將射頻識別(RFID)技術與ARM嵌入式處理器相結合應用于企業生產過程數據采集及企業生產管理信息的獲取，可以有效地解決目前生產領域遇到的上述問題。本文設計給出了面向紡織服裝企業生產制造執行系統的網絡架構，并在此之上介紹一種基于ARM Cortex-M處理器、通用無線射頻識別數據采集終端的設計和實現。

現今全球紡織服裝行業市場競爭日益激烈，信息化戰略已成為紡織服裝制造企業提升市場競爭能力的重要發展戰略之一。紡織服裝業作為我國制造業的重要組成，在我國“制造業信息化工程”的背景下，已被國家列為信息化技術改革的重點行業。隨著中國加入WTO和經濟全球化，我國在成為世界制造業中心的同時也面臨前所未有的機遇和挑戰。以信息化帶動工業化，迅速提高企業的核心競爭力，是現今紡織服裝企業急需解決的重要問題。

要實現企業信息化，尤其是生產過程和企業管理信息化，首先要解決的問題就是來自生產過程和企業管理中的大量數據信息的獲取和傳輸。只有快捷、準確、方便地采集這些大量底層數據，才能實現對生產過程、物流管理、生產計劃、調度和質量等的監測與控制。因此，生產信息的數據采集與集成將是企業信息化工程的關鍵所在，在企業信息化的不斷深入過程中，將發揮越來越重要的作用。在紡織企業傳統生產過程中，底層生產數據大多是依賴人工進行記錄來獲取的，盡管操作方法繁冗，生產數據記錄滯后，無法實現實時監控和統計，數據可靠性差，效率較低，但目前仍有不少企業在采用這一傳統方法。在一些設備較為先進的企業里，生產數據采集已由電子系統自動獲取逐步代替了人工記錄，但數據采集終端設備大都采用單片機、串口通信、工控機的模式實現數據采集與控制。這些終端單元具有分散性、獨立性，通信距離短，不便于系統的集中管理等缺點。

將射頻識別(RFID)技術與ARM嵌入式處理器相結合應用于企業生產過程數據采集及企業生產管理信息的獲取，可以有效地解決目前生產領域遇到的上述問題。本文設計給出了面向紡織服裝企業生產制造執行系統的網絡架構，并在此之上介紹一種基于ARM Cortex-M處理器、通用無線射頻識別數據采集終端的設計和實現。

1 RFID技術原理及系統組成

RFID是射頻識別技術的英文所寫，又稱電子標簽，是一項利用射頻信號通過空間交變電磁場耦合實現無接觸信息傳遞并通過所傳遞信息達到識別目的的技術。在射頻識別系統應用中，射頻標簽附著在被識別的物體上，其一旦進入射頻讀卡器的讀寫范圍，內部數據信息就可按約定方式與射頻讀卡器進行通信，從而完成自動獲取物品標志信息的功能。

一個典型的射頻識別系統是由射頻標簽(也稱射頻卡、電子標簽或應答器)、射頻讀寫器(PCD)2個部分組成，如圖1所示。

圖1 典型無源RFID系統

射頻標簽是內含天線的存儲控制芯片，內存有能夠識別目標的信息。讀寫器由控制單元、發送器和接收器3個部分構成，主要負責與射頻標簽之間能量的傳遞，數據的加密/解密，信號的編碼/解碼，以及與上位機的通信。

2 基于RFID的生產制造執行系統架構的設計

制造執行系統(Manufacturing Execution System，簡稱MES)是近年來興起的一項制造管理技術，屬于制造業信息化領域。它是將位于企業上層的ERP系統與底層設備自動控制系統結合在一起的中間管理系統。一方面，MES可以對來自ERP的生產管理信息進行細化、分解，通過更為精確，更為優化的制造指令，將計劃層的操作意圖傳遞給底層設備自動控制系統;另一方面，MES可以實現生產制造數據的自動化采集及實時監控底層設備的運行狀態，從而加強計劃管理層與底層控制之間的溝通。

