基于CAN總線的PC與RFID讀寫器通信實(shí)現(xiàn)

  射頻識別(Radio Frequency Identification，RFID)是一種非接觸的無線自動識別技術(shù)，其基本原理是利用射頻信號和空間耦合(電感耦合或電磁耦合)傳輸特性實(shí)現(xiàn)對被識別物體的自動識別⋯。近年來，RFID技術(shù)迅速發(fā)展，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、體育休閑、交通管理和防偽防盜等眾多領(lǐng)域。根據(jù)RFID應(yīng)用的具體特點(diǎn)，本文以制衣流程過程為基礎(chǔ)，提出了一種RFID技術(shù)在制造業(yè)生產(chǎn)流水線上的應(yīng)用通信方案及其詳細(xì)實(shí)現(xiàn)。

    制衣生產(chǎn)線和很多其他工業(yè)生產(chǎn)線一樣，每條流水線上有幾個、幾十個甚至更多的加工站點(diǎn)。為了在這種多站點(diǎn)生產(chǎn)線上應(yīng)用RFID技術(shù)，一般需要在每一個工作站點(diǎn)部署一到兩個RFID讀寫器(Reader)用以控制各個工作站點(diǎn)的任務(wù)調(diào)度，實(shí)現(xiàn)各工作站點(diǎn)和工作人員的自動管理。然而，由于工作站點(diǎn)的個數(shù)較多，生產(chǎn)線監(jiān)控管理上位機(jī)(Pc)還要實(shí)現(xiàn)各個工作站點(diǎn)的實(shí)時信息采集和監(jiān)控，這就要求PC與各個工作站點(diǎn)的RFID讀寫器之間實(shí)現(xiàn)可靠的實(shí)時通信。為此，本文提出了用CAN總線實(shí)現(xiàn)PC與RFID讀寫器通信的方案。

1 CAN總線與RS485總線

    RS485總線曾經(jīng)在工業(yè)控制系統(tǒng)的發(fā)展過程中發(fā)揮了重要作用。但是，隨著工業(yè)控制系統(tǒng)功能分散化、任務(wù)多元化、整體復(fù)雜化程度的提高，工業(yè)控制系統(tǒng)對于可靠性、實(shí)時性、靈活性的要求也越來越高，工業(yè)數(shù)據(jù)總線領(lǐng)域中原有的RS485總線通信標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)不能滿足工業(yè)過程控制和制造業(yè)自動化的需要。在這種情況下，現(xiàn)場總線(Field Bus)技術(shù)以其自身的高性價(jià)比而成為了工業(yè)數(shù)據(jù)領(lǐng)域中的一種新通信方式。控制局域網(wǎng)絡(luò)(Control Area Network，CAN)總線是目前業(yè)界公認(rèn)的最有前途的幾種現(xiàn)場總線之一。

    RS485總線的局限性主要表現(xiàn)在：(1)RS485總線可以互聯(lián)的設(shè)備節(jié)點(diǎn)數(shù)一般不超過32個，這顯然不能夠滿足多點(diǎn)工作站的需求和生產(chǎn)線的規(guī)模擴(kuò)展的需要，比如每條制衣生產(chǎn)線的工作站點(diǎn)很多都在40個以上；(2)RS485總線多為查詢工作方式，由上位機(jī)定時輪詢各個工作站點(diǎn)，效率低，實(shí)時性差；(3)RS485總線構(gòu)成的通信系統(tǒng)可靠性不好，當(dāng)由于某種原因使得兩個或更多從節(jié)點(diǎn)同時向總線發(fā)送數(shù)據(jù)時，將導(dǎo)致通信混亂甚至RS485驅(qū)動損壞；(4)RS485總線通信過程實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，由于RS485僅僅是一種電氣協(xié)議規(guī)定，并沒有實(shí)現(xiàn)可靠的通信方法，這給通信軟件開發(fā)與程序調(diào)度實(shí)現(xiàn)增加了額外負(fù)擔(dān)。

