闞 艷1，張子明，李金猛1，韓 梁1，周勇軍

(1.中國(guó)人民解放軍第5720工廠，安徽 蕪湖 241007; 2.安徽省航空設(shè)備測(cè)控與逆向工程實(shí)驗(yàn)室，安徽 蕪湖 241007)

0 引言

人工管理是當(dāng)前工具管理的主要方式，即使目前主要采用的“三清點(diǎn)”制度(作前清點(diǎn)，轉(zhuǎn)移清點(diǎn)，工作后清點(diǎn))能起到一定的作用，但這種方式更容易受到人為因素的主觀影響，造成工具無故丟失，且定位不了責(zé)任人等嚴(yán)重后果[1]。另外由于大型企業(yè)產(chǎn)品系統(tǒng)復(fù)雜，涉及到的工具種類眾多，導(dǎo)致工具的借用與歸還和工具的盤點(diǎn)等工作非常麻煩，且耗時(shí)費(fèi)力。因此傳統(tǒng)的依靠人工管理的模式已不能滿足現(xiàn)代企業(yè)的需求[2-3]。

隨著電子技術(shù)的高速發(fā)展，以微控制器和傳感器為代表的嵌入式技術(shù)開始運(yùn)用在工具管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，尤其以ARM為代表的嵌入式處理器的廣泛應(yīng)用以及工程方法的軟件開發(fā)使嵌入式技術(shù)滲透到各行各業(yè)[4]。使用無線射頻識(shí)別技術(shù)(Radio Frequency IDentification，RFID)，通過無線電訊號(hào)識(shí)別特定的目標(biāo)對(duì)象，無需識(shí)別系統(tǒng)與目標(biāo)對(duì)象之間有接觸，即可實(shí)現(xiàn)兩者的雙向數(shù)據(jù)通信。與以往應(yīng)用在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的條形碼識(shí)別技術(shù)相比，RFID技術(shù)不受應(yīng)答對(duì)象尺寸大小和形狀限制，不易被污染，適應(yīng)惡劣環(huán)境的能力更強(qiáng)[5]，使得工具可以自動(dòng)快速識(shí)別，為解決工具管理的諸多問題提供了可能[6]，初步在鐵路建設(shè)[7]、航空維修[8]、電力系統(tǒng)[9-10]的工具管理中進(jìn)行了探索。

本文提出的基于ARM的嵌入式工具管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，通過RFID天線掃描并反饋含RFID標(biāo)簽的工具，設(shè)計(jì)面向用戶的觸摸屏操作界面，用戶通過刷卡驗(yàn)證權(quán)限，提供超聲波測(cè)距模塊判斷處于工作模式還是節(jié)能模式，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)工具的自動(dòng)檢測(cè)、人員權(quán)限自動(dòng)判斷、借還操作的自動(dòng)記錄、操作的數(shù)據(jù)上傳與查詢、人員工具的庫(kù)管理、工作狀態(tài)的自動(dòng)切換等。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)以ARM9內(nèi)核的S3C2416處理器作為控制核心，并充分使用該處理器豐富的外設(shè)資源。使用UART0完成在開發(fā)調(diào)試階段進(jìn)行軟件調(diào)試、下載和維護(hù)監(jiān)控；通過以太網(wǎng)接口完成程序的下載固化和與遠(yuǎn)程服務(wù)器連接，傳遞工具管理設(shè)備的人員工具庫(kù)和操作日志等終端信息；使用UART1完成對(duì)RFID讀寫器的控制，進(jìn)行對(duì)含標(biāo)簽工具的掃描；使用UART2完成對(duì)觸摸屏的控制，用戶通過觸摸屏各頁(yè)面進(jìn)行工具借還、操作日志查詢、人員工具維護(hù)等操作；使用UART3完成對(duì)IC讀卡器的控制，需要刷卡以判斷當(dāng)前用戶擁有何種權(quán)限；通過GPIO口完成對(duì)超聲波測(cè)距模塊的控制，利用超聲波測(cè)距判斷是否有用戶靠近；通過I2C接口控制外部庫(kù)存儲(chǔ)器的讀寫，完成對(duì)人員、工具的增減；通過SPI接口控制操作日志存儲(chǔ)器的讀寫，完成工具借還操作的錄入和回讀。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖見圖1所示。

