胡小青，嚴(yán)輝容，李興慧（四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，四川德陽618000）

嵌入式兒童書帖檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用*

胡小青，嚴(yán)輝容，李興慧
（四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，四川德陽618000）

針對兒童書籍在印后的配頁過程中出現(xiàn)的多帖、少帖、錯(cuò)帖等不足現(xiàn)象，設(shè)計(jì)了條形碼閱讀器結(jié)合單片機(jī)構(gòu)成的嵌入式控制系統(tǒng)，并從硬件和軟件方面進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。計(jì)算機(jī)為主機(jī)，單片機(jī)為從機(jī)，通過RS485串行通訊口，將控制單元的檢測信息寫入計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫。并運(yùn)用VB編寫人機(jī)可視化界面，用戶可以實(shí)時(shí)、簡單、快捷地對生產(chǎn)線進(jìn)行監(jiān)控和錯(cuò)誤處理。大大提高了書籍在配頁過程中的質(zhì)量，對以后類似書帖檢測具有借鑒意義和推廣價(jià)值。

兒童書籍；嵌入式控制系統(tǒng)；優(yōu)化設(shè)計(jì)；VB

0　前言

近年來，越來越多的父母更加注重對兒童的早期教育。但考慮到電子學(xué)習(xí)產(chǎn)品機(jī)輻射較大，很多家長傾向于用書籍對兒童進(jìn)行早期教育，因此對兒童書籍的印刷和裝訂質(zhì)量要求也越來越高。為了保證兒童精裝書質(zhì)量，需要做到以下最根本的兩點(diǎn)：一是提高印刷前的質(zhì)量，也即配置性能較高的印前設(shè)備；二是保證印刷后裝訂的質(zhì)量。兒童精裝書在印后的加工過程中，不僅工藝流程較復(fù)雜，實(shí)施難度較大，而在配頁工序中影響配頁質(zhì)量的是重復(fù)的多帖、少帖、錯(cuò)帖以及夾雜白紙等原因，它們最終導(dǎo)致整本書的浪費(fèi)，造成經(jīng)濟(jì)損失[1]。

1　嵌入式兒童書帖檢測系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

書帖檢測系統(tǒng)選用條形閱讀器并結(jié)合單片機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成嵌入式控制單元，使用單片機(jī)的串行通信接口，通過RS485接口驅(qū)動芯片構(gòu)組成總路線通信網(wǎng)。把n（n≤100）臺單片機(jī)系統(tǒng)連接起來，組成一個(gè)分布式數(shù)據(jù)匯集和控制系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)為主機(jī)，單片機(jī)為從機(jī)。通過RS485串行通訊口，將控制單元的檢測信息寫入計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫。在配頁機(jī)流水線上，每個(gè)裝了書帖的配頁站都要安裝一個(gè)閱讀器和嵌入式控制系統(tǒng)，而這所有書帖檢測設(shè)備還可以通過總線連接到計(jì)算機(jī)，通過計(jì)算機(jī)中軟件編程和設(shè)置進(jìn)一步完成書帖統(tǒng)計(jì)、查詢等功能。大大提高了書籍在配頁過程中的質(zhì)量，對以后類似書帖檢測具有借鑒意義和推廣價(jià)值。

首先在書帖的邊緣部分（這部分在裁切工序中被切掉）印上條形碼，每一種書帖對應(yīng)一個(gè)條形碼。方案中所設(shè)計(jì)的嵌入式控制系統(tǒng)由微處理器、外圍硬件設(shè)備、嵌入式操作系統(tǒng)以及用戶應(yīng)用程序等4個(gè)部分組成，用以實(shí)現(xiàn)對其他設(shè)備的控制、監(jiān)視和管理等功能[2]。它可以同時(shí)使用100個(gè)條碼閱讀器，并且這n個(gè)條碼閱讀器分布于不同的檢測工位，根據(jù)現(xiàn)場情況的不同，各工位之間的距離可能較大。在檢測系統(tǒng)中采用嵌入式系統(tǒng)來對n個(gè)條碼閱讀器的信號進(jìn)行處理后，再送上位計(jì)算機(jī)處理。如圖1所示的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。本系統(tǒng)中嵌入式系統(tǒng)通過總線與n個(gè)條碼機(jī)通信，讀取條碼機(jī)的數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息，為保證數(shù)據(jù)通信的可靠性，綜合成本因素，通信總線物理采用RS485協(xié)議，RS485總線由于采用差分信號，具有良好的抗干擾能力，在工業(yè)現(xiàn)場被廣泛使用。由于采用差分方式，RS485總線可靠的通信距離可達(dá)1.2 km（9 600 bit/s時(shí)），能確保本系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃訹3]。半雙工方式，通信協(xié)議自行編寫。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