紡織企業使用MES通常需要設計原材料管理、在制品管理、操作工管理、生產設備管理等多個對象，而且管理量非常巨大，尤其是在制品的管理，僅此1項每天就涉及幾萬件甚至十幾萬件。采用RFID技術可以用非接觸式的方式跟蹤在制品的實時分布情況，產品的追溯以及標識身份認證均可通過RFID解決。由于MES系統及其數據信息對于一個企業來講是舉足輕重的，所有生產現場相關數據都是通過MES的數據采集系統實現的，數據的實耐性和準確性是該部分的核心要求。因此，其框架結構的設計最根本的要求是實時性、穩定性、可靠性和復用性等，采用獨立的網絡架構是可靠的選擇。

在充分考慮紡織企業生產制造流程、年度生產計劃、物料需求計劃、產品銷售狀況等因素的基礎上，根據企業的生產特點及存在的問題，將系統在物理層面上劃分為3個部分，即現場實時數據采集、現場數據管理和控制、企業生產管理及數據庫系統，其物理設計框架結構如圖2所示。

圖2 基于RFID的生產制造執行系統物理架構

整個MES系統中采用3層Client/Server網絡結構，數據庫集成在企業級專用服務器，并分為現場生產數據庫和生產管理數據庫。現場生產數據庫提供整個系統的核心數據，這些數據由數據采集終端根據實際情況實時更新，生產管理數據庫中的數據統計與分析以生產現場數據庫為基礎。數據采集終端負責生產數據的實時采集和生產計劃任務示;實時數據通信程序負責與數據采集模塊進行交互數據通信，完成對采集到的生產數據分析和生成數據采集終端的操作界面，并與生產管理控制部分進行通信獲取生產計劃數據及控制信息。數據采集服務器直接與各種終端設備相連，用于控制RFID讀寫設備按照預定的方式工作，保證不同的設備之間能很好地協調配合，還能按照一定的規則過濾數據，篩除冗余數據，將真正有效的數據傳送至后臺的信息系統。生產管理服務器則集中管理所有的數據采集服務器，處理各種RFID事件和信息交換，實時工作流管理，與各種現有應用系統進行很好的集成，用戶可以圍繞這些數據進行業務流程的創新和新的應用。

3 嵌入式數據采集終端的硬件設計

數據采集終端硬件采用模塊化設計，整體結構由嵌入式處理器、RFID射頻識別、RFID天線、通信接口、以太網絡接口、人機交互、JTAG系統調試、電源、復位等單元電路構成，其硬件系統整體結構如圖3所示。

圖3 嵌入式數據采集終端結構圖

嵌入式控制單元是整個硬件系統的核心，主要負責處理RFID射頻模塊采集到底層現場的Tag數據，完成數據的存儲、網絡通信及人機交互的處理。在注重系統性能的同時兼顧小體積、低功耗、低成本，故采用Luminary Micro公司StellarisTM系列基于ARM Cortex-M3的微控制器LM3S615.StellarisTM系列LM3S615微控制器是專門針對工廠自動化、測試和測量設備控制、運動控制以及電力/能源監控等工業應用而設計的，其擁有ARM微控制器所具有的眾多優點，擁有多種廣泛使用的ARM開發工具及片上系統的底層IP應用方案。

此外，系統設計了鍵盤電路和液晶顯示電路作為人機交互平臺，為保證系統可靠工作設計了電源電路及其相應的監控電路。以下著重對數據采集及外圍設備的通信電路設計加以詳細說明。

3.1 射頻識別單元設計

射頻識別單元設計主要包括RFID射頻模塊及射頻天線2大部分的設計工作。在非接觸式數據采集系統中，作為信息獲取的途徑，其設計的優劣將關系到整個數據采集系統的成敗。射頻識別芯片選用荷蘭NXP公司的非接觸式射頻讀寫芯片MF RC522，是應用于13.56 MHz 非接觸式通信的一款高集成度IC讀寫芯片，完全集成了在此頻率下所有類型的被動非接觸式通信方式和通信協議。

3.1.1 MF RC522射頻芯片接口電路設計

MF RC522與主機闖的通信采用連線較少的串行通信，且可根據不同的用戶需求，選取SPI、12C或串行UART模式之一。由于LM3S615控制器本身帶有I2C總線接口，可以方便的與射頻識別芯片相連，故在設計時MF RC522與控制器的連接采用I2 C總線接口模式。MF RC522與LM3S615控制器的接口電路如圖4所示。

