0 引言

　　伴隨著我國經(jīng)濟(jì)和物流行業(yè)的飛速發(fā)展，貨物的種類和數(shù)量也隨之急劇增加，倉庫工作人員的操作任務(wù)也變得更加繁重。電子揀選器的出現(xiàn)取代了現(xiàn)場紙質(zhì)訂單，將其安裝在貨物儲(chǔ)位的貨架上并與上位機(jī)(即PC機(jī))進(jìn)行通信，在貨架上顯示揀選信息，工作人員按照電子揀選器上的顯示進(jìn)行揀選作，實(shí)現(xiàn)揀選作業(yè)的無紙化，使得揀選作業(yè)具有現(xiàn)場監(jiān)控、緊急訂單處理和補(bǔ)貨盤點(diǎn)通知功能。

　　目前，我國倉儲(chǔ)管理采用的電子揀選器大多選用RS-485總線通信技術(shù)，這種通信技術(shù)的突出缺點(diǎn)是：RS-485總線只能構(gòu)成主從式結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性和可靠性較差;多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)向總線發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致總線出現(xiàn)短路而損壞某些節(jié)點(diǎn)。相較之下，CAN總線具有實(shí)時(shí)性高和可靠性高，數(shù)據(jù)傳輸速率快等優(yōu)點(diǎn)，并且實(shí)現(xiàn)通信的硬件接口簡單、系統(tǒng)的可擴(kuò)展性好。相較于掃描條形碼、二維碼等信息獲取方式，RFID(無線射頻識(shí)別)技術(shù)具有讀取信息快速便捷、可重復(fù)使用且使用壽命長、標(biāo)簽數(shù)據(jù)可動(dòng)態(tài)修改等特點(diǎn)。在歐盟等發(fā)達(dá)國家，RFID技術(shù)早已應(yīng)用于圖書、零售業(yè)及檔案管理等物品種類和數(shù)量復(fù)雜繁多的場合。

　　基于CAN總線和RFID技術(shù)的明顯優(yōu)勢，設(shè)計(jì)一種基于CAN總線和RFID技術(shù)的電子標(biāo)簽，將其應(yīng)用于倉儲(chǔ)管理工作當(dāng)中。它不僅克服了RS-485總線通信存在的問題，提高了揀選作業(yè)的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性，并且隨著RFID技術(shù)的加入，使得揀選作業(yè)更加準(zhǔn)確、高效，使系統(tǒng)能夠應(yīng)用于更加復(fù)雜的貨物管理中。

　　1 電子揀選器總體概述

　　1.1 CAN總線及RFID技術(shù)概述

　　CAN總線是一種支持分布式控制的串行口通信網(wǎng)絡(luò)，在以下方面具有明顯的優(yōu)越性：(1)CAN總線采用非破壞性總線仲裁技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)多節(jié)點(diǎn)同時(shí)向總線發(fā)送數(shù)據(jù)，提高了網(wǎng)絡(luò)的可靠性和靈活性;(2)當(dāng)節(jié)點(diǎn)發(fā)生持續(xù)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤時(shí)，該節(jié)點(diǎn)可自動(dòng)關(guān)閉，不會(huì)對總線上其他節(jié)點(diǎn)的操作造成影響，提高了網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。(3)CAN總線的通信介質(zhì)為雙絞線，信號(hào)傳輸采用差分電壓方式，提高了抗干擾能力。

　　RFID是一項(xiàng)易于操控且適合于自動(dòng)化控制的靈活性應(yīng)用技術(shù)。

　　它的應(yīng)用優(yōu)勢由以下幾點(diǎn)體現(xiàn)：(1)識(shí)別速度快，可實(shí)現(xiàn)批量識(shí)別;(2)數(shù)據(jù)容量大，標(biāo)簽數(shù)據(jù)可動(dòng)態(tài)修改;(3)應(yīng)用范圍廣且具有良好的安全性。