嵌入式系統(tǒng)采用增強(qiáng)型的8051系列單片機(jī)，工作頻率可達(dá)25MHz，數(shù)據(jù)處理能力可以滿足要求，嵌入式系統(tǒng)與PC之間由于距離很近（1～2m），而現(xiàn)有的PC機(jī)一般都取消了串口等設(shè)備，因此采用USB通信。在系統(tǒng)中，PC做為數(shù)據(jù)處理存儲的終端設(shè)備以及人機(jī)界面使用。

2　嵌入式控制系統(tǒng)硬件整體設(shè)計(jì)

本方案所設(shè)計(jì)的嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心、計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)。軟件硬件、可裁剪的適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)，對性能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)[4]。控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)了如圖2所示的硬件功能框圖，各部件的選取與電路設(shè)計(jì)如下述。

圖2　嵌入式硬件系統(tǒng)框圖

（1）CPU的選擇

CPU選用Silicon Labartories公司的增強(qiáng)型51單片機(jī)。型號為C8051F020，C8051F020器件是完全集成的混合信號系統(tǒng)級MCU芯片，具有64個(gè)數(shù)字I/O引腳，真正12位、100ksps的8通道ADC，帶PGA和模擬多路開關(guān)，高速、流水線結(jié)構(gòu)的8051兼容的CIP-51內(nèi)核（可達(dá)25MIPS）[5]。該單片機(jī)與傳統(tǒng)的51單片機(jī)相比，處理速度大大提高，硬件資源也更加豐富，但指令與傳統(tǒng)51單片機(jī)兼容且易于開發(fā)。

（2）芯片的選取

系統(tǒng)與上位PC機(jī)通信采用USB接口，接口電路采用南京沁恒電子公司生產(chǎn)的專用USB接口芯片CH372。該芯片集成了標(biāo)準(zhǔn)的USB傳輸協(xié)議，與CPU的連接簡單，只需簡單的端口讀寫操作就可以完成數(shù)據(jù)通信，而CPU無需對傳輸過程進(jìn)行控制。在CH372芯片中，內(nèi)置了USB通訊中的底層議。因此它具有方便靈活的內(nèi)置固件模式和外置軟固件模式。在前者模式下，這時(shí)端點(diǎn)0的所有事情由CH372及時(shí)處理，本地端單片機(jī)只需執(zhí)行數(shù)據(jù)交換任務(wù)，因些程序很簡潔。在后者模式下，各種USB請求，都由外部單片機(jī)自動處理，因而能實(shí)現(xiàn)符合各種USB類規(guī)范的設(shè)備[6-7]。如圖3所示為CH372應(yīng)用框圖。

圖3　CH372應(yīng)用框圖

（3）RSM485通信總線接口電路

RSM485通信總路線負(fù)責(zé)與條碼閱讀器和其他外圍設(shè)備相連。有可能連接的外圍設(shè)備，線路較長，為保證系統(tǒng)不受干擾，本系統(tǒng)采用隔離型的RSM485總線收發(fā)模塊，RSM485系列隔離收發(fā)器模塊，是集成電源隔離、電氣隔離、RS-485接口芯片和總線保護(hù)器件于一身，方便嵌入用戶設(shè)備，使產(chǎn)品具有連接RS-485網(wǎng)絡(luò)的功能。該系列模塊采用灌封工藝，具有很好的隔離特性，隔離電壓高達(dá)2500V DC[8-9]。型號為RSM485，廣州周立功公司生產(chǎn)。該模塊已在工業(yè)通訊、煤礦行業(yè)、電立監(jiān)控、樓宇自動化、石油化工、PlC與變頻器的通信等工業(yè)現(xiàn)場廣泛應(yīng)用。

圖4　RSM485實(shí)物圖

（4）LCD顯示器

LCD顯示器用于顯示系統(tǒng)的工作狀態(tài)，采用1602型點(diǎn)陣字符型液晶顯示器。

（5）掉電保存數(shù)據(jù)的存儲器

為應(yīng)對突然掉電等意外情況，防止數(shù)據(jù)丟失，系統(tǒng)中配置具有掉電保護(hù)功能的數(shù)據(jù)存儲器。

（6）時(shí)鐘及復(fù)位電路

由于在CPU內(nèi)部有專門的時(shí)鐘處理電路。因此外圍只需連接石英晶體和負(fù)載電子即可，綜合系統(tǒng)處理速度及穩(wěn)定性的要求，本系統(tǒng)采用24MHz的石英晶體振蕩器。

復(fù)位電路是保證CPU運(yùn)行的關(guān)鍵電路，本系統(tǒng)采用專用的帶看門狗功能的復(fù)位監(jiān)控芯片。其型號為：MAX813L，MAX813L芯片是美國MAX?IM公司生產(chǎn)的微處理器專用監(jiān)控器，具有上電復(fù)位、看門狗和電壓檢測等功能，并且有低功耗、智能化、微型化和高可靠性等優(yōu)點(diǎn)，可提高系統(tǒng)的可靠性和準(zhǔn)確性，是單片機(jī)復(fù)位和看門狗的實(shí)用電路[10]。