圖4 MF RC522與微控制器的接口電路

射頻芯片工作在模擬信號和數字信號混合的環境中，因此各個電源之間的處理很重要，以防止干擾影響到數據的穩定性。這里有AVDD、TVDD、DVDD以及AVSS、TVSS、DVSS分別為模擬部分電源輸入、天線激勵部分電源輸入、數字部分電源輸入以及模擬地、天線電源地、數字地。這里分別對3種電源輸入進行LC濾波，采用100 uH的電感與3個10 uF的電容連接組成LC濾波器，使得電源中串入的干擾及噪聲控制在可接受范圍內，并將3種地在一點與系統地連接。

3.1.2 RFID射頻天線電路設計

無源電感耦合式射頻識別系統中，天線在讀寫器與射頻卡之間的能量供應和信息傳輸中起著非常重要的作用。天線的設計構造應滿足如下幾點：使天線線圈的電流最大，用于產生最大的磁通量;功率匹配，以最大程度利用所產生磁通量的可用能量;足夠的帶寬，以無失真的傳送數據載波信號。

天線線圈的設計采用PCB板的形式，線圈電感量可以根據如下公式估算：

式中N為線圈匝數，l為線圈周長，d為銅箔寬度，K為天線的形狀參量(環形天線K=1.07，矩形天線K=1.47)。

MF RC522與天線的接口由TX1、TX2、RX及VMID連接，已在圖4中給出。TX1、TX2負責調制后的射頻信號輸出到天線，激勵天線產生電磁波將信號輸出到電子標簽，而RX引腳則接收電子標簽調制后由天線接收到的副載波信號，信號經過內部狀態機的解調解碼后成為接收到的數據。在圖4的電路圖中，TX1、TX2與TVSS接到1個由L01、L02、C01、C02組成的LC低通濾波器，然后再輸出到天線，這部分的作用是為了電磁兼容設計，減少輻射到外部環境中的電磁干擾。L01、L02的值為2.2 uH，C01、C02的值為47 pF。

3.2 其他外圍接口電路設計

考慮到目前國內大多紡織企業生產設備仍舊是新老共存的現狀，新式設備先進，自動化程度高，便于企業信息化管理，而老式設備使用時間較長，自動化程度相對較低，因此，在系統設計中集成了多種通信設備接口，以提高系統的兼容性。

3.2.1 以太網接口電路

以太網通信模塊為系統提供以太網接入的物理通道，通過該接口，系統可以實現10 Mbps速率的接入。本設計采用WIZnet公司的兼容IEEE802.3以太網控制器W5100。W5100是一款多功能的單片網絡接口芯片，它內部集成有10/100 Mbps以太網控制器，可支持自動應答(全雙工/半雙工模式)，與中央處理單元可以采用標準SPI方式連接，可以實現沒有操作系統的Internet連接，主要用于高集成、高穩定、高性能和低成本的嵌入式網絡應用系統。

在W5100中，SEN為SPI接口使能引腳，將其經10 kΩ電阻上拉到高電平以允許SPI模式;CS為片選引腳，低電平有效，主要用于在并行總線連接時MCU訪問W5100內部寄存器或存儲器，W5100與處理器的接口電路如圖5所示。

圖5 以太網接口電路

3.2.2 USB接口電路

USB(Universal Serial Bus)總線是近年來出現在計算機系統上的標準外設通信接口，具有接口簡單、信息傳輸量大、即插即用等特點，目前應用十分廣泛。本數據采集系統設計了基于I2C總線協議的USB總線接口，可方便地與其它USB外設進行數據通信。該系統選用Philips公司的USB接口芯片PDIUSBD11，因其具有I2C接口，可以方便實現與微控制器的連接，其電路設計如圖6所示。

圖6 USB接口電路

3.2.3 RS232/RS485總線接口電路

為便于與當前工業企業中仍在使用的老式設備進行數據通信，數據采集終端也設計了現階段使用較為普遍的RS232與RS485串行總線接口。系統選用SP3232E來完成RS232與TTL的電平轉換工作，采用SP3485收發器作為系統RS485設備的總線接口。

4 嵌入式數據采集終端軟件設計

生產數據采集系統中終端應用軟件需按任務進行規劃和設計，最關鍵的幾個任務為：系統初始化以及主程序、RFID讀寫器信息處理任務、TCP/IP通信任務、人機界面管理、狀態檢測和控制。大部分程序功能模塊都是采用中斷方式完成的，這樣可以使程序迅速響應其他外部事件，及時準確的對外設進行控制。軟件系統主程序流程如圖7所示。