圖1 工具管理系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 S3C2416最小系統(tǒng)

2.1.1 電源電路

最小系統(tǒng)工作需要3.3 V、1.8 V、1.2 V等電壓，分別通過AP1117CD-3.3產(chǎn)生3.3 V電壓供IO設(shè)備使用，見附圖2所示；通過XC9216A12CMR產(chǎn)生1.2 V電壓供ARM核、中斷、USB等使用；通過XC6206P121MR產(chǎn)生1.2 V供ARM激活使用；通過XC9216A18CMR產(chǎn)生1.8 V電壓供DDR內(nèi)存使用。

2.1.2 復(fù)位電路

為了提供高效的電源監(jiān)控作用，選取了專門的系統(tǒng)監(jiān)視復(fù)位芯片MAX811S，實(shí)現(xiàn)對(duì)電源電壓的監(jiān)控和手動(dòng)復(fù)位操作。該芯片優(yōu)良，一旦系統(tǒng)電源低于系統(tǒng)復(fù)位的閥值(2.93 V)，復(fù)位芯片MAX811S將會(huì)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位。

2.1.3 時(shí)鐘電路

時(shí)鐘源直接采用外部晶振，內(nèi)部PLL電路可以調(diào)整系統(tǒng)時(shí)鐘，使系統(tǒng)運(yùn)行速度更快。

2.1.4 內(nèi)存

內(nèi)存作為存放數(shù)據(jù)與程序代碼的內(nèi)存，采用MT47H32M16HR芯片。

2.1.5 程序存儲(chǔ)器

程序存儲(chǔ)器用于存放數(shù)據(jù)和程序，并在掉電時(shí)仍然保持?jǐn)?shù)據(jù)，采用K9F2G08芯片。

2.2 以太網(wǎng)接口

軟件通過以太網(wǎng)接口下載固化，另外通過以太網(wǎng)接口可將工具管理設(shè)備本地的人員工具庫(kù)和操作日志等終端信息傳輸?shù)竭h(yuǎn)程服務(wù)器。以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)芯片采用DM9000C，接口形式為RJ45封裝，以太網(wǎng)接口電路原理圖見圖2所示。

圖2 以太網(wǎng)接口電路原理圖

2.3 UART接口

本文設(shè)計(jì)中S3C2416的所有4個(gè)串口均使用，發(fā)揮不同的功能。其中串口0作為調(diào)試維護(hù)接口，串口1控制RFID讀寫器，串口2控制觸摸屏，串口3控制IC讀卡器。每個(gè)串口采用三線制RS-232接口通訊，并選擇兩片MAX3232作為RS-232與TTL電平轉(zhuǎn)換芯片(每片擁有兩路)。UART接口電路如圖3所示。

圖3 UART接口電路

2.3.1 調(diào)試維護(hù)接口

調(diào)試維護(hù)接口主要包括異步串口0，將異步串口0作為監(jiān)控控制臺(tái)，打印系統(tǒng)啟動(dòng)的初始化自檢信息，電路見附圖10所示。調(diào)試維護(hù)接口為開發(fā)者使用，工具管理設(shè)備工作時(shí)不使用。

2.3.2 RFID讀寫器接口

使用異步串口1與RFID讀寫器進(jìn)行通訊，用于識(shí)別帶有RFID標(biāo)簽的工具，通過不斷掃描明確工具明細(xì)和借還操作。

2.3.3 觸摸屏接口

使用異步串口2與串口觸摸屏進(jìn)行通訊，接收用戶的操作指令，發(fā)送需要傳輸?shù)接|摸屏上的數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)與用戶的人機(jī)交互。

