基于ARM的线缆生产监控系统的设计

陈培+申红明+张会猛+杨永杰

摘 要： 为了满足对线缆生产自动化控制的要求，设计并实现了一种智能生产监控系统。系统采用多层分布式结构，底层监控终端以ARM Cortex M4F增强型嵌入式芯片为核心，结合激光条码扫描、超高频识别等技术，配以良好的人机交互平台，实现生产数据的采集与处理，并以WiFi无线方式与顶层数据库服务器系统进行数据交换，完成信息的上传与反馈。监控终端通过分析比较反馈的数据可以实时控制生产进程，完成工业自动化监控。该系统经中天科技线缆框绞生产线测试，稳定性好，能有效完成对现场数据的收集、整理、上传及反馈工作，实现生产的智能监控，具有很好的应用推广价值。

关键词： 线缆生产； 自动化控制； 智能监控； ARM； 数据库服务器

中图分类号： TN948.64?34； TP274 文献标识码： A 文章编号： 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

我国的制造业企业正处于由制造大国向制造强国转型的关键时期[1]，以信息化带动工业自动化，加快工业信息化进程，通过新型工业化道路实现生产力跨越式发展对提高企业的核心竞争力有着至关重要的作用。在工业4.0的新型背景下，信息技术和制造业相结合成为更加迫切的要求，也是未来工业发展的必然趋势[2]。目前，国外在智能化生产的研究和开发方面取得了明显的进展，而我国还处于初级阶段。在我国第二大行业，即电线电缆行业中，大多数线缆企业仍采用传统的手工方式记录车间现场数据，不仅效率低、易出错，同时管理人员无法在第一时间准确、及时地获取相关信息，从而迅速调整现场生产，以保证生产车间的高效运行。因此，使企业更有效地组织和控制生产，实现实时信息互动成为线缆企业信息化建设的重心。本文采用多层分布式结构，基于ARM Cortex?M4增强型嵌入式芯片，设计了一种线缆生产监控系统，能有效实现线缆生产的智能控制。

1 系统体系结构

生产监控系统的体系结构如图1所示。采用多层分布式结构，从下至上分为监控层、网络层和管理层。其中网络层是系统的通信桥梁，它工作状况的稳定与否会直接决定整个系统数据传输的品质[3]。考虑到车间内已经实现了WiFi信号全覆盖和其传输速度快、组网成本低的优点，采用WiFi无线终端接入企业局域网的方式，实现有效数据帧的实时传输[4]。底层监控层以监控终端为核心，每个监控终端设置一个WiFi节点，并且每个WiFi节点有一个惟一的标识（IP），这些节点和无线接入点一起组成无线局域网。现场以无线路由器为中心，一方面和每一个WiFi智能节点相连，另一方面和顶层服务器相连。根据客户订单，预先将生产工艺卡全部录入数据库服务器系统。以线缆生产框绞工艺为例，首先，监控终端各组成模块对生产线进行监控，同时将其采集到的合同、钢芯、上盘、生产等信息以无线方式上传至服务器，上位机对接收到的生产数据进行分析、处理，并向监控终端回送相关数据，以便监控终端进行下一步处理。如果监控终端接收到的数据和本地获取到的相关数据有误差，则启动报警装置，同时通过控制继电器强制停止运行框绞机，并且监控终端液晶屏上会提示错误信息以便工人及时操作纠正。企业管理人员亦可以通过上位机监控软件实时查看生产数据，第一时间了解车间生产情况，从而进行有效、迅速的响应，及时处理现场突发事件，实现生产的智能化。

2 监控终端硬件设计

硬件设计主要集中在系统的监控层部分。以一个监控终端为例进行介绍。监控终端的设计是较为繁琐的，涉及到诸多模块和多种功能的实现，在整个生产监控系统中发挥着关键作用。监控终端可分为集中器和采集器两个部分，两者之间通过合理的任务安排和调度，实现效率最大化。

2.1 监控终端集中器的主要硬件设计

根据所需实现的功能，集中器的核心处理器采用ST公司的基于Cortex M4F架构的新型ARM芯片——STM32F407ZGT6。该芯片最高运行频率达168 MHz，集成了FPU和DSP指令，片上资源丰富[5]。不仅配置强大，同时较先前推出的STM32F1x系列相比，拥有238 μA/MHz的超低功耗，完全满足本系统的设计要求。集中器外围硬件主要包括条码扫描、矩阵键盘、采集器等数据采集与输入模块，7寸TFTLCD触摸屏、WiFi、嵌入式打印等交互与输出模块，SD卡、FLASH存储模块，以及电源管理模块等。主芯片与各外围模块的接口设计如图2所示。

