基于CAN總線(xiàn)的PC與RFID讀寫(xiě)器通信實(shí)現

射頻識別(Radio Frequency Identification，RFID)是一種非接觸的無(wú)線(xiàn)自動(dòng)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)現對被識別物體的自動(dòng)識別。近年來(lái)，RFID技術(shù)迅速發(fā)展，被廣泛應用于工業(yè)、農業(yè)、體育休閑、交通管理和防偽防盜等眾多領(lǐng)域。根據RFID應用的具體特點(diǎn)，本文以制衣流程過(guò)程為基礎，提出了一種RFID技術(shù)在制造業(yè)生產(chǎn)流水線(xiàn)上的應用通信方案及其詳細實(shí)現。

制衣生產(chǎn)線(xiàn)和很多其他工業(yè)生產(chǎn)線(xiàn)一樣，每條流水線(xiàn)上有幾個(gè)、幾十個(gè)甚至更多的加工站點(diǎn)。為了在這種多站點(diǎn)生產(chǎn)線(xiàn)上應用RFID技術(shù)，一般需要在每一個(gè)工作站點(diǎn)部署一到兩個(gè)RFID讀寫(xiě)器(Reader)用以控制各個(gè)工作站點(diǎn)的任務(wù)調度，實(shí)現各工作站點(diǎn)和工作人員的自動(dòng)管理。然而，由于工作站點(diǎn)的個(gè)數較多，生產(chǎn)線(xiàn)監控管理上位機(Pc)還要實(shí)現各個(gè)工作站點(diǎn)的實(shí)時(shí)信息采集和監控，這就要求PC與各個(gè)工作站點(diǎn)的RFID讀寫(xiě)器之間實(shí)現可靠的實(shí)時(shí)通信。為此，本文提出了用CAN總線(xiàn)實(shí)現PC與RFID讀寫(xiě)器通信的方案。

1 CAN總線(xiàn)與RS485總線(xiàn)

RS485總線(xiàn)曾經(jīng)在工業(yè)控制系統的發(fā)展過(guò)程中發(fā)揮了重要作用。但是，隨著(zhù)工業(yè)控制系統功能分散化、任務(wù)多元化、整體復雜化程度的提高，工業(yè)控制系統對于可靠性、實(shí)時(shí)性、靈活性的要求也越來(lái)越高，工業(yè)數據總線(xiàn)領(lǐng)域中原有的RS485總線(xiàn)通信標準已經(jīng)不能滿(mǎn)足工業(yè)過(guò)程控制和制造業(yè)自動(dòng)化的需要。在這種情況下，現場(chǎng)總線(xiàn)(Field Bus)技術(shù)以其自身的高性?xún)r(jià)比而成為了工業(yè)數據領(lǐng)域中的一種新通信方式?？刂凭钟蚓W(wǎng)絡(luò )(Control Area Network，CAN)總線(xiàn)是目前業(yè)界公認的最有前途的幾種現場(chǎng)總線(xiàn)之一。

RS485總線(xiàn)的局限性主要表現在：(1)RS485總線(xiàn)可以互聯(lián)的設備節點(diǎn)數一般不超過(guò)32個(gè)，這顯然不能夠滿(mǎn)足多點(diǎn)工作站的需求和生產(chǎn)線(xiàn)的規模擴展的需要，比如每條制衣生產(chǎn)線(xiàn)的工作站點(diǎn)很多都在40個(gè)以上；(2)RS485總線(xiàn)多為查詢(xún)工作方式，由上位機定時(shí)輪詢(xún)各個(gè)工作站點(diǎn)，效率低，實(shí)時(shí)性差；(3)RS485總線(xiàn)構成的通信系統可靠性不好，當由于某種原因使得兩個(gè)或更多從節點(diǎn)同時(shí)向總線(xiàn)發(fā)送數據時(shí)，將導致通信混亂甚至RS485驅動(dòng)損壞；(4)RS485總線(xiàn)通信過(guò)程實(shí)現復雜，由于RS485僅僅是一種電氣協(xié)議規定，并沒(méi)有實(shí)現可靠的通信方法，這給通信軟件開(kāi)發(fā)與程序調度實(shí)現增加了額外負擔。