2.3.4 IC讀卡器接口

使用異步串口3與IC讀卡器進(jìn)行通訊，用戶在進(jìn)行各種操作前均需要進(jìn)行刷卡操作以驗(yàn)證權(quán)限，權(quán)限判斷后進(jìn)入相應(yīng)的操作界面。

2.4 超聲波測(cè)距模塊

共設(shè)置4個(gè)超聲波測(cè)距模塊，型號(hào)選用HC_SR04，每個(gè)模塊使用兩個(gè)GPIO口分別與HC_SR04模塊的TRIG觸發(fā)和ECHO回聲引腳相連，通過計(jì)算聲速與發(fā)送接收時(shí)間差的乘積得到距離。與HC_SR04模塊連接的GPIO口需要包含外部中斷功能，并通過上拉電阻與電源相連，超聲波測(cè)距接口電路如圖4所示。

圖4 超聲波測(cè)距接口電路

2.5 人員、工具庫(kù)存儲(chǔ)器

使用AT24C256作為人員、工具庫(kù)存儲(chǔ)器，存放具有權(quán)限的人員ID、姓名，以及工具ID、名稱、狀態(tài)等，AT24C256屬于一種I2C EEPROM，因此處理器要通過I2C接口(GPE14復(fù)用為SCL，GPE15復(fù)用為SDA)與AT24C256連接。本系統(tǒng)共設(shè)置4個(gè)AT24C256芯片作為庫(kù)存儲(chǔ)器，其中兩個(gè)為人員庫(kù)存儲(chǔ)器，兩個(gè)為工具庫(kù)存儲(chǔ)器，通過上拉電阻和下拉電阻的選擇焊接設(shè)置每個(gè)AT24C256芯片的地址，從而區(qū)別庫(kù)存儲(chǔ)器的不同，其電路原理圖如圖5所示。

圖5 人員、工具庫(kù)存儲(chǔ)器電路原理圖

2.6 操作日志存儲(chǔ)器

使用W25Q32作為操作日志存儲(chǔ)器，將用戶的所有操作記錄下來，并可通過讀取回調(diào)查詢。W25Q32屬于一種SPI接口的存儲(chǔ)器，因此需要將處理器的SPI接口(GPL13復(fù)用為CS，GPE13復(fù)用為CLK，GPE12復(fù)用為MOSI，GPE11復(fù)用為MISO)與其連接起來。操作日志存儲(chǔ)器電路原理圖如圖6所示。

圖6 操作日志存儲(chǔ)器電路原理圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件的主要設(shè)計(jì)思路為編寫循環(huán)執(zhí)行的程序，每個(gè)周期內(nèi)完成的內(nèi)容有：首先通過超聲波測(cè)距裝置探測(cè)周圍是否有用戶操作，如果沒有則將觸摸屏背光關(guān)閉，并且將處理器運(yùn)行在休眠狀態(tài)；如果有用戶在操作則打開觸摸屏背光以便用戶進(jìn)一步操作。使用IC讀卡器掃描是否有用戶刷卡，并且根據(jù)該用戶的權(quán)限進(jìn)入相應(yīng)的操作界面，如果該用戶是管理員權(quán)限，則可以進(jìn)行人員管理、工具增減、查詢功能、數(shù)據(jù)上傳和工具借還等操作，如果用戶是操作者權(quán)限，則僅可以進(jìn)行工具借還這一基本操作。各種操作要讀取當(dāng)前觸摸屏所在的操作頁(yè)面，根據(jù)不同的觸摸屏頁(yè)面編寫相應(yīng)的軟件以完成不同的功能。主軟件流程圖見圖7所示。

圖7 主軟件流程圖

主要軟件模塊包括以下幾部分：

3.1 初始化

為了系統(tǒng)各個(gè)組件都能在可控的已知狀態(tài)下正常工作，需要在軟件最開始的地方完成整個(gè)系統(tǒng)初始化，包括S3C2416處理器的各模塊資源初始化和系統(tǒng)其它部件的初始化配置以及自檢等。

