呂志剛 ，宇文超朋，魯可心，李亮亮，史志軍

（1.西安工業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，西安 710032；2.西安工業(yè)大學(xué) 研究生院，西安 710032）

PE管道焊接質(zhì)量受人為因素的影響，不能完全保證焊接質(zhì)量[1]。實(shí)現(xiàn)對(duì)焊工身份的智慧判斷，是提高PE管道焊接質(zhì)量、構(gòu)建智慧城市的重要保證。目前，國(guó)內(nèi)大多數(shù)PE管道焊接設(shè)備沒有加裝身份管理識(shí)別系統(tǒng)，各別廠家僅實(shí)現(xiàn)了驗(yàn)證指紋開機(jī)功能。后者需要焊工到焊接現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行指紋注冊(cè)，效率極低，而且無法實(shí)現(xiàn)焊工身份的注冊(cè)及綜合管理功能。

本文設(shè)計(jì)的身份管理識(shí)別系統(tǒng)，是PE管道智慧焊接系統(tǒng)的子系統(tǒng)，能夠完成指紋信息的注冊(cè)、導(dǎo)入及識(shí)別等功能。通過指紋注冊(cè)功能，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)軟件數(shù)據(jù)庫管理的同時(shí)，完成指紋信息的U盤存儲(chǔ)；通過指紋導(dǎo)入功能，將U盤中的指紋信息導(dǎo)入現(xiàn)場(chǎng)焊接設(shè)備；通過指紋識(shí)別系統(tǒng)，保證只有成功注冊(cè)的焊工才能開啟焊接設(shè)備，完成焊接工作。推廣加裝本身份管理識(shí)別系統(tǒng)的焊接設(shè)備，有助于提高PE管道的焊接質(zhì)量。其中，使用U盤進(jìn)行指紋信息的導(dǎo)入導(dǎo)出功能，避免了焊工去現(xiàn)場(chǎng)錄入指紋信息，具有一定的應(yīng)用創(chuàng)新。

1 系統(tǒng)工作原理

本系統(tǒng)由身份管理識(shí)別控制器（簡(jiǎn)稱控制器）、專用U盤和上位機(jī)軟件構(gòu)成，具體的工作原理如下所述。首先，焊工需要到達(dá)指定的管理中心，借助上位機(jī)軟件，通過管理中心的控制器完成指紋的注冊(cè)工作。其次，通過上位機(jī)的導(dǎo)出功能，將指紋信息存儲(chǔ)到專用U盤系統(tǒng)中。再次，將專用U盤攜帶至焊接現(xiàn)場(chǎng)，通過安裝在焊機(jī)上的控制器完成指紋信息的導(dǎo)入工作。最后，在現(xiàn)場(chǎng)焊接前，焊工通過控制器完成身份驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)焊機(jī)電源控制同時(shí)，將焊機(jī)身份信息通過RS232接口輸出，保證只有注冊(cè)過的焊工才能開始焊接工作。系統(tǒng)工作原理如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)工作原理Fig.1 System working principle

2 控制器硬件設(shè)計(jì)

控制器硬件由CPU模塊、指紋采集模塊、U盤讀寫模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、RS485通信模塊、液晶顯示模塊、模式選擇模塊等構(gòu)成，硬件框圖如圖2所示。

圖2 硬件框圖Fig.2 Hardware block diagram

2.1 CPU模塊

硬件采用STM32F103C8，作為監(jiān)控系統(tǒng)的CPU模塊，它是ST旗下的一款常用的增強(qiáng)型微控制器[2]。該CPU的優(yōu)越性體現(xiàn)在內(nèi)存、存儲(chǔ)器、電源的管理、功率消耗低（低功耗）、自帶模數(shù)轉(zhuǎn)換的功能、具有調(diào)試方便、計(jì)算簡(jiǎn)單、運(yùn)行速度更快；ECOPACK的封裝讓STM32F103C8更具有優(yōu)越性，在實(shí)際生產(chǎn)以及研發(fā)應(yīng)用起著先導(dǎo)作用。

2.2 指紋采集模塊

采用FPM10A模塊作為指紋采集模塊，完成指紋信息的錄入及驗(yàn)證功能。該模塊最多支持880枚指紋信息，硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，其TXD引腳、RXD引腳直接與STM32的UART1的發(fā)送端和接收端相連[3]。指紋采集模塊如圖3所示。

通過串口命令來控制指紋模塊采集指紋，在指紋開機(jī)時(shí)，通過指紋模塊采集到的指紋信息和原本存在的指紋信息進(jìn)行對(duì)比來確認(rèn)是否有指紋信息。當(dāng)指紋對(duì)比成功時(shí)，指紋模塊會(huì)發(fā)送串口指令到主控芯片，然后主控芯片控制繼電器來完成對(duì)焊機(jī)的開機(jī)控制。

圖3 指紋模塊Fig.3 Fingerprint module

2.3 U盤讀寫模塊

上位機(jī)軟件將注冊(cè)的焊工指紋信息存儲(chǔ)在U盤中，通過U盤讀寫模塊將U盤指紋信息從U盤里讀出來，便于主控制器進(jìn)行焊工身份識(shí)別驗(yàn)證。采用CH376芯片完成U盤讀寫模塊的設(shè)計(jì)[4]。

CH376芯片支持串口、并口、SPI口編程，考慮到本系統(tǒng)的資源利用情況，采用SPI接口與STM32進(jìn)行通信。STM32有專用的SPI接口，與CH376硬件連接簡(jiǎn)單，通信速度快。D+與D-連接通用的USB接口，當(dāng)進(jìn)行U盤讀寫時(shí)，指示燈會(huì)不斷閃爍。U盤讀寫模塊如圖4所示。