以STM32F407ZGT6为核心的监控终端集中器主要实现如下功能：

（1） 采集与输入功能：根据FM100型激光条码扫描器的控制逻辑实现合同、杆材编号的采集。也可通过4×4矩阵按键实现键入、删除、选择、确认、切换等操作。

（2） 交互与输出功能：根据MD070SD型7寸总线型TFT彩色液晶屏幕的控制逻辑显示合同、杆材、钢芯、上盘、生产及保修信息等，形成良好的人机交互界面。采集器与服务器之间以USR?WIFI232?X WiFi无线模块为中转，实现特定格式数据帧的收发功能，通信波特率为57 600 b/s。线缆成品出厂时需要将线缆成品出厂信息的标签贴在产品包装上，这里选用RD?DH型热敏微型打印机进行标签打印。

（3） 现场数据临时存储功能：考虑到车间无线网存在不稳定的情况，当出现网络故障时，将本地数据暂存于SD卡中，待网络再次畅通后，重新上传SD卡中存储的所有数据，同时兼顾系统的有效性和可靠性。

（4） 其他功能：这里主要介绍电源管理功能。AC 220 V转DC 5 V适配器将220 V交流电转成5 V直流电，再经两块AMS1117 3.3 V电源芯片转换获得3.3 V直流电，分别提供主芯片和屏幕的供电。最大电流满足小于电源芯片的最大输出电流1 A。

2.2 监控终端采集器的主要硬件设计

采集器的硬件设计体现了分布式结构的设计思想。在生产监控系统中，采集器主要实现对绕线铁盘的跟踪管理。根据每条生产线的上盘通道数安装相应数目的采集器，通过RS 485串口控制UHF射频识别模块读取铁盘标签号中的信息，实现铁盘的跟踪管理，通信波特率为9 600 b/s。以线缆框架工艺为例，每个线缆操作台管理1条生产线，包含4个铁盘推送口，因此需要满足能同时管理4组铁盘的实际要求。为此，提出了一种基于分布式控制的铁盘多标签自动识别系统。采集器系统结构如图3所示。

STM32和采集器之间采用了RS 485串行通信总线，对4个采集器进行分布式控制。RS 485通信距离远，可用于多点互连，扩展性强，应用时布线简单，稳定可靠。如图3所示，每台采集器必须手牵手地串下去，不可以有星型連接或者分叉，否则，干扰将非常大，导致通信不畅，甚至无法通信。采集器由STC12LE5A60S2单片机和UHF模块组成，它们之间通过RS 232串口进行通信。UHF模块中核心的超高频识别技术（UHF RFID）是RFID技术在超高频段的一种应用，不仅识别距离远、读取速度快，且可以识别高速运动的物体[6]，能适应线缆车间恶劣的工作环境。

此外，系统的报警工作也由采集器来完成。当发现服务器回送的数据和本地获取的数据有误差时，采集器通过控制继电器的引脚强制停止运行框绞机并启动蜂鸣器和双层指示灯进行报警，提示工人存在错误操作的情况。采集器及其周围硬件组成框图如图4所示。

3 系统软件设计

系统软件主要由监控终端软件和监控中心服务器收发软件两部分构成，本文主要介绍监控终端的软件设计。

3.1 监控终端集中器的软件设计

监控终端实现的功能多样，逻辑、时序繁杂，程序编写时主要采用分块法和子函数调用的思想。监控终端软件中涉及的子函数模块有SD卡、FLASH模块，条码扫描、键盘模块，触摸屏、嵌入式打印机模块，WiFi、采集器模块等。监控终端集中器的软件模块设计主要结构如图5所示。主程序可直接调用子函数来实现预期功能。

硬件相关的驱动及初始化是软件设计的重要组成部分，其为增强代码的可移植性和可维护性提供了保障。这里着重介绍SD卡和通用异步串行（RS 232）初始化流程，如图6所示。