3.1.1 串口初始化

包括用于與觸摸屏通信的串口1、與RFID讀卡器通信的串口2和與IC讀卡器通信的串口3初始化，主要需要完成串口相應(yīng)管腳的復(fù)用設(shè)置(GPH2、GPH3、GPH4、GPH5、GPH6、GPH7分別用作RXD1、TXD1、RXD2、TXD2、RXD3、TXD3線)、管教內(nèi)部上拉設(shè)置、通信格式設(shè)置(8個(gè)數(shù)據(jù)位，無校驗(yàn)位，1個(gè)停止位的常規(guī)設(shè)置)、時(shí)鐘源設(shè)置(選擇PCLK為時(shí)鐘源)、通信速率設(shè)置(波特率為115 200 bps)等。

3.1.2 中斷初始化

包括用于距離測(cè)量接收超聲波測(cè)距模塊傳輸回波信號(hào)的外部中斷5設(shè)置以及串口1、串口2、串口3三個(gè)通信端口的接收中斷設(shè)置，清除相應(yīng)的中斷屏蔽寄存器標(biāo)志，如表1所示。在這些模塊進(jìn)行中斷設(shè)置用來實(shí)現(xiàn)有信息到達(dá)時(shí)的實(shí)時(shí)性處理。

表1 中斷對(duì)應(yīng)的寄存器

3.1.3 超聲波測(cè)距模塊引腳初始化

對(duì)與HC_SR04超聲波測(cè)距模塊TRIG觸發(fā)引腳、ECHO回聲引腳連接的S3C2416的GPF6、GPF5引腳進(jìn)行初始化設(shè)置。將GPF6引腳設(shè)置為輸出模式向HC_SR04模塊發(fā)送觸發(fā)信號(hào)，將GPF5設(shè)置為中斷模式并設(shè)置為雙邊沿觸發(fā)模式，檢測(cè)接收回聲信號(hào)的邊沿。

3.1.4 I2C接口初始化

本系統(tǒng)的人員、工具庫(kù)存放在I2C存儲(chǔ)器AT24C256中，因此在使用前要對(duì)S3C2416的I2C接口進(jìn)行初始化，包括將GPE15、GPE14引腳復(fù)用為I2C接口的SDA線和SCL線，使能I2C接口ACK、16分頻預(yù)分頻器、中斷等功能，設(shè)置S3C2416從地址為[7:1]位，使能I2C接口總線數(shù)據(jù)輸出等。

3.1.5 定時(shí)器0初始化

在超聲波測(cè)距模塊中需要根據(jù)時(shí)間和聲速的乘積計(jì)算距離，因此選擇定時(shí)器0作為時(shí)間的度量，需要對(duì)定時(shí)器0進(jìn)行初始化，包括100分頻預(yù)分配、16分頻、裝載計(jì)數(shù)初始值為PCLK/100/16、手動(dòng)裝載啟動(dòng)等。

3.1.6 觸摸屏版本讀取

通過串口1向觸摸屏發(fā)送版本讀取指令，接收觸摸屏回送的版本信息，并通過串口控制臺(tái)打印顯示。可以得到觸摸屏版本信息并同時(shí)實(shí)現(xiàn)了對(duì)觸摸屏的自檢。

3.1.7 IC讀卡器識(shí)別號(hào)讀取

通過串口3向IC讀卡器發(fā)送識(shí)別號(hào)讀取指令，接收IC讀卡器回送的識(shí)別號(hào)信息，并通過串口控制臺(tái)打印顯示。可以得到IC讀卡器識(shí)別號(hào)信息并同時(shí)實(shí)現(xiàn)了對(duì)IC讀卡器的自檢。

3.1.8 RFID讀寫器復(fù)位和自檢

通過串口2向RFID讀寫器發(fā)送復(fù)位指令，然后繼續(xù)通過串口2完成對(duì)RFID固件版本、工作天線、輸出功率、模塊溫度等信息的讀取，并通過串口0控制臺(tái)顯示，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)RFID讀寫器的自檢。