　　條形碼識(shí)別技術(shù)每次只能掃描一個(gè)條形碼，條形碼掃描器必須在近距離且無物體阻擋的情況下才能辨識(shí)條形碼，與此相比，RFID讀寫器能夠同時(shí)識(shí)別多個(gè)電子標(biāo)簽，實(shí)現(xiàn)貨物信息的批量識(shí)別，且當(dāng)電子標(biāo)簽進(jìn)入讀寫器掃描范圍，即能夠透過紙張、木材和塑料等材質(zhì)與讀寫器進(jìn)行穿透性通信，提高了信息讀寫的效率。而CAN總線在傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，每個(gè)數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)域最長為8字節(jié)，這種短幀傳輸時(shí)間短、受干擾率低，每幀都有位填充、CRC校驗(yàn)等檢錯(cuò)措施，且在數(shù)據(jù)發(fā)送期間丟失仲裁或者由于出錯(cuò)而遭到的幀可自動(dòng)重發(fā)。結(jié)合這兩種技術(shù)，使得系統(tǒng)具有更好的數(shù)據(jù)傳輸效率和數(shù)據(jù)檢錯(cuò)糾錯(cuò)能力。

　　1.2 電子揀選器工作原理概述

　　基于CAN總線與RFID技術(shù)的電子揀選系統(tǒng)由上位機(jī)作為主控機(jī)，由多個(gè)以MSP430單片機(jī)為微控制器的電子揀選器組成。根據(jù)倉庫貨物儲(chǔ)存的實(shí)際需要，將燒寫了ID號(hào)的電子標(biāo)簽終端安裝在相應(yīng)的貨架上，上位機(jī)根據(jù)訂單信息向電子揀選器發(fā)送相關(guān)命令和數(shù)據(jù)，相應(yīng)的電子揀選器接收到上位機(jī)的命令和數(shù)據(jù)后，使指示燈閃爍并在數(shù)碼管上顯示需要揀選貨品的相關(guān)信息。RFID讀寫器不斷發(fā)出電磁波，在揀選完畢后按下確認(rèn)鍵時(shí)，對附著在貨物上的電子標(biāo)簽按照上位機(jī)發(fā)來的指令進(jìn)行貨物信息的修改，使得貨物的實(shí)際存儲(chǔ)情況能夠與數(shù)據(jù)庫的貨物信息相匹配。電子揀選器會(huì)將確認(rèn)指令反饋至上位機(jī)，揀選作業(yè)完成，等待上位機(jī)的下一步指令。

　　2 電子揀選器的硬件設(shè)計(jì)

　　電子揀選器是由微控制器最小系統(tǒng)部分、CAN控制收發(fā)部分、RFID讀寫器部分、供電部分、三色燈、數(shù)碼管和按鍵等七部分構(gòu)成。如圖1所示為電子揀選器硬件結(jié)構(gòu)框圖。

圖1　電子揀選器硬件結(jié)構(gòu)框圖

　　2.1 MSP430

　　微控制器本設(shè)計(jì)所采用的微控制器選用MSP430系列中的MSP430F149，它是一種16位超低功耗、具有精簡指令集的混合信號(hào)處理器。它具有更多的端口，擁有更好的功能擴(kuò)展性，能使用戶實(shí)現(xiàn)具有更多功能的系統(tǒng)，同時(shí)也可減小系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜程度。如圖2所示為MSP430最小系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。

　　它的超低功耗表現(xiàn)為在休眠模式下工作電流只有0.8μA，在2.2V、1MHz工作模式下電流只有280μA;它具有快速的指令執(zhí)行時(shí)間，其采用的是16位的RISC結(jié)構(gòu)，指令執(zhí)行時(shí)間只需150ns，是傳統(tǒng)單片機(jī)所不能比擬的;它有兩個(gè)串口通信模塊：USART0、USART1，這兩個(gè)串口都可以利用軟件設(shè)置為USART方式或SPI方式，能滿足用戶多機(jī)通 信 的 需 求;它 提 供 的 片 內(nèi)FLASH為60KB，同時(shí)片內(nèi)還提供較多的RAM，以便進(jìn)行運(yùn)算時(shí)處理。

圖2 MSP430最小系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

　　2.2 RFID模塊設(shè)計(jì)

　　RFID模塊主要由微控制器、無線射頻收發(fā)芯片和天線電路三部分組成，其功能是通過RFID讀寫器，對附著在貨物上的電子標(biāo)簽中的貨物信息進(jìn)行采集或修改，免去了紙錄作業(yè)的繁瑣。