3.2 监控终端采集器的软件设计

采集器的软件设计是监控终端程序设计中较为重要的部分。在监控终端的RS 485总线网络中，STM32F407ZGT6作为中心主站，采集器则处于从属地位。采集器硬件设计中STC12单片机一方面控制RS 485信号数据流向；另一方面，由于UHF模块内部不含有物理地址编号，因此借助于STC12芯片设计一个编码电路给每个UHF模块赋予惟一的物理地址，以便中心主站能够对数据来源进行识别。绞线上盘状态下，主站采用广播方式，按地址轮流向采集器发送读标签命令，从站不断监测总线上包含的地址信息，只有检测到与自己的设备地址相一致时，才将自己的状态与采集到的铁盘标签数据回送给主站。通信波特率为9 600 b/s，数据格式为1位起始位，8位数据位，1位停止位，无奇偶校验位[7]。主站的程序设计如图7所示。

Modbus协议是一种主从式点对点的通信协议，允许一台主机和多台从机之间进行数据通信，鉴于Modbus协议易于实现的优点，它已经成为被广泛应用的工业标准[8]。

本文设计通信协议时，在Modbus协议的基础上设计了RTU链路协议，1个RTU消息帧由地址域、功能域（数据域）、CRC校验域外加起始域共同构成[9]。例如，中心主站发送一帧数据0A 01 05 85 90 CF（十六进制），数据帧中含有如下信息：

（1） 0A：起始帧（一个有效数据帧的开始）；

（2） 01：从属设备地址（物理地址为01的UHF终端）；

（3） 05 85：功能码（读标签功能码）；

（4） 90 CF：CRC16校验（低字节在前，高字节在后）；

根据“地址相同响应”原则，只有物理地址编号为01的UHF终端返回标签数据（前提是读取到标签号信息）。回送数据格式为0B 01 12 B标签号数据 CRC16。各字段含义和发送数据帧类似。

4 现场测试结果

该系统已经在中天科技线缆框绞车间某条生产线上进行了现场测试。从现场测试结果来看，采集系统各模块之间能稳定工作，相互之间无干扰。能按照预期的要求采集合同、钢芯、上盘、生产等多路信息并上传至服务器。上盘时铁盘标签识别成功率达到96.25%，良好的反馈机制能实现对上盘过程的有效控制，很好地实现生产过程监控与管理。管理人员通过上位机监控软件可查看生产信息，与传统的手工记录方式相比，实现了无纸化生产与管理，符合生产智能监控的要求。表1为某工作日某条框绞生产线上铁盘标签编号的获取情况。表1中，铁盘标签号获取情况中的1表示一次性读取成功，0表示读取失败。0/1表示重推读取成功。

從现场测试数据统计结果来看，该分布式多标签识别系统能较好地实现预期功能，标签号读取成功率较高，是智能化数据采集在车间生产中的一次成功应用。针对统计结果中几次读取不成功的情况，后期将规范标签号固定位置，培训操作工人能注意推送角度以及做好标签的防碰撞工作，系统的成功率能达到100%。

5 结 语

本文首次提出并实现了基于ARM Cortex M4F的线缆生产数据监控系统的设计，系统将嵌入式技术和数据库技术相融合[10]，实现了生产的自动化、智能化和可视化，向实现车间生产自动化进程迈出了一大步。本文提出的构想改变了该线缆厂管理滞后的现状，不仅能够很好地解决集团内部企业的实际问题，实现自动化生产，同时也对其他线缆企业乃至广大的制造业都有十分宝贵的标杆作用。

参考文献

[1] 肖体梁.基于物联网的线缆企业制造执行系统研究及设计[D].成都：电子科技大学，2011.

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[4] 郝真鸣，赵男，梁铁，等.基于WiFi的智能楼宇监控系统[J].测控技术，2013，32（10）：87?89.

[5] 杜红彬，徐芳俊，江哲.一种新型双核飞行控制系统的设计[J].自动化仪表，2015，2（2）：30?34.

[6] 唐龙飞.面向超低功耗的无源超高频射频识别芯片架构研究[D].西安：西安电子科技大学，2012.

[7] 郝潇，王晓峰.双网组合下的水声通信网络节点的设计与实现[J].计算机测量与控制，2014，22（9）：2967?2969.

[8] 中国国家标准化管理委员会.基于Modbus协议的工业自动化网络规范第1部分：Modbus应用协议：GB/T 19582.1—2008[S].北京：中国标准出版社，2008.

[9] 胡兴刚.基于Modbus协议的电磁流量计在水库涵管流量测量中的应用[J].测控技术，2014，33（9）：101?104.

[10] 李栋，李瑞.数据库信息管理技术在嵌入式系统中的应用研究[J].电脑编程技巧与维护，2015，11（18）：63.