    CAN總線是20世紀(jì)80年代德國Bosch公司為了解決現(xiàn)代汽車中眾多控制與測試儀器之間的數(shù)據(jù)交換而開發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議，其對應(yīng)的國際標(biāo)準(zhǔn)ISO11898已經(jīng)在1993年11月由ISO組織頒布。與RS485總線相比較，CAN總線的主要技術(shù)優(yōu)勢表現(xiàn)在：(1)CAN總線可同時互聯(lián)的節(jié)點(diǎn)數(shù)目多，實(shí)際可連接1 10個節(jié)點(diǎn)；(2)CAN總線用數(shù)據(jù)塊編碼的方式替代了節(jié)點(diǎn)地址編碼，各節(jié)點(diǎn)通過濾波的方式實(shí)現(xiàn)多地址幀傳送；實(shí)現(xiàn)了面向數(shù)據(jù)而不是節(jié)點(diǎn)的通信，方便系統(tǒng)配置；(3)CAN 總線采用基于節(jié)點(diǎn)優(yōu)先權(quán)設(shè)定的非破壞性總線仲裁技術(shù)，有效避免了總線上的數(shù)據(jù)傳輸沖突，使網(wǎng)絡(luò)在高負(fù)載運(yùn)行的情況下也不會出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)癱瘓的情況，可靠性高；(4)CAN 總線有自己的用戶層可靠通信協(xié)議和數(shù)據(jù)錯誤自診斷功能，采用循環(huán)冗余校驗(yàn)判斷報(bào)文是否有傳輸錯誤，采用8B數(shù)據(jù)段區(qū)域，既滿足了工業(yè)領(lǐng)域中控制命令、數(shù)據(jù)傳輸?shù)鹊囊话阋?，又保證了通信的實(shí)時性。這不僅方便了上位機(jī)軟件開發(fā)，還有利于系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運(yùn)行。

2通信實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

    圖1顯示了使用USB—CAN智能轉(zhuǎn)換卡連接PC與RFID讀寫器的生產(chǎn)線控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。在這一系統(tǒng)中，USB—CAN智能轉(zhuǎn)換卡是上位機(jī)PC 采集和發(fā)送信息的通道接13，USB—CAN 智能轉(zhuǎn)換卡下端通過雙絞線連接各個控制節(jié)點(diǎn)— — RFID讀寫器。RFID讀寫器通過延長線連接的天線讀取電子標(biāo)簽信息，經(jīng)過RFID讀寫器處理后再經(jīng)過CAN總線傳送到上位機(jī)處理，同時通過CAN總線接收上位機(jī)的各種控制命令和信息提示。上位機(jī)負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)的監(jiān)控和管理，其控制信息經(jīng)過CAN總線而傳送到RFID讀寫器。

圖1應(yīng)用CAN總線連接PC與RFID讀寫器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2．1 CAN總線通信中應(yīng)該注意的問題

    (1)USB—CAN 智能轉(zhuǎn)換卡所支持的最擴(kuò)展幀轉(zhuǎn)換率為5000幀／s，如果是標(biāo)準(zhǔn)幀或者請求幀，其速率會更快。在使用USB—CAN智能轉(zhuǎn)換卡實(shí)現(xiàn)CAN總線與上位機(jī)的連接時要充分考慮節(jié)點(diǎn)的規(guī)模和應(yīng)用中的最大的瞬間數(shù)據(jù)傳輸總量，以保證系統(tǒng)的實(shí)時性和可靠性。
    (2)上位機(jī)PC中USB—CAN設(shè)備的驅(qū)動程序安裝，不同于RS485總線和CAN／RS232接13卡，USB接13需要安裝USB—CAN設(shè)備自帶的設(shè)備驅(qū)動程序才能正常工作。
    (3)CAN總線終端匹配電阻的連接，為了增強(qiáng)CAN總線通信的可靠性，CAN總線網(wǎng)絡(luò)的兩個斷電通常要連接兩個終端匹配電阻。匹配電阻值的大小根據(jù)CAN總線網(wǎng)絡(luò)使用的傳輸介質(zhì)的阻抗特性而定。系統(tǒng)中采用的是阻抗特性為120歐姆的雙絞線，連接方式如圖2所示。

圖2用雙絞線連接的CAN總線網(wǎng)絡(luò)

2．2通信協(xié)議說明

    CAN總線的ISO標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了自己的通信協(xié)議格式，在這個應(yīng)用中為使用方便并滿足更多節(jié)點(diǎn)擴(kuò)展的需要，信息幀統(tǒng)一采用符合CAN2．0B協(xié)議(表1)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中的信息傳輸。與RFID讀寫器通信的協(xié)議幀的意義表示(表2)以及與CAN總線協(xié)議擴(kuò)展幀的對應(yīng)解釋如下，其中表1中x表示CAN協(xié)議中的保留位。

表1 CAN總線CAN2．0B協(xié)議奠結(jié)構(gòu)