CAN總線(xiàn)是20世紀80年代德國B(niǎo)osch公司為了解決現代汽車(chē)中眾多控制與測試儀器之間的數據交換而開(kāi)發(fā)的一種串行數據通信協(xié)議，其對應的國際標準ISO11898已經(jīng)在1993年11月由ISO組織頒布。與RS485總線(xiàn)相比較，CAN總線(xiàn)的主要技術(shù)優(yōu)勢表現在：(1)CAN總線(xiàn)可同時(shí)互聯(lián)的節點(diǎn)數目多，實(shí)際可連接1 10個(gè)節點(diǎn)；(2)CAN總線(xiàn)用數據塊編碼的方式替代了節點(diǎn)地址編碼，各節點(diǎn)通過(guò)濾波的方式實(shí)現多地址幀傳送；實(shí)現了面向數據而不是節點(diǎn)的通信，方便系統配置；(3)CAN 總線(xiàn)采用基于節點(diǎn)優(yōu)先權設定的非破壞性總線(xiàn)仲裁技術(shù)，有效避免了總線(xiàn)上的數據傳輸沖突，使網(wǎng)絡(luò )在高負載運行的情況下也不會(huì )出現網(wǎng)絡(luò )癱瘓的情況，可靠性高；(4)CAN 總線(xiàn)有自己的用戶(hù)層可靠通信協(xié)議和數據錯誤自診斷功能，采用循環(huán)冗余校驗判斷報文是否有傳輸錯誤，采用8B數據段區域，既滿(mǎn)足了工業(yè)領(lǐng)域中控制命令、數據傳輸等的一般要求，又保證了通信的實(shí)時(shí)性。這不僅方便了上位機軟件開(kāi)發(fā)，還有利于系統的穩定可靠運行。

2通信實(shí)現的系統結構

圖1顯示了使用USB—CAN智能轉換卡連接PC與RFID讀寫(xiě)器的生產(chǎn)線(xiàn)控制系統結構。在這一系統中，USB—CAN智能轉換卡是上位機PC 采集和發(fā)送信息的通道接13，USB—CAN 智能轉換卡下端通過(guò)雙絞線(xiàn)連接各個(gè)控制節點(diǎn)— — RFID讀寫(xiě)器。RFID讀寫(xiě)器通過(guò)延長(cháng)線(xiàn)連接的天線(xiàn)讀取電子標簽信息，經(jīng)過(guò)RFID讀寫(xiě)器處理后再經(jīng)過(guò)CAN總線(xiàn)傳送到上位機處理，同時(shí)通過(guò)CAN總線(xiàn)接收上位機的各種控制命令和信息提示。上位機負責整個(gè)系統的監控和管理，其控制信息經(jīng)過(guò)CAN總線(xiàn)而傳送到RFID讀寫(xiě)器。

圖1應用CAN總線(xiàn)連接PC與RFID讀寫(xiě)器的系統結構

2．1 CAN總線(xiàn)通信中應該注意的問(wèn)題

(1)USB—CAN 智能轉換卡所支持的最擴展幀轉換率為5000幀／s，如果是標準幀或者請求幀，其速率會(huì )更快。在使用USB—CAN智能轉換卡實(shí)現CAN總線(xiàn)與上位機的連接時(shí)要充分考慮節點(diǎn)的規模和應用中的最大的瞬間數據傳輸總量，以保證系統的實(shí)時(shí)性和可靠性。
(2)上位機PC中USB—CAN設備的驅動(dòng)程序安裝，不同于RS485總線(xiàn)和CAN／RS232接13卡，USB接13需要安裝USB—CAN設備自帶的設備驅動(dòng)程序才能正常工作。
(3)CAN總線(xiàn)終端匹配電阻的連接，為了增強CAN總線(xiàn)通信的可靠性，CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的兩個(gè)斷電通常要連接兩個(gè)終端匹配電阻。匹配電阻值的大小根據CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )使用的傳輸介質(zhì)的阻抗特性而定。系統中采用的是阻抗特性為120歐姆的雙絞線(xiàn)，連接方式如圖2所示。