圖7 數據采集終端系統軟件主程序流程

4.1 射頻識別單元軟件結構設計

在數據采集系統中，采用RFID技術實現底層生產數據的識別與控制。作為軟件系統的核心，將詳細說明射頻識別單元射頻標簽與讀寫器之間數據通信的軟件設計。

射頻識別數據采集部分主要包括射頻識別芯片初始化、標簽查詢、防沖突檢測、標簽卡選擇、認證操作、數據塊讀寫等。讀寫終端與標簽卡的通信整體流程如圖8所示。

圖8 讀寫終端與標簽卡通信流程

4.2 MF RC522對標簽的尋卡程序設計流程

當MF RC522初始化結束后，第1步工作就是尋找感應區內是否有滿足ISO/IEC 14443A標準的射頻卡。尋卡程序的流程如圖9所示。

圖9 MF RC522對標簽的尋卡程序流程

流程中尋卡命令有2個：0x52表示尋找感應區內所有符合14443A的標準卡，0x26表示尋找未進入休眠狀態的卡。返回值2個字節的卡片類型數據，0x4400表示Mifare UhraLight卡，0x0400表示Mifare One(S50)卡，0x0200表示Mifare One(S70)卡，0x0800表示Mifare Pro(X)卡，0x4403表示Mifare DESFire卡。

4.3 射頻標簽防碰撞程序設計流程

當MF RC522的感應區內同時有多個射頻卡時，需要進行防碰撞處理。ISO/IEC 1443A的防碰撞指令格式以及防碰撞程序流程如圖10所示。

圖10 MF RC522對標簽的防碰撞程序流程

圖10中，防碰撞指令0x93表示射頻卡的UID只有4個字節，NVM表示UID中有效的比特數，如當NVM為0x20時表示UID的有效比特數為32 bit。BCC只有當NVM為0x70時(即UID的4個字節都正確)才存在，表示此時整個UID都被識別，最終結果是要取得卡片的UID，防碰撞流程結束。

4.4 讀射頻標簽程序設計流程

在對卡片的塊區進行操作前，為提高安全性，必須對卡片進行密鑰驗證。當密鑰選擇為0×60時表示驗證密鑰A;當密鑰選擇為0×61時表示驗證密鑰B。當密鑰驗證碼寫入FIFO并發送出去后如果無錯誤返回值，可對射頻標簽進行讀寫操作。

射頻標簽讀操作指令先要計算讀操作指令的CRC校驗碼(2個字節)，最后把這2個字節的指令和2個字節的CRC校驗碼發送到FIFO。當返回值無CRC錯誤并得到18個字節的數據時，說明讀操作成功。在這18個字節中只有16個字節是有效的，剩下的2個字節為填充字節。讀操作流程如圖11所示。

圖11 讀標簽操作流程

4.5 寫射頻標簽程序設計流程

寫操作指令包含2次握手過程。第1次先往FIFO內送入寫操作指令，等待卡片的應答信號，如果接收到4個比特的應答信號1010，則可以發送數據;否則說明塊區未準備好，必須等待塊區準備好后再寫數據。

數據寫入以后同樣等待卡片的應答信號，如果接收到4個比特的應答信號1010，則說明寫入成功;否則說明寫入失敗。寫操作的流程如圖12所示。

圖12 寫標簽操作流程

5 系統測試

為便于測試RFID數據采集終端數據讀寫的可靠性，設計開發了簡單的PC端上位機演示程序。該軟件基于Visual Basic程序設計語言開發，系統測試直觀、方便。軟件的主要功能是測試RFID讀寫器與射頻標簽之間數據通信的正確性和可靠性，如圖13所示。

圖13 射頻標簽讀寫測試

6 結束語

本文面向紡織企業信息化改造，設計了基于RFID技術的生產制造執行系統總體框架結構，并針對企業現有生產線數據采集終端的一些不足，構建了基于RFID技術、嵌入式技術與Internet技術3者相結合的數據采集終端系統。經測試，該系統可以有效地解決目前生產領域數據采集處理的問題，在控制系統成本的同時，獲得更高的安全性、可靠性和便捷性，實現數據采集、生產管理以及企業信息控制的無縫集成。