（7）電源電路

系統(tǒng)的電源質(zhì)量直接影響系統(tǒng)工作的可靠性，本系統(tǒng)采用交流隔離和開關(guān)電源相結(jié)合的供電方法。圖5為電源電路圖。在工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備的主要干擾源來自供電電路，本系統(tǒng)采用交流濾波器和隔離變壓器后，可以有效地抑制來自電源的干擾。尤其隔離變壓器由于磁飽和特性，還可以抑制因打雷等造成的流通電壓，對設(shè)備的安全起動有重要的作用。

圖5　電源電路圖

3　嵌入式控制系統(tǒng)軟件整體設(shè)計(jì)

（1）系統(tǒng)軟件功能塊組成

1）初始化程序

這部分程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的初始化操作，包括單件設(shè)置、通信參數(shù)設(shè)置、硬件的自檢等功能。

2）通信程序

通信程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)與各條碼閱讀機(jī)的通信。系統(tǒng)與各閱讀機(jī)之間的采用半雙工通信方式，以嵌入式系統(tǒng)為主機(jī)，所有通信都由主機(jī)發(fā)起，各條碼閱讀機(jī)只能被動響應(yīng)主機(jī)的通信請求，這樣可以保證通信的有序進(jìn)行。主機(jī)先向第一臺條碼閱讀機(jī)發(fā)出請求信息，條碼機(jī)在接收到請求信號后，向主機(jī)返回狀態(tài)信息和條碼閱讀機(jī)所讀取的條碼信息。在此之后主機(jī)又與第二臺條碼閱讀機(jī)通信，讀取信息，直到掃描完所有的條碼閱讀機(jī)。

3）系統(tǒng)與PC機(jī)通信程序

系統(tǒng)通過USB接口芯片CH372與PC機(jī)通信，這部分程序包括接收和發(fā)送兩部分，實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)的信息交換。系統(tǒng)與上位機(jī)之間的通信采用USB通信方式，利用CH372芯片實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)之間的物理連接，在上位機(jī)中需安裝CH372廠家提供的驅(qū)動程序。

整機(jī)的程序流程圖如圖6所示。

圖6　整機(jī)流程圖

（2）系統(tǒng)初始化程序

系統(tǒng)初始化程序?qū)崿F(xiàn)如下功能：

1）CPU I/O口初始化，定義I/O口的輸入輸出類型、結(jié)構(gòu)；

2）通信參數(shù)設(shè)定；

3）CH372工作模式設(shè)定及自檢；

4）存儲器自檢；

5）設(shè)定系統(tǒng)的初始狀態(tài)；

6）LCD顯示器狀態(tài)設(shè)定及狀態(tài)檢查；

7）看門狗設(shè)置。

在初始化程序中，除對相應(yīng)的硬件進(jìn)行初始設(shè)置外，還要對USB接口、LCD顯器及內(nèi)部RAM存儲器進(jìn)行狀態(tài)檢查，如發(fā)現(xiàn)這些硬件有故障時(shí)，則系統(tǒng)通過LED顯示噐提示，并中止程序向下運(yùn)行。

4　上位機(jī)人機(jī)界面的設(shè)計(jì)

為了提高程序的可讀性及方便編輯和調(diào)試，使用VB編寫人性化的操作界面。程序分為窗體模塊和功能模塊兩個(gè)部分。在窗體模塊設(shè)計(jì)了登錄界面（如圖7）、系統(tǒng)設(shè)置與輸入界面、錯(cuò)誤實(shí)時(shí)監(jiān)測界面以及一些錯(cuò)誤提示與處理消息框。通過這一可視化的用戶界面，用戶可以實(shí)時(shí)、簡單、快捷的對生產(chǎn)線進(jìn)行監(jiān)控和錯(cuò)誤處理。

（1）登錄界面：主要檢測用戶的身份，用戶名和密碼都正確時(shí)成功登錄、用戶名或是密碼錯(cuò)誤時(shí)提示重新輸入。

（2）系統(tǒng)設(shè)置與輸入界面：進(jìn)入此界面后，點(diǎn)擊“初始化”后，系統(tǒng)將自動選中缺帖、錯(cuò)帖、白帖及錯(cuò)誤處理方法。當(dāng)出現(xiàn)以上三種情況時(shí)，系統(tǒng)將出現(xiàn)報(bào)警信號且生產(chǎn)線停止，單片機(jī)將根據(jù)設(shè)定好的軟件輸出警告指示信號，并向書帖剔除設(shè)備輸出驅(qū)動控制信號，剔除包括錯(cuò)帖、白帖及缺帖書本。如果在選擇“需測錯(cuò)誤”類型時(shí)少選了一項(xiàng)，如少選了“錯(cuò)帖”，當(dāng)在進(jìn)行下一步時(shí)，系統(tǒng)會提示“系統(tǒng)將不檢測錯(cuò)帖，請選擇這一項(xiàng)”，程序如下：