3.2 距離測(cè)量

本系統(tǒng)通過HC-SR04超聲波測(cè)距模塊測(cè)量與本系統(tǒng)相距最近人員的距離，當(dāng)該距離小于一個(gè)閾值，如1米時(shí)，認(rèn)為有人員靠近并準(zhǔn)備使用本系統(tǒng)，此時(shí)將系統(tǒng)喚醒運(yùn)行工作模式。

HC-SR04超聲波測(cè)距模塊具有性能穩(wěn)定、測(cè)度距離精確、模塊高精度、盲區(qū)小等優(yōu)點(diǎn)。廣泛應(yīng)用于機(jī)器人避障、物體測(cè)距、液位檢測(cè)、公共安防、停車場(chǎng)檢測(cè)等領(lǐng)域。

HC-SR04超聲波測(cè)距模塊工作原理如圖8所示。

圖8 HC-SR04超聲波測(cè)距模塊工作原理

1)通過向TRIG引腳給至少10 μs的高電平信號(hào)觸發(fā)測(cè)距；

2)模塊自動(dòng)發(fā)送8個(gè)40 kHz的方波，自動(dòng)檢測(cè)是否有信號(hào)返回；

3)通過ECHO引腳輸出一個(gè)高電平返回信號(hào)，高電平持續(xù)的時(shí)間就是超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間。測(cè)量距離=(高電平時(shí)間*聲速)/2。

根據(jù)以上HC-SR04測(cè)距模塊工作原理設(shè)計(jì)了以下軟件，其流程如圖9所示。

1)通過GPF6端口向TRIG引腳發(fā)一個(gè)10us的高電平信號(hào)；

2)延時(shí)50 ms，在這段時(shí)間內(nèi)因?yàn)檫B接ECHO引腳的GPF5端口使能了雙邊沿中斷，所以在中斷處理函數(shù)中檢測(cè)到GPF5上升沿時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器0，檢測(cè)到GPF5下降沿時(shí)記錄定時(shí)器0的計(jì)數(shù)值outcome；

3)延時(shí)結(jié)束后，檢測(cè)是否接收到ECHO高電平信號(hào)，如果收到了ECHO高電平信號(hào)，則將高電平結(jié)束時(shí)刻的計(jì)數(shù)值outcome代入下列公式，計(jì)算出測(cè)量得到的距離值；如果沒有接收到ECHO高電平信號(hào)則認(rèn)為相距最近的人員超出測(cè)量范圍，不計(jì)算距離值。

3.3 掃描刷卡

本系統(tǒng)采用IC讀卡器對(duì)操作人員進(jìn)行權(quán)限檢測(cè)，當(dāng)有人刷卡時(shí)，將讀取卡片的序列號(hào)與人員庫(kù)中的序列號(hào)進(jìn)行比對(duì)，如果可以在人員庫(kù)中檢索到則根據(jù)刷卡人的權(quán)限進(jìn)入相應(yīng)的操作選擇界面，其中管理員和操作員權(quán)限均可以進(jìn)行工具的借還，管理員還可以進(jìn)行人員、工具的增減，查看操作日志和數(shù)據(jù)上傳。

在人員庫(kù)中檢索時(shí)要先讀取庫(kù)中人員的數(shù)量，這樣就可以不用再整個(gè)庫(kù)存儲(chǔ)器中搜索和比對(duì)，只要在制定人數(shù)的區(qū)域內(nèi)進(jìn)行檢索即可，掃描刷卡的軟件流程如圖10所示。

3.4 操作功能

本系統(tǒng)的功能包括人員管理、工具管理、查詢功能、數(shù)據(jù)上傳以及工具借還等。

3.4.1 人員管理

人員管理功能用于管理員根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行系統(tǒng)中具有權(quán)限人員的增減，因此本功能包括向人員庫(kù)中增加人員和從人員庫(kù)中移除人員。管理員只需在人員添加頁(yè)面刷卡并輸入該卡片的持有人姓名即可添加；在刪除時(shí)在人員刪減列表中點(diǎn)擊需要?jiǎng)h除人員的姓名即可。