圖4 U盤讀寫模塊Fig.4 U disk read and write modules

2.4 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊

指紋數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)模塊由FM24CL64芯片構(gòu)成，用于存儲(chǔ)已注冊(cè)的指紋信息。每條指紋信息包含焊工編號(hào)、有效期等內(nèi)容，用于指紋信息的確認(rèn)。

FM24CL64是基于I2C總線的掉電可存儲(chǔ)的E2PROM存儲(chǔ)器，其容量為8 KB，掉電數(shù)據(jù)保存38年，對(duì)于出現(xiàn)異常掉電時(shí)存儲(chǔ)運(yùn)行參數(shù)至關(guān)重要，可無延時(shí)的寫入，快速兩線串行接口，總線頻率可達(dá)1 MHz[5]。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊Fig.5 Data storage module

2.5 RS485通信模塊

采用STM32內(nèi)部集成的全雙工UART2串行接口，外擴(kuò)MAX485芯片，構(gòu)成標(biāo)準(zhǔn)的RS485通信接口[5]。

在管理中心注冊(cè)指紋時(shí)，通過該模塊將采集到的指紋信息發(fā)送到PC機(jī)上的“指紋管理”軟件上，實(shí)現(xiàn)指紋信息的U盤存儲(chǔ)管理功能；在焊接現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證指紋時(shí)，該模塊與焊機(jī)數(shù)據(jù)接收端相連，將焊工的指紋信息傳送給焊機(jī)。RS485通信模塊如圖6所示。

圖6 RS485通信模塊Fig.6 RS485 communication module

2.6 液晶顯示模塊

采用LCD12864作為液晶顯示模塊，用于指紋采集錄入、注冊(cè)及人員信息的顯示。

LCD液晶模塊采用動(dòng)態(tài)刷新的方法根據(jù)輸入指令顯示相應(yīng)的數(shù)據(jù)[6]。其中，將時(shí)間信息顯示于LCD的第一行，人員信息顯示在第二行與第三行，指紋信息是否注冊(cè)存儲(chǔ)是否成功顯示于第四行。通過液晶模塊，可以了解整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行情況以及指紋是否注冊(cè)等。液晶顯示模塊如圖7所示。

2.7 模式選擇模塊

本控制器有兩大工作模式：指紋注冊(cè)、指紋驗(yàn)證。前者用于生成指紋信息，在上位機(jī)備案的同時(shí)，通過U盤拷貝至現(xiàn)場(chǎng)控制器；后者用于現(xiàn)場(chǎng)焊工身份的判斷，只有成功注冊(cè)的焊工才能進(jìn)行焊接工作。

圖7 液晶顯示模塊Fig.7 LCD module

通過該模塊，選擇進(jìn)入不同的工作模式。該模塊硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，由一個(gè)獨(dú)立式自鎖按鍵構(gòu)成。當(dāng)按鍵被按下時(shí)，進(jìn)入指紋注冊(cè)模式；當(dāng)按鍵彈起時(shí)，進(jìn)入指紋驗(yàn)證模式。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 控制器軟件

控制器軟件在Keil開發(fā)環(huán)境下進(jìn)行編寫，采用STM32庫函數(shù)的編程方式，C編程語言實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)。主程序運(yùn)行后，根據(jù)所需的工作模式，調(diào)用兩個(gè)子程序：指紋驗(yàn)證子程序、指紋注冊(cè)子程序，其流程如圖8所示。

圖8 下位機(jī)軟件流程Fig.8 Program flow chart

3.2 上位機(jī)軟件

上位機(jī)軟件采用微軟開發(fā)的Microsoft Visual Studio 2012開發(fā)工具，編寫了基于串口通信的“指紋管理”軟件，用于在電腦上實(shí)現(xiàn)指紋信息的采集錄入及U盤存儲(chǔ)管理[7]。通過正確配置串口數(shù)據(jù)連接下位機(jī)硬件，正確錄入指紋信息，填寫指紋信息相匹配的焊工信息，點(diǎn)擊“錄入指紋”按鈕實(shí)現(xiàn)焊工的指紋信息與人員基本信息相結(jié)合，以便生成一條PE焊接系統(tǒng)中的專用信息。對(duì)已經(jīng)注冊(cè)的焊工指紋數(shù)據(jù)可根據(jù)“姓名”、“工號(hào)”、以及注冊(cè)的時(shí)間長(zhǎng)短即“有效日期”等條件進(jìn)行相應(yīng)查詢工作。

建立SQL數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)焊工指紋信息與人員信息，便于操作人員對(duì)指紋信息與人員數(shù)據(jù)的保存、查詢、統(tǒng)計(jì)、導(dǎo)出、刪除等二次開發(fā)利用。PE管道智慧焊接系統(tǒng)-指紋管理器設(shè)計(jì)上位機(jī)界面如圖9所示。

圖9 上位機(jī)軟件界面Fig.9 PC software interface

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的PE管道焊工身份管理識(shí)別系統(tǒng)，將焊工的指紋信息與人員基本信息相結(jié)合，生成一條PE焊接系統(tǒng)中的專用信息。實(shí)現(xiàn)焊工指紋信息的采集錄入，注冊(cè)及驗(yàn)證功能。是實(shí)現(xiàn)PE管道焊接責(zé)任到人的重要保障，是提高焊接質(zhì)量、構(gòu)建智慧城市的重要保證。本系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用在PE管道焊接一線，具有良好的推廣價(jià)值。

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