表2 RFID通信協(xié)議奠的規(guī)定

    在RFID通信協(xié)議幀的規(guī)定中，信息被分為4個域(表1)，其中，信號類型域用來表示信息的傳輸方向，即是上位機(jī)發(fā)送到RFID讀寫器還是相反， 占用CAN2．0協(xié)議擴(kuò)展幀數(shù)據(jù)域的第1個字節(jié)(字節(jié)6)。站點(diǎn)域，即報(bào)文識別碼區(qū)域，總共有4個字節(jié)(29位二進(jìn)制數(shù)+3位保留位，字節(jié)2~5)，此處采用報(bào)文識別碼的前兩個字節(jié)作為目的地址字節(jié)，作為識別符參與濾波的有效部分，以達(dá)到表示每個工作站的目的地址的作用；采用后兩個字節(jié)的13位二進(jìn)制數(shù)表示信息的來源地址，它們不參與濾波；通信中采用的是數(shù)據(jù)幀，而非遠(yuǎn)程幀，所以數(shù)據(jù)域的長度為1-8個字節(jié)，由CAN2．0協(xié)議擴(kuò)展幀中的DLC區(qū)域表示；規(guī)定中的數(shù)據(jù)域?qū)嶋H上只剩下7個字節(jié)(字節(jié)7—13)，用以表示通信中的命令或信息內(nèi)容。這里的信息對應(yīng)內(nèi)容即是CAN 總線通信協(xié)議幀解析時，程序要做的工作。

2．3 USB-CAN智能轉(zhuǎn)換卡與上位機(jī)PC通信的軟件實(shí)現(xiàn)

    以中科院自動化所開發(fā)的手操器式RFID讀寫器作為終端通信節(jié)點(diǎn)，以某公司生產(chǎn)的USBCAN—I型USB—CAN轉(zhuǎn)換接13卡作為連接PC 與CAN 總線的硬件設(shè)備，基于Microsoft．NET 2003的MFC開發(fā)環(huán)境，本文實(shí)現(xiàn)了基于CAN總線的PC與多RFID讀寫器之間的通信。在上位機(jī)PC要實(shí)現(xiàn)的功能中，首先是要配置CAN總線通信的相關(guān)參數(shù)，如定時器設(shè)置、濾波方式、工作模式等，并初始化USB—CAN智能轉(zhuǎn)換卡，然后才可以啟動USB—CAN設(shè)備。圖3顯示了上位機(jī)PC與RFID讀寫器通信過程操作的主要流程。

圖3上位機(jī)PC與USB-CAN通信主要流程

    該流程中，信息的讀取解析與發(fā)送過程是通信的核心部分，其相應(yīng)的USB 13監(jiān)聽線程程序的說明如下：

    該段程序中協(xié)議規(guī)定的命令類型解析部分和數(shù)據(jù)內(nèi)容處理部分是PC實(shí)現(xiàn)與RFID讀寫器通信的核心。程序?qū)崿F(xiàn)時應(yīng)特別注意協(xié)議幀中保留位的處理方法。在接收到一幀信息時報(bào)文識別碼區(qū)域共占用4個字節(jié)，但是字節(jié)5低三位作為保留位而沒有使用，因此解析字節(jié)2～字節(jié)5時應(yīng)首先將這4個字節(jié)的內(nèi)容右移3位去掉保留位的內(nèi)容，然后處理報(bào)文識別碼的真正內(nèi)容，否則就會解析出錯。

    該段程序在確認(rèn)相應(yīng)的命令類型的基礎(chǔ)之上，對接收到的各種數(shù)據(jù)信息作出進(jìn)一步解析和響應(yīng)(在ProcessData(、、、 )函數(shù)中實(shí)現(xiàn))。ProcessData(⋯ )函數(shù)所完成的任務(wù)，要根據(jù)不同工程中規(guī)定的協(xié)議意義做出解析和響應(yīng)。比如，在本文的通信中把十六進(jìn)制的“AABB”放入擴(kuò)展幀中的字節(jié)7-13中表示上位機(jī)的握手查詢命令，而如果接收到的幀中7～13字節(jié)的內(nèi)容是十六進(jìn)制的“BB AA+站點(diǎn)當(dāng)前接入的設(shè)備ID”，則表示RFID讀寫器的握手應(yīng)答信息。

3結(jié)論

    在介紹了RFID技術(shù)的一些應(yīng)用后，針對生產(chǎn)線上幾十個RFID讀寫器的應(yīng)用情況，對RS485總線和CAN總線的關(guān)鍵技術(shù)特性作出了詳細(xì)的對比，給出了一種基于CAN總線的PC與多RFID讀寫器通信的硬件結(jié)構(gòu)和軟件實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵部分說明。在RFID技術(shù)廣泛應(yīng)用的今天，這樣一種基于CAN總線的PC與多RFID讀寫器的連接通信方式對于促進(jìn)RFID技術(shù)在工業(yè)自動化領(lǐng)域中的應(yīng)用具有積極意義。