圖2用雙絞線(xiàn)連接的CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )

2．2通信協(xié)議說(shuō)明

CAN總線(xiàn)的ISO標準中規定了自己的通信協(xié)議格式，在這個(gè)應用中為使用方便并滿(mǎn)足更多節點(diǎn)擴展的需要，信息幀統一采用符合CAN2．0B協(xié)議(表1)實(shí)現系統中的信息傳輸。與RFID讀寫(xiě)器通信的協(xié)議幀的意義表示(表2)以及與CAN總線(xiàn)協(xié)議擴展幀的對應解釋如下，其中表1中x表示CAN協(xié)議中的保留位。

表1 CAN總線(xiàn)CAN2．0B協(xié)議奠結構

表2 RFID通信協(xié)議奠的規定

在RFID通信協(xié)議幀的規定中，信息被分為4個(gè)域(表1)，其中，信號類(lèi)型域用來(lái)表示信息的傳輸方向，即是上位機發(fā)送到RFID讀寫(xiě)器還是相反， 占用CAN2．0協(xié)議擴展幀數據域的第1個(gè)字節(字節6)。站點(diǎn)域，即報文識別碼區域，總共有4個(gè)字節(29位二進(jìn)制數+3位保留位，字節2~5)，此處采用報文識別碼的前兩個(gè)字節作為目的地址字節，作為識別符參與濾波的有效部分，以達到表示每個(gè)工作站的目的地址的作用；采用后兩個(gè)字節的13位二進(jìn)制數表示信息的來(lái)源地址，它們不參與濾波；通信中采用的是數據幀，而非遠程幀，所以數據域的長(cháng)度為1-8個(gè)字節，由CAN2．0協(xié)議擴展幀中的DLC區域表示；規定中的數據域實(shí)際上只剩下7個(gè)字節(字節7—13)，用以表示通信中的命令或信息內容。這里的信息對應內容即是CAN 總線(xiàn)通信協(xié)議幀解析時(shí)，程序要做的工作。

2．3 USB-CAN智能轉換卡與上位機PC通信的軟件實(shí)現

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

圖3上位機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(guò)程是通信的核心部分，其相應的USB 13監聽(tīng)線(xiàn)程程序的說(shuō)明如下：

該段程序中協(xié)議規定的命令類(lèi)型解析部分和數據內容處理部分是PC實(shí)現與RFID讀寫(xiě)器通信的核心。程序實(shí)現時(shí)應特別注意協(xié)議幀中保留位的處理方法。在接收到一幀信息時(shí)報文識別碼區域共占用4個(gè)字節，但是字節5低三位作為保留位而沒(méi)有使用，因此解析字節2～字節5時(shí)應首先將這4個(gè)字節的內容右移3位去掉保留位的內容，然后處理報文識別碼的真正內容，否則就會(huì )解析出錯。

該段程序在確認相應的命令類(lèi)型的基礎之上，對接收到的各種數據信息作出進(jìn)一步解析和響應(在ProcessData(、、、 )函數中實(shí)現)。ProcessData( )函數所完成的任務(wù)，要根據不同工程中規定的協(xié)議意義做出解析和響應。比如，在本文的通信中把十六進(jìn)制的“AABB”放入擴展幀中的字節7-13中表示上位機的握手查詢(xún)命令，而如果接收到的幀中7～13字節的內容是十六進(jìn)制的“BB AA+站點(diǎn)當前接入的設備ID”，則表示RFID讀寫(xiě)器的握手應答信息。

3結論

在介紹了RFID技術(shù)的一些應用后，針對生產(chǎn)線(xiàn)上幾十個(gè)RFID讀寫(xiě)器的應用情況，對RS485總線(xiàn)和CAN總線(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)特性作出了詳細的對比，給出了一種基于CAN總線(xiàn)的PC與多RFID讀寫(xiě)器通信的硬件結構和軟件實(shí)現的關(guān)鍵部分說(shuō)明。在RFID技術(shù)廣泛應用的今天，這樣一種基于CAN總線(xiàn)的PC與多RFID讀寫(xiě)器的連接通信方式對于促進(jìn)RFID技術(shù)在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中的應用具有積極意義。