韋 萌， 周東橋

（中船重工第七0九研究所，湖北 武漢 430070）

0 引言

目前國(guó)內(nèi)大部分煙廠都在進(jìn)行自動(dòng)化升級(jí)和改造，但大部分都集中在電控系統(tǒng)和配送系統(tǒng)方面。然而在實(shí)際的生產(chǎn)過(guò)程中許多生產(chǎn)用的物料檢查和更換還是采用人工方式，因此生產(chǎn)過(guò)程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)檢查或更換錯(cuò)誤的情況出現(xiàn)，給煙廠帶來(lái)了不必要的損失。針對(duì)這一現(xiàn)狀，我們有必要對(duì)生產(chǎn)中的這一重要環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)一套監(jiān)控系統(tǒng)，從而幫助工作人員正確完成物料的檢查和更換工作，這樣不但能夠減少煙廠的損失而且可以大大提高生產(chǎn)線的工作效率[1]。

1 系統(tǒng)功能及結(jié)構(gòu)[1-2]

該系統(tǒng)的主要功能為采用手持條碼PDA對(duì)要放入生產(chǎn)線進(jìn)行生產(chǎn)的物料（比如盤紙）進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，然后通過(guò)無(wú)線通信模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到接收端，接收端采用USB或UART與生產(chǎn)線控制計(jì)算機(jī)連接，將接收到的數(shù)據(jù)發(fā)送到計(jì)算機(jī)進(jìn)行檢測(cè)，如果檢測(cè)通過(guò)則生產(chǎn)線繼續(xù)運(yùn)行否則停止生產(chǎn)線運(yùn)行并進(jìn)行報(bào)警。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下頁(yè)圖1所示。

該系統(tǒng)主要由兩部分組成：手持式條碼掃描器及無(wú)線數(shù)據(jù)接收器。手持式條碼掃描器由手持式PDA（型號(hào)HD6305）、條碼頭、低功耗單片機(jī)（型號(hào) C8051F320）和無(wú)線通信芯片（型號(hào)CC1100）組成。該設(shè)備可實(shí)現(xiàn)條碼掃描、數(shù)據(jù)記錄與顯示、參數(shù)設(shè)置、信號(hào)強(qiáng)度顯示、數(shù)據(jù)發(fā)射與接收等功能。設(shè)備的無(wú)線模塊工作在433 MHz ISM頻段，采用GFSK通信調(diào)制方式，數(shù)據(jù)傳輸率為100 kb/s，有效通信距離在500 m左右。每臺(tái)手持式條碼掃描器都有獨(dú)立的工作頻段，通信協(xié)議采用了應(yīng)答握手協(xié)議，保證了通信數(shù)據(jù)的正確無(wú)誤。無(wú)線數(shù)據(jù)接收器由低功耗單片機(jī)（型號(hào) C8051F320）和無(wú)線通信芯片（型號(hào)CC1100）組成。該設(shè)備可自動(dòng)接收手持式條碼掃描器傳來(lái)的數(shù)據(jù)并通過(guò)USB或串行通信口傳給工控機(jī)顯示及處理，工控機(jī)同樣可以通過(guò)該設(shè)備將計(jì)算機(jī)上的數(shù)據(jù)或參數(shù)傳輸給指定的手持式條碼掃描器。

上位工控機(jī)上一般都安裝了該生產(chǎn)線所對(duì)應(yīng)的生產(chǎn)監(jiān)控軟件HMI（人機(jī)操作界面）。而本系統(tǒng)的所設(shè)計(jì)的上位監(jiān)控軟件可以無(wú)縫的嵌入在上述軟件中，它采用獨(dú)立線程完全后臺(tái)運(yùn)行對(duì)主體軟件不會(huì)產(chǎn)生任何影響，當(dāng)出現(xiàn)檢測(cè)結(jié)果不一致時(shí)，便會(huì)通過(guò)彈出對(duì)話框的方式提示操作人員并且同時(shí)通過(guò)Profibus總線將停機(jī)信號(hào)傳遞給電控PLC單元從而控制生產(chǎn)線停止運(yùn)轉(zhuǎn)，這樣操作人員便可以將錯(cuò)誤的盤紙進(jìn)行更換從而保證了整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中物料使用的準(zhǔn)確無(wú)誤。

