基于ARM的線纜生產監控系統的設計

陳培+申紅明+張會猛+楊永杰

摘 要： 為了滿足對線纜生產自動化控制的要求，設計并實現了一種智能生產監控系統。系統采用多層分布式結構，底層監控終端以ARM Cortex M4F增強型嵌入式芯片為核心，結合激光條碼掃描、超高頻識別等技術，配以良好的人機交互平臺，實現生產數據的采集與處理，并以WiFi無線方式與頂層數據庫服務器系統進行數據交換，完成信息的上傳與反饋。監控終端通過分析比較反饋的數據可以實時控制生產進程，完成工業自動化監控。該系統經中天科技線纜框絞生產線測試，穩定性好，能有效完成對現場數據的收集、整理、上傳及反饋工作，實現生產的智能監控，具有很好的應用推廣價值。

關鍵詞： 線纜生產； 自動化控制； 智能監控； ARM； 數據庫服務器

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

我國的制造業企業正處于由制造大國向制造強國轉型的關鍵時期[1]，以信息化帶動工業自動化，加快工業信息化進程，通過新型工業化道路實現生產力跨越式發展對提高企業的核心競爭力有著至關重要的作用。在工業4.0的新型背景下，信息技術和制造業相結合成為更加迫切的要求，也是未來工業發展的必然趨勢[2]。目前，國外在智能化生產的研究和開發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，即電線電纜行業中，大多數線纜企業仍采用傳統的手工方式記錄車間現場數據，不僅效率低、易出錯，同時管理人員無法在第一時間準確、及時地獲取相關信息，從而迅速調整現場生產，以保證生產車間的高效運行。因此，使企業更有效地組織和控制生產，實現實時信息互動成為線纜企業信息化建設的重心。本文采用多層分布式結構，基于ARM Cortex?M4增強型嵌入式芯片，設計了一種線纜生產監控系統，能有效實現線纜生產的智能控制。

1 系統體系結構

生產監控系統的體系結構如圖1所示。采用多層分布式結構，從下至上分為監控層、網絡層和管理層。其中網絡層是系統的通信橋梁，它工作狀況的穩定與否會直接決定整個系統數據傳輸的品質[3]?？紤]到車間內已經實現了WiFi信號全覆蓋和其傳輸速度快、組網成本低的優點，采用WiFi無線終端接入企業局域網的方式，實現有效數據幀的實時傳輸[4]。底層監控層以監控終端為核心，每個監控終端設置一個WiFi節點，并且每個WiFi節點有一個惟一的標識（IP），這些節點和無線接入點一起組成無線局域網?，F場以無線路由器為中心，一方面和每一個WiFi智能節點相連，另一方面和頂層服務器相連。根據客戶訂單，預先將生產工藝卡全部錄入數據庫服務器系統。以線纜生產框絞工藝為例，首先，監控終端各組成模塊對生產線進行監控，同時將其采集到的合同、鋼芯、上盤、生產等信息以無線方式上傳至服務器，上位機對接收到的生產數據進行分析、處理，并向監控終端回送相關數據，以便監控終端進行下一步處理。如果監控終端接收到的數據和本地獲取到的相關數據有誤差，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。企業管理人員亦可以通過上位機監控軟件實時查看生產數據，第一時間了解車間生產情況，從而進行有效、迅速的響應，及時處理現場突發事件，實現生產的智能化。

2 監控終端硬件設計

硬件設計主要集中在系統的監控層部分。以一個監控終端為例進行介紹。監控終端的設計是較為繁瑣的，涉及到諸多模塊和多種功能的實現，在整個生產監控系統中發揮著關鍵作用。監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安排和調度，實現效率最大化。

2.1 監控終端集中器的主要硬件設計

根據所需實現的功能，集中器的核心處理器采用ST公司的基于Cortex M4F架構的新型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，完全滿足本系統的設計要求。集中器外圍硬件主要包括條碼掃描、矩陣鍵盤、采集器等數據采集與輸入模塊，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計如圖2所示。

