一种流水线RFID接口控制器与上位机的通讯方法.pdf

本发明公开了一种流水线RFID接口控制器与上位机的通讯方法，流水线每个工位装一台RFID接口控制器，接口控制器通过CAN总线接口和上位机通讯。流水线运行前，上位机软件先对接口控制器进行初始化，设定其工作状态。流水线运行时，接口控制器采集流水线上贴有RFID标签的物料信息、人机交互终端相关操作信息以及设备故障诊断信息，以一定协议格式将所采信息通过CAN总线发送给上位机。上位机监控软件根据接收到信息进行处理后，控制执行机构相应动作，实现对流水线物料配送的优化调度，同时实现流水线状态信息在人机交互终端上本地显示。本发明为RFID技术在流水线上应用，进行物料和操作信息的采集、监视和配送调度，为生产的高效、信息化管理提供了一种手段。

1、  一种流水线RFID接口控制器与上位机的通讯方法，其特征是：流水线每个工位装一台RFID接口控制器，接口控制器通过CAN总线接口和上位机通讯；流水线运行前，上位机软件先对接口控制器进行初始化，设定其工作状态；流水线运行时，接口控制器对其相连接的RFID读写器和人机交互终端操作状态进行控制，并采集流水线上贴有RFID标签的物料信息、人机交互终端相关操作信息以及设备故障诊断信息，以一定协议格式将所采信息通过CAN总线发送给上位机，上位机监控软件根据接收到信息进行处理后，控制执行机构相应动作，实现对流水线物料配送的优化调度，同时实现流水线状态信息在人机交互终端上本地显示。

2、  根据权利要求1所述的流水线RFID接口控制器与上位机的通讯方法，其特征是：CAN总线通讯协议的物理层遵循CAN总线标准规范ISO11898，通讯协议的数据链路层符合CAN2.0协议规范的定义，通讯协议的应用层则根据流水线的实际应用来定义。

3、  根据权利要求1所述的流水线RFID接口控制器与上位机的通讯方法，其特征是：每条通讯信号利用一个CAN数据帧来实现，信号结构组成包括两个字节的信号的目的地址，两个字节的信号源地址，一个字节的命令类型，以及一至七个字节的命令内容。

4、  根据权利要求1所述的流水线RFID接口控制器与上位机的通讯方法，其特征是：所述上位机的CAN总线接口，采用在上位机加装PCI-CAN接口协议转换卡来实现，插入上位机的PCI插槽，引出标准的DB9针CAN总线接口。

5、  根据权利要求1所述的流水线RFID接口控制器与上位机的通讯方法，其特征是：所述上位机软件对接口控制器进行状态初始化，包括下列步骤：第一步，设备检测信号及应答；第二步，设备合法性认证信号及应答；第三步，站点信息同步信号及应答；第四步，站点角色类型设定信号及应答；其中第一步和第二步操作顺序可以互换，第三步和第四步操作顺序可以互换。

6、  根据权利要求1所述的流水线RFID接口控制器与上位机的通讯方法，其特征是：所述的设备故障诊断信息可以是站点一个或多个RFID读写器和接口控制器的连接状态异常，也可以是站点人机交互终端和接口控制器的连接状态异常。