圖1 物料無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)工作原理

2.1 通信協(xié)議[3-4]

系統(tǒng)低層通信采用短距離一對(duì)一的無(wú)線雙向握手通信協(xié)議。無(wú)線數(shù)據(jù)接收器（從機(jī)）的主要工作流程為：“無(wú)線接收—發(fā)送應(yīng)答—發(fā)送數(shù)據(jù)到上位機(jī)”，手持式條碼掃描器（主機(jī)）的主要工作流程為：“掃描—定時(shí)發(fā)送—接收應(yīng)答”。上位機(jī)（工控機(jī)）主要工作流程為：“接收—校驗(yàn)—顯示和處理”。從機(jī)在上電初始化后便一直處于數(shù)據(jù)接收狀態(tài)，當(dāng)接收到主機(jī)傳遞過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)后，便將接收到的數(shù)據(jù)再返回給主機(jī)并同時(shí)通過(guò)電纜將數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)。從整個(gè)系統(tǒng)的工作原理來(lái)看從機(jī)就相當(dāng)于數(shù)據(jù)的中轉(zhuǎn)站，只負(fù)責(zé)將無(wú)線數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為有線數(shù)據(jù)而不參與數(shù)據(jù)的處理工作，這樣有利于保證數(shù)據(jù)的原始性和正確性。

主機(jī)除了負(fù)責(zé)掃描條碼采集數(shù)據(jù)外，還主要負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換和無(wú)線通信協(xié)議的實(shí)現(xiàn)。由于主從機(jī)通信時(shí)使用同一物理信道，因此在任意時(shí)刻只允許一臺(tái)設(shè)備處于數(shù)據(jù)發(fā)送狀態(tài)。為了使兩端通信不產(chǎn)生沖突，設(shè)計(jì)主機(jī)采用定時(shí)發(fā)送方式，即采用定時(shí)器每隔n ms發(fā)送一次數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)間由硬件決定假設(shè)為k ms，因此主機(jī)的接收時(shí)間則為（n-k）ms。

主機(jī)有兩種方式停止定時(shí)發(fā)送，一種是直到接收到從機(jī)發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)才停止（握手），另一種方式是定時(shí)發(fā)送超過(guò)一定次數(shù)后停止（超時(shí)）。采用這種定時(shí)發(fā)送方式后主機(jī)的“發(fā)送—接收”與從機(jī)的“接收—發(fā)送”相對(duì)應(yīng)，既可以防止兩端的通信沖突，又可以防止由于發(fā)送時(shí)間過(guò)短而造成從機(jī)未接收到數(shù)據(jù)的情況發(fā)生。

2.2 無(wú)線通信的設(shè)置和過(guò)程[5]

由于一般煙廠現(xiàn)場(chǎng)都有多套卷煙生產(chǎn)線，而每條生產(chǎn)線都獨(dú)立配置一套物料監(jiān)控系統(tǒng)因此每套系統(tǒng)各有自己的通信信道，設(shè)定理想信道間隔寄存器CHANSPC_M(尾數(shù))的值為 RSPCM，寄存器CHANSPC_E(指數(shù))的值為 RSPCE；基頻率和起始頻率寄存器FREQ的值為 RFREQ；理想信道數(shù)寄存器CHAN的值為 RCHAN；時(shí)鐘頻率為 fXOSC。合成載波頻率公式如式（1）所示：

在手持設(shè)備接收端為了滿足不同信道寬度要求，需設(shè)置接收器的信道濾波控制。設(shè)定理想信道間隔寄存器CHANSPC_M(尾數(shù))的值為SPCMR ，寄存器 CHANSPC_E(指數(shù))的值為SPCER ；時(shí)鐘頻率為XOSCf 。信道濾波帶寬公式如式（2）所示：