Private Sub Command2_Initia_Click()

Text_NumLineProduct.Text="1"

Text_NumLineMonit.Text="6"

Check_LackP.Value=1

Check_ErrorP.Value=1

Check_EmptyP.Value=1

Option_WarningPau.Value=1

End Sub

（3）錯(cuò)誤實(shí)時(shí)監(jiān)測界面以及一些錯(cuò)誤提示與處理消息框。接收告警信號，并顯示當(dāng)天接收的告警日志。該程序塊實(shí)現(xiàn)了監(jiān)控窗口的管理，當(dāng)用戶在上一級界面選擇不同的設(shè)置時(shí)，該窗體上對應(yīng)的按鍵會顯示為灰色（不可用）或是正常色（可用）；同時(shí)，不同的錯(cuò)誤信息出現(xiàn)時(shí)，給對應(yīng)的標(biāo)號賦值，用于信號的監(jiān)測與顯示。

5　總結(jié)

論文針對在兒童書籍在印后的配頁過程中出現(xiàn)的多帖、少帖、錯(cuò)帖等不足現(xiàn)象，設(shè)計(jì)了條形碼閱讀器結(jié)合單片機(jī)構(gòu)成嵌入式控制系統(tǒng)，并從軟件和硬件方面進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。計(jì)算機(jī)為主機(jī)，單片機(jī)為從機(jī)，通過RS485串行通訊口，將控制單元的檢測信息寫入計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫。并運(yùn)用VB編寫人機(jī)可視化界面，用戶可以實(shí)時(shí)、簡單、快捷地對生產(chǎn)線進(jìn)行監(jiān)控和錯(cuò)誤處理。該研究成果已在德陽市某印刷廠試用成功，書帖配頁過程的錯(cuò)誤率已從15%降至3%。大大提高了書籍在配頁過程中的質(zhì)量，對以后類似書帖檢測具有借鑒意義和推廣價(jià)值。

［1］張榮寶.配頁機(jī)中書帖檢測系統(tǒng)的研究［D］.上海：復(fù)旦大學(xué)，2006.

［2］英特爾軟件學(xué)院教材編寫組.基于英特爾凌動TM平臺的嵌入式應(yīng)用開發(fā)［M］.上海：上海交通大學(xué)出版社，2011.

［3］聶可富.基于RS-485總線的抄表系統(tǒng)設(shè)計(jì)［D］.南京：南京航空航天大學(xué)，2011.

［4］仲林國.基于機(jī)器視覺技術(shù)的嵌入式系統(tǒng)的研究［D］.杭州：浙江大學(xué)，2005.

［5］謝云山，劉一兵，陳曉富.PC8051F020在HART流量儀表卡應(yīng)用中的抗干擾設(shè)計(jì)［J］.自動化與儀器儀表，2009，1（141）：86-88.

［6］蘭冬情，熊慶國.基于CH372的USB通信技術(shù)的研究［J］.信息技術(shù)，2011（8）：102-103.

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［8］周立功.ARM嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)教程：第二版［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008.

［9］Ian Doyle.How to protectyour RS-485［J］.Electronics Weekly，2011，2468：17-18

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(編輯：向飛)

Design and Application of Embedded Detection System for Children Signatures

HUXiao-qing，YANHui-rong，LIXing-hui
（DepartmentofMechanicaland Electronic Engineering，Sichuan Engineering TechnicalCollege，Deyang618000，China）

This paper focuseson the problems such as repeated posts，lesspostorwrong postafter printing of children'sbooks.To design an embedded controlsystem by combining bar code readerand single chip and furtheroptimize the design by using hardware and software. The detection information in the control unit iswritten to the computer database through RS485 serial communication port.Herein the computer serves as host and the singlechipe is slave.Through an alternate man-machine visual interface，customer can monitor the product line and solve problem timely，easily and fleetly.The book quality on page arrangement is improved significantly.This solution is alsoworth tobeused as referenceand spread in the similarapplication.

children'sbooks；embedded controlsystems；optimum design；VB（VisualBasic）

TH17 TN911

B

1009－9492(2015)04－0060－04

10.3969/j.issn.1009-9492.2015.04.016

*德陽市科知鑒（編號：2014009）

2014－09－04

胡小青，女，1980年生，河南周口人，碩士，講師。研究領(lǐng)域：機(jī)械電子工程。已發(fā)表論文6篇。