3.4.2 工具增減

工具增減功能用于管理員進(jìn)行系統(tǒng)工具庫(kù)中含標(biāo)簽工具的增減，因此本功能包括向工具庫(kù)中增加工具和從工具庫(kù)中移除工具。管理員只需在添加工具相應(yīng)界面直接放入工具，系統(tǒng)即可自動(dòng)掃描到該工具，其后管理員輸入該工具的名稱即可；刪除工具時(shí)，管理員只需在相關(guān)列表點(diǎn)擊需要?jiǎng)h除的工具即可。

3.4.3 查詢功能

查詢功能用于管理員進(jìn)行系統(tǒng)使用情況的查詢，可以通過該功能方便地查詢工具狀態(tài)，并且有追溯地查找工具的借還歷史并定位借還責(zé)任人。本系統(tǒng)提供了兩種模式的查詢，一種是針對(duì)工具查看當(dāng)前狀態(tài)并查看最近一次借出情況；另一種是針對(duì)歷史記錄查看本系統(tǒng)的所有工具借還歷史信息。

3.4.4 數(shù)據(jù)上傳

數(shù)據(jù)上傳功能用于管理員將本地的工具借還歷史信息上傳到遠(yuǎn)端服務(wù)器，以供存儲(chǔ)、分析和進(jìn)一步統(tǒng)籌管理，上傳的通信接口使用以太網(wǎng)接口。

3.4.5 工具借還

工具借還功能是本系統(tǒng)最基本的功能，管理員和操作員均有本功能的權(quán)限。本系統(tǒng)的工具借還采用自動(dòng)識(shí)別和記錄技術(shù)，用戶借還工具時(shí)只需將工具取出或者將工具放回，系統(tǒng)就自動(dòng)識(shí)別出借還的工具，并將當(dāng)前的操作人記錄到存儲(chǔ)器中，省去了人工登記的手動(dòng)步驟，大大提高了效率和準(zhǔn)確性。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

對(duì)本項(xiàng)目的嵌入式工具管理系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，預(yù)先錄入用戶和工具信息，系統(tǒng)開啟后通過人員“鄭永龍”(管理員)刷卡進(jìn)入如圖11所示的管理員操作界面，點(diǎn)擊“借工具”按鈕，進(jìn)入“借工具選擇”頁(yè)面，屏上提示請(qǐng)取走借出的工具，此時(shí)取出工具“活動(dòng)扳手”，屏上隨即顯示借出工具的名稱和借出人信息；隨后在管理員操作頁(yè)面再點(diǎn)擊“還工具”按鈕，進(jìn)入“請(qǐng)還回工具”頁(yè)面，此時(shí)放回工具“活動(dòng)扳手”，屏上隨即顯示還回工具的名稱和還回人信息；最后點(diǎn)擊“查記錄”按鈕，屏上顯示之前所有的操作信息，如圖12所示。在試驗(yàn)中所有操作步驟快捷流暢準(zhǔn)確，操作友好，實(shí)用性強(qiáng)，功能得到了驗(yàn)證。

圖12 日志查詢頁(yè)面

5 結(jié)束語(yǔ)

本文討論基于ARM的嵌入式工具管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，詳細(xì)介紹了工具管理系統(tǒng)中的視頻圖像采集方案和視頻壓縮方案。在本工具管理系統(tǒng)中，用戶可以根據(jù)各自的權(quán)限完成相應(yīng)的操作，包括人員管理、工具增減、查詢功能、數(shù)據(jù)上傳和工具借還等，以達(dá)到工具管理自動(dòng)化的目的。實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)開發(fā)成本低、體積小、重量輕、功耗低、通用性強(qiáng)、操作簡(jiǎn)便，可以清楚地追溯工具的領(lǐng)用情況。可滿足航空、航天、造船、汽車、建筑、電力、水利等各行業(yè)的工具管理需求，具有良好的市場(chǎng)前景。