無(wú)線通信芯片CC1100支持54～63 kHz到600～700 kHz之間的信道濾波帶寬。然而，在300 kHz之上，靈敏度和模塊化性能會(huì)稍微降低。為得到最高性能，信道濾波帶寬應(yīng)該選擇為信號(hào)帶寬最多占 80%信道濾波帶寬。在本系統(tǒng)中根據(jù)式（1）可算出發(fā)射端信道間隔為150.75 kHz，根據(jù)式（2）可算出信道濾波帶寬為203 kHz，則信號(hào)帶寬的最大值在162 kHz左右，該值大于發(fā)射端信道間隔值因此該信號(hào)帶寬滿足最高通信性能條件。

CC1100支持2種不同的數(shù)據(jù)包濾波標(biāo)準(zhǔn)：地址濾波和最大長(zhǎng)度濾波。本系統(tǒng)采用固定數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度和地址濾波，主機(jī)和從機(jī)每次只發(fā)送20字節(jié)數(shù)據(jù)。其中包括1字節(jié)的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、1字節(jié)地址、17字節(jié)的掃描數(shù)據(jù)和1字節(jié)的校驗(yàn)。在接收模式下，解調(diào)器和數(shù)據(jù)包處理裝置將會(huì)搜尋有效的前導(dǎo)和同步詞匯，找到后便開(kāi)始接收第一個(gè)有效載荷字節(jié)。隨后數(shù)據(jù)包處理裝置會(huì)接收程序控制數(shù)目的字節(jié)之后便開(kāi)始檢查地址，地址匹配時(shí)才繼續(xù)進(jìn)行接收。接收到數(shù)據(jù)后，數(shù)據(jù)包處理裝置計(jì)算CRC，并將它同數(shù)據(jù)附加的CRC校驗(yàn)相匹配。在有效載荷末端，寫入2個(gè)額外字節(jié)：CRC狀態(tài)和連接質(zhì)量指示（LQI）。

接收端接收到數(shù)據(jù)后，判斷CRC狀態(tài)是否置位便可以判斷接收的數(shù)據(jù)是否正確，無(wú)需使用軟件參與CRC校驗(yàn)計(jì)算。當(dāng)數(shù)據(jù)確認(rèn)無(wú)誤后，便可以讀出連接質(zhì)量指示值，從而可以得到當(dāng)前信號(hào)的強(qiáng)度。通過(guò)這些特性，設(shè)計(jì)者就可以簡(jiǎn)單方便的設(shè)計(jì)出一套簡(jiǎn)潔高效的通信程序，而不用花費(fèi)大量的時(shí)間去研究通信過(guò)程中數(shù)據(jù)的編碼問(wèn)題。

3 軟件設(shè)計(jì)[4]

系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，根據(jù)每個(gè)模塊的功能主要分為四部分：手持PDA人機(jī)界面、手持PDA無(wú)線模塊、定點(diǎn)無(wú)線模塊和上位機(jī)監(jiān)控。其中手持PDA人機(jī)界面采用供貨商提供的開(kāi)發(fā)套件進(jìn)行開(kāi)發(fā)，其具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程就不在這里詳述。針對(duì)本文介紹的重點(diǎn)，以下主要介紹無(wú)線通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)的具體方法。

通信協(xié)議的主要實(shí)現(xiàn)過(guò)程是通過(guò)手持PDA無(wú)線模塊中的軟件來(lái)完成的，其流程圖如圖2所示。當(dāng)掃描工作開(kāi)始后，無(wú)線模塊上電并初始化，然后一直等待PDA將掃描結(jié)果通過(guò)串口發(fā)送過(guò)來(lái)，當(dāng)接收到掃描數(shù)據(jù)后便開(kāi)始進(jìn)入定時(shí)無(wú)線發(fā)送狀態(tài)，由于定時(shí)時(shí)間對(duì)系統(tǒng)通信速度和成功率有較大影響，時(shí)間過(guò)大則通信速度過(guò)慢，太小則有可能產(chǎn)生通信沖突造成通信失敗，根據(jù)實(shí)驗(yàn)本系統(tǒng)采用10 ms定時(shí)時(shí)間，總共2 s的發(fā)送時(shí)間，因此無(wú)論無(wú)線模塊是否能接收到數(shù)據(jù)，其在2 s的時(shí)間后都要跳出定時(shí)發(fā)送模式而通過(guò)串口將數(shù)據(jù)返回給 PDA，這樣就避免了由于干擾或其他因素而造成的無(wú)線通信故障迫使整個(gè)系統(tǒng)癱瘓。

