一致時，才將自己的狀態(tài)與采集到的鐵盤標簽數(shù)據(jù)回送給主站。通信波特率為9 600 b/s，數(shù)據(jù)格式為1位起始位，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，無奇偶校驗位[7]。主站的程序設(shè)計如圖7所示。

Modbus協(xié)議是一種主從式點對點的通信協(xié)議，允許一臺主機和多臺從機之間進行數(shù)據(jù)通信，鑒于Modbus協(xié)議易于實現(xiàn)的優(yōu)點，它已經(jīng)成為被廣泛應(yīng)用的工業(yè)標準[8]。

本文設(shè)計通信協(xié)議時，在Modbus協(xié)議的基礎(chǔ)上設(shè)計了RTU鏈路協(xié)議，1個RTU消息幀由地址域、功能域（數(shù)據(jù)域）、CRC校驗域外加起始域共同構(gòu)成[9]。例如，中心主站發(fā)送一幀數(shù)據(jù)0A 01 05 85 90 CF（十六進制），數(shù)據(jù)幀中含有如下信息：

（1） 0A：起始幀（一個有效數(shù)據(jù)幀的開始）；

（2） 01：從屬設(shè)備地址（物理地址為01的UHF終端）；

（3） 05 85：功能碼（讀標簽功能碼）；

（4） 90 CF：CRC16校驗（低字節(jié)在前，高字節(jié)在后）；

根據(jù)“地址相同響應(yīng)”原則，只有物理地址編號為01的UHF終端返回標簽數(shù)據(jù)（前提是讀取到標簽號信息）。回送數(shù)據(jù)格式為0B 01 12 B標簽號數(shù)據(jù) CRC16。各字段含義和發(fā)送數(shù)據(jù)幀類似。

4 現(xiàn)場測試結(jié)果

該系統(tǒng)已經(jīng)在中天科技線纜框絞車間某條生產(chǎn)線上進行了現(xiàn)場測試。從現(xiàn)場測試結(jié)果來看，采集系統(tǒng)各模塊之間能穩(wěn)定工作，相互之間無干擾。能按照預(yù)期的要求采集合同、鋼芯、上盤、生產(chǎn)等多路信息并上傳至服務(wù)器。上盤時鐵盤標簽識別成功率達到96.25%，良好的反饋機制能實現(xiàn)對上盤過程的有效控制，很好地實現(xiàn)生產(chǎn)過程監(jiān)控與管理。管理人員通過上位機監(jiān)控軟件可查看生產(chǎn)信息，與傳統(tǒng)的手工記錄方式相比，實現(xiàn)了無紙化生產(chǎn)與管理，符合生產(chǎn)智能監(jiān)控的要求。表1為某工作日某條框絞生產(chǎn)線上鐵盤標簽編號的獲取情況。表1中，鐵盤標簽號獲取情況中的1表示一次性讀取成功，0表示讀取失敗。0/1表示重推讀取成功。

從現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果來看，該分布式多標簽識別系統(tǒng)能較好地實現(xiàn)預(yù)期功能，標簽號讀取成功率較高，是智能化數(shù)據(jù)采集在車間生產(chǎn)中的一次成功應(yīng)用。針對統(tǒng)計結(jié)果中幾次讀取不成功的情況，后期將規(guī)范標簽號固定位置，培訓(xùn)操作工人能注意推送角度以及做好標簽的防碰撞工作，系統(tǒng)的成功率能達到100%。

5 結(jié) 語

本文首次提出并實現(xiàn)了基于ARM Cortex M4F的線纜生產(chǎn)數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計，系統(tǒng)將嵌入式技術(shù)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)相融合[10]，實現(xiàn)了生產(chǎn)的自動化、智能化和可視化，向?qū)崿F(xiàn)車間生產(chǎn)自動化進程邁出了一大步。本文提出的構(gòu)想改變了該線纜廠管理滯后的現(xiàn)狀，不僅能夠很好地解決集團內(nèi)部企業(yè)的實際問題，實現(xiàn)自動化生產(chǎn)，同時也對其他線纜企業(yè)乃至廣大的制造業(yè)都有十分寶貴的標桿作用。

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