以STM32F407ZGT6為核心的監控終端集中器主要實現如下功能：

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

（2） 交互與輸出功能：根據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、生產及保修信息等，形成良好的人機交互界面。采集器與服務器之間以USR?WIFI232?X WiFi無線模塊為中轉，實現特定格式數據幀的收發功能，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） 現場數據臨時存儲功能：考慮到車間無線網存在不穩定的情況，當出現網絡故障時，將本地數據暫存于SD卡中，待網絡再次暢通后，重新上傳SD卡中存儲的所有數據，同時兼顧系統的有效性和可靠性。

（4） 其他功能：這里主要介紹電源管理功能。AC 220 V轉DC 5 V適配器將220 V交流電轉成5 V直流電，再經兩塊AMS1117 3.3 V電源芯片轉換獲得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 監控終端采集器的主要硬件設計

采集器的硬件設計體現了分布式結構的設計思想。在生產監控系統中，采集器主要實現對繞線鐵盤的跟蹤管理。根據每條生產線的上盤通道數安裝相應數目的采集器，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。采集器系統結構如圖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，應用時布線簡單，穩定可靠。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（UHF RFID）是RFID技術在超高頻段的一種應用，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]，能適應線纜車間惡劣的工作環境。

此外，系統的報警工作也由采集器來完成。當發現服務器回送的數據和本地獲取的數據有誤差時，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 系統軟件設計

系統軟件主要由監控終端軟件和監控中心服務器收發軟件兩部分構成，本文主要介紹監控終端的軟件設計。

3.1 監控終端集中器的軟件設計

監控終端實現的功能多樣，邏輯、時序繁雜，程序編寫時主要采用分塊法和子函數調用的思想。監控終端軟件中涉及的子函數模塊有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。監控終端集中器的軟件模塊設計主要結構如圖5所示。主程序可直接調用子函數來實現預期功能。

硬件相關的驅動及初始化是軟件設計的重要組成部分，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 監控終端采集器的軟件設計

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

Modbus協議是一種主從式點對點的通信協議，允許一臺主機和多臺從機之間進行數據通信，鑒于Modbus協議易于實現的優點，它已經成為被廣泛應用的工業標準[8]。

本文設計通信協議時，在Modbus協議的基礎上設計了RTU鏈路協議，1個RTU消息幀由地址域、功能域（數據域）、CRC校驗域外加起始域共同構成[9]。例如，中心主站發送一幀數據0A 01 05 85 90 CF（十六進制），數據幀中含有如下信息：

（1） 0A：起始幀（一個有效數據幀的開始）；

（2） 01：從屬設備地址（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（低字節在前，高字節在后）；

根據“地址相同響應”原則，只有物理地址編號為01的UHF終端返回標簽數據（前提是讀取到標簽號信息）?；厮蛿祿袷綖?B 01 12 B標簽號數據 CRC16。各字段含義和發送數據幀類似。

4 現場測試結果

該系統已經在中天科技線纜框絞車間某條生產線上進行了現場測試。從現場測試結果來看，采集系統各模塊之間能穩定工作，相互之間無干擾。能按照預期的要求采集合同、鋼芯、上盤、生產等多路信息并上傳至服務器。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對上盤過程的有效控制，很好地實現生產過程監控與管理。管理人員通過上位機監控軟件可查看生產信息，與傳統的手工記錄方式相比，實現了無紙化生產與管理，符合生產智能監控的要求。表1為某工作日某條框絞生產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。

從現場測試數據統計結果來看，該分布式多標簽識別系統能較好地實現預期功能，標簽號讀取成功率較高，是智能化數據采集在車間生產中的一次成功應用。針對統計結果中幾次讀取不成功的情況，后期將規范標簽號固定位置，培訓操作工人能注意推送角度以及做好標簽的防碰撞工作，系統的成功率能達到100%。

5 結 語

本文首次提出并實現了基于ARM Cortex M4F的線纜生產數據監控系統的設計，系統將嵌入式技術和數據庫技術相融合[10]，實現了生產的自動化、智能化和可視化，向實現車間生產自動化進程邁出了一大步。本文提出的構想改變了該線纜廠管理滯后的現狀，不僅能夠很好地解決集團內部企業的實際問題，實現自動化生產，同時也對其他線纜企業乃至廣大的制造業都有十分寶貴的標桿作用。

參考文獻

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