圖2 手持PDA無(wú)線模塊定時(shí)發(fā)送流程

上位機(jī)的監(jiān)控軟件采用VB設(shè)計(jì)，可獨(dú)立運(yùn)行也可嵌入在任何程序中運(yùn)行。該軟件主要負(fù)責(zé)將從機(jī)傳遞過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換和校驗(yàn)，如果校驗(yàn)值與數(shù)據(jù)中校驗(yàn)字節(jié)的值相同則說(shuō)明該數(shù)據(jù)有效，于是便將該數(shù)據(jù)中采集到物料編碼與數(shù)據(jù)庫(kù)中當(dāng)前物料編碼進(jìn)行比較，如果相同則不產(chǎn)生任何結(jié)果生產(chǎn)線繼續(xù)保持運(yùn)行，如果不相同則會(huì)彈出警告對(duì)話框進(jìn)行提示并發(fā)送停機(jī)信號(hào)給PLC電控機(jī)構(gòu)。監(jiān)控軟件的數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)容由操作人員在生產(chǎn)前通過(guò)無(wú)線掃描方式輸入到系統(tǒng)中，每個(gè)牌號(hào)對(duì)應(yīng)各自的物料信息，牌號(hào)的切換可采用手動(dòng)或自動(dòng)方式。自動(dòng)切換方式需要將該生產(chǎn)線的工控機(jī)接入到現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)局域網(wǎng)中，通過(guò)以太網(wǎng)獲得中央監(jiān)控室中計(jì)算機(jī)傳遞過(guò)來(lái)的牌號(hào)信息。

4 結(jié)語(yǔ)

以往短距離無(wú)線通信的應(yīng)用領(lǐng)域十分有限，主要是由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、通信速度慢、抗干擾性差所決定的。如今高集成度無(wú)線通信芯片的出現(xiàn)改變了這一狀況，本系統(tǒng)所采用的無(wú)線通信方案具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、通信速度快、穩(wěn)定性高、容錯(cuò)性強(qiáng)的特點(diǎn)。

針對(duì)煙廠自動(dòng)化程度高、設(shè)備種類多、改造困難的特點(diǎn)。采用本系統(tǒng)對(duì)生產(chǎn)線進(jìn)行功能改進(jìn)可有效減少改造成本、提高生產(chǎn)線的工作效率，再加上無(wú)線系統(tǒng)具有擴(kuò)展性好、適用性強(qiáng)、使用方便等特點(diǎn)，針對(duì)不同的耗材，只需設(shè)定相應(yīng)的參數(shù)便可采用相同方式管理。由此可見(jiàn)，無(wú)線通信系統(tǒng)在煙草設(shè)備上的成功運(yùn)用將會(huì)對(duì)煙草行業(yè)的生產(chǎn)管理帶來(lái)積極的影響。

[1] 周雪軍.長(zhǎng)城卷接機(jī)組盤紙控制系統(tǒng)的改造[J].煙草科技,2005,6(15):21,48.

[2] 寧永海,沈森,阮文輝,等.無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸在監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].通信技術(shù),2010,43(01):72-73.

[3] 趙忠彪,張?jiān)?握手式通信協(xié)議在遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].繼電器.2008,8(36):76-78,82.

[4] 張新聞,楊永浩.基于CC1100和GPRS的無(wú)線供水監(jiān)控系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[J].寧夏工程技術(shù),2008,7(02):112-115.

[5] 陳香.CC1100的無(wú)線數(shù)據(jù)通信與時(shí)分多址通信協(xié)議[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2009,4(06):69-70.