　　2.2.1 RFID接口設(shè)計(jì)

　　此模 塊 采 用NXP公 司 的MFRC522作 為RFID模塊電路開發(fā)的核心芯片，MFRC522是一款高度集成的非接觸式13。56 MHz射頻收發(fā)芯片，其通信距離高達(dá)50mm，這取決于天線的長度和調(diào)諧。在此模塊的設(shè)計(jì)中采用SPI接口方式完成MSP430控制器與MFRC522之間的數(shù)據(jù)傳輸。通過MFRC522芯片提供的4個(gè)引腳(MISO、MOSI、SCK、RST)來實(shí)現(xiàn)SPI接口電路。當(dāng)MFRC522在與MSP430進(jìn)行SPI通信時(shí)，MFRC522作 為從機(jī)：數(shù)據(jù)可以通過MISO引腳從MFRC522發(fā)回到MSP430中;數(shù) 據(jù) 也 可 以 通 過MOSI引 腳 從MSP40發(fā)送到MFRC522中。如圖3所示為RFID接口原理圖。

　　2.2.2 天線電路設(shè)計(jì)

　　RFID讀寫器通過天線電路向無源電子標(biāo)簽發(fā)射電波并產(chǎn)生磁場，從而實(shí)現(xiàn)對貨物標(biāo)簽內(nèi)數(shù)據(jù)的讀寫操作。如圖4所示為天線電路設(shè)計(jì)原理圖。

　　微控制器通過RFID讀寫器對貨物信息進(jìn)行讀寫時(shí)，天線的驅(qū)動(dòng)是通過配置MFRC522內(nèi)部相關(guān)寄存器，利用TX1和TX2引腳實(shí)現(xiàn)的。由于天線是低阻抗器件，與MFRC522芯片進(jìn)行連接需設(shè)計(jì)匹配電路，其功能是使天線工作在13。56 MHz頻段上。圖2～圖3中C31、C32、C33、C35、C36、C37組成了天線匹配電路。

圖3 RFID模塊接口原理圖

圖4 天線電路設(shè)計(jì)原理圖

　　2.3 CAN總線模塊設(shè)計(jì)

　　實(shí)現(xiàn)CAN總線數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠布娐分饕蓛刹糠纸M成，即CAN總線控制電路和CAN總線驅(qū)動(dòng)電路。

　　2.3.1 CAN

　　總線控制電路CAN總線控制器實(shí)現(xiàn)了CAN協(xié)議中最復(fù)雜的數(shù)據(jù)鏈路層功能，是CAN總線控制電路的核心器件。SJA1000是一種獨(dú)立的CAN控制器，它具有一種新的操作模式-PeliCAN，此模式支持具有多種新特性的CAN2。0B協(xié)議。

　　SJA1000應(yīng)用電路是由時(shí)鐘電路、復(fù)位電路和模式選擇電路組成的，復(fù)位和模式選擇是由微控制器中的引腳控制的。CAN總線控制電路圖如圖5所示。

圖5　CAN總線控制電路

　　2.3.2 CAN總線驅(qū)動(dòng)電路

　　CAN總線驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)了物理層的功能，它將控制器發(fā)送信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榉螩AN物理層標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)，并進(jìn)行放大、傳輸?shù)娇偩€上;并且將總線上接收到的信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榭刂破魉芙邮盏碾娖叫盘?hào)。PCA82C250是CAN協(xié)議控制器與物理總線間的接口，它對總線提供差動(dòng)發(fā)送能力，對CAN控制器提供差動(dòng)接收能力。6N137為CAN隔離器，降低電平的高速轉(zhuǎn)換帶來的噪聲，提高電路的抗干擾能力。如圖6所示為CAN總線驅(qū)動(dòng)電路圖。

圖6 CAN總線驅(qū)動(dòng)電路

　　2.4　其他模塊設(shè)計(jì)

　　2.4.1 供電電路

　　選用轉(zhuǎn)換效率為70%～88%之間的穩(wěn)壓芯片LM2576，將輸入的12V電壓轉(zhuǎn)換成5V電壓，為CAN控制器提供電源電壓;選用了AMS1117-3.3芯片將5V電壓轉(zhuǎn)換為3.3V，為MSP430微控制器、RFID讀寫器以及外圍電路供電。

　　2.4.2 數(shù)碼管模塊

　　本設(shè)計(jì)中的數(shù)碼管模塊由三組兩位共陰數(shù)碼管組成，三組分別表示貨物的種類、批次和數(shù)量信息(每組可顯示0～99)。在與微控制器連接時(shí)，使用具有鎖存的功能的集成芯片74HC573實(shí)現(xiàn)對數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng)。

　　2.4.3 按鍵及三色燈模塊

　　按鍵的作用是配合操作人員對貨物進(jìn)行出入庫及盤點(diǎn)操作時(shí)，對貨物數(shù)據(jù)進(jìn)行修改或反饋。

　　按鍵分為四部分：一個(gè)確認(rèn)按鍵，在貨物管理結(jié)束時(shí)，作為最終確認(rèn)按鈕;兩個(gè)操作按鍵，一個(gè)加鍵和一個(gè)減鍵，分別修改區(qū)號(hào)、列號(hào)、行號(hào)信息，配合確認(rèn)按鍵使用;一個(gè)功能按鍵，配合加鍵和減鍵來完成對貨物信息如種類、批次、數(shù)量的修改;一個(gè)硬件復(fù)位按鍵，在系統(tǒng)出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)進(jìn)行復(fù)位。三色燈的作用是當(dāng)下位機(jī)接收到上位機(jī)發(fā)送來的揀選命令時(shí)，對所執(zhí)行的命令的內(nèi)容進(jìn)行提示，引導(dǎo)倉庫操作人員快速準(zhǔn)確的到達(dá)揀選位置。三色燈分為紅、綠、藍(lán)三色，分別代表出庫命令、入庫命令和盤點(diǎn)命令。

　　3 電子揀選器的軟件設(shè)計(jì)

　　軟件設(shè)計(jì)中首先要對一些位的定義及微控制器進(jìn)行初始化操作，初始化結(jié)束后判斷EEPROM是否為空，若為空就重新賦給地址值，若不為空則將EEPROM中的ID取出;接著對電子揀選器進(jìn)行上電自檢，并對上電檢測回復(fù)的數(shù)據(jù)進(jìn)行賦值校驗(yàn)，賦值結(jié)束后向上位機(jī)發(fā)送檢測數(shù)據(jù)，然后接收上位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)并進(jìn)行校驗(yàn)，校驗(yàn)成功就進(jìn)入指令周期執(zhí)行命令(出庫命令、入庫命令、盤點(diǎn)命令等)，校驗(yàn)失敗則進(jìn)行判斷是否發(fā)送錯(cuò)誤命令，重新接收上位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)再進(jìn)行校驗(yàn)，直到校驗(yàn)成功進(jìn)入指令周期執(zhí)行命令，并將執(zhí)行后的數(shù)據(jù)顯示在數(shù)碼 管，執(zhí)行結(jié)束后重新接收上位機(jī)發(fā)送的命令。

　　指令周期內(nèi)上位機(jī)對電子揀選器的操作流程圖及電子揀選器對電子標(biāo)簽的操作流程圖如圖7、圖8所示。

圖7 上位機(jī)對電子揀選器的操作流程

圖8 電子揀選器對電子標(biāo)簽的操作流程

　　4 結(jié)束語

　　基于CAN總線與RFID技術(shù)的電子揀選器結(jié)合PC機(jī)組成的倉儲(chǔ)管理系統(tǒng)增強(qiáng)了倉儲(chǔ)貨物信息的準(zhǔn)確性和統(tǒng)一性，提高了倉儲(chǔ)揀選作業(yè)的工作效率，加快了貨物出庫、入庫的流轉(zhuǎn)速度，增強(qiáng)了倉儲(chǔ)管理系統(tǒng)的處理能力。由此看出，基于CAN總線與RFID技術(shù)的電子揀選器能夠使得物流揀選作業(yè)更加高效和準(zhǔn)確，從而滿足現(xiàn)代物流行業(yè)的倉儲(chǔ)管理系統(tǒng)的要求。該電子揀選器已經(jīng)在西安某乳業(yè)公司的倉儲(chǔ)管理中得到推廣應(yīng)用。