一种流水线RFID接口控制器与上位机的通讯方法
技术领域：
本发明涉及纺织、服装、电子、玩具、食品、汽车制造等离散型制造业加工领域，特别是涉及一种用于加工流水线的RFID接口控制器和上位机的通讯方法。
背景技术
众所周知，我国是制造加工业的大国，但是传统制造加工业较发达国家能耗高效率低。随着全球能源的日趋紧张、劳动力成本的日益上涨，制造加工业面临着成本提高利润下降的严峻考验。如果能将信息技术和现代化的管理手段用于传统制造加工业，特别是对于离散型制造业更多采用智能物料配送及监控系统，可以提高生产效率降低能源和劳动力消耗，从而增强企业的整体竞争力。在离散型制造业的加工流水线应用中，现场物料信息的采集和传输是智能物料配送及监控系统的基础，采用RFID(无线射频识别)技术结合现场总线通讯技术，能有效解决上述问题。
RFID技术是一种非接触式自动识别技术。自从上世纪九十年代以来，RFID技术在身份识别、物流追踪、仓库管理、汽车制造等领域得到了广泛应用。于此同时，国内外也涌现出很多生产RFID读写器的厂家，不过这些厂家的RFID读写器接口方式不一，应用时都需要搭建与其产品相匹配的专有系统，并开发专门针对其读写器的上位机控制软件，这就为RFID技术的应用带来的困难。
发明内容：
本发明的目的在于提供一种实现上位机对流水线上贴有RFID标签的物料信息以及工位上人机交互终端工艺流程相关操作信息的采集，并基于采集信息实现物料配送状态的实时监视和优化调度，同时实现流水线状态信息在人机交互终端上的本地显示的流水线RFID接口控制器和上位机的通讯方法。
本发明的技术解决方案是：
一种流水线RFID接口控制器与上位机的通讯方法，其特征是：流水线每个工位装一台RFID接口控制器，接口控制器通过CAN总线接口和上位机通讯；流水线运行前，上位机软件先对接口控制器进行初始化，设定其工作状态；流水线运行时，接口控制器对其相连接的RFID读写器和人机交互终端操作状态进行控制，并采集流水线上贴有RFID标签的物料信息、人机交互终端相关操作信息以及设备故障诊断信息，以一定协议格式将所采信息通过CAN总线发送给上位机，上位机监控软件根据接收到信息进行处理后，控制执行机构相应动作，实现对流水线物料配送的优化调度，同时实现流水线状态信息在人机交互终端上本地显示。
CAN总线通讯协议的物理层遵循CAN总线标准规范ISO11898，通讯协议的数据链路层符合CAN2.0协议规范的定义，通讯协议的应用层则根据流水线的实际应用来定义。
每条通讯信号利用一个CAN数据帧来实现，信号结构组成包括两个字节的信号的目的地址，两个字节的信号源地址，一个字节的命令类型，以及一至七个字节的命令内容。
所述上位机的CAN总线接口，采用在上位机加装PCI-CAN接口协议转换卡来实现，插入上位机的PCI插槽，引出标准的DB9针CAN总线接口。
所述上位机软件对接口控制器进行状态初始化，包括下列步骤：第一步，设备检测信号及应答；第二步，设备合法性认证信号及应答；第三步，站点信息同步信号及应答；第四步，站点角色类型设定信号及应答；其中第一步和第二步操作顺序可以互换，第三步和第四步操作顺序可以互换。
所述的设备故障诊断信息可以是站点一个或多个RFID读写器和接口控制器的连接状态异常，也可以是站点人机交互终端和接口控制器的连接状态异常。
制器与上位机通讯，是通过CAN总线接口来实现。在加工流水线每个生产工位(以下称站点)上都安装一台控制器，流水线上全部的控制器和上位机都通过CAN总线接口接入同一条CAN总线，通过该条CAN总线上位机可以和流水线上每个站点的控制器进行通讯。
控制器除了具备CAN总线接口，还具备RFID读写器(以下简称读写器)接口和人机交互终端(以下简称终端)接口。读写器的功能是对加工流水线上传送的物料所贴RFID标签，进行加工工艺相关信息的读取或写入操作。终端的功能是允许流水线操作人员通过键盘进行加工工艺相关状态反馈或参数设定，并将该站点相应状态由液晶屏本地显示。
在流水线开始运行加工任务之前，要先由上位机监控软件对流水线每个站点的控制器进行初始化操作，设定控制器的状态，只有正确完成初始化操作的控制器才能运行正常加工任务。
控制器完成初始化操作后，流水线开始运行加工任务。流水线的操作人员通过终端向上位机进行登录请求，登录成功后可以通过终端进行与生产工艺流程控制相关的操作。操作人员对终端的全部操作信息，都由控制器按照一定格式的通讯信号发送给上位机，并根据上位机应答信号决定该站点的工作状态。控制器的工作状态决定该站点读写器的操作状态，也决定终端相应信息的显示。
在流水线运行加工任务的过程中，轨道上传送的物料都贴有RFID标签，物料由轨道传送经过某一站点的读写器天线识别区域时，读写器会根据控制器的状态设定对物料RFID标签信息进行读取或写入操作。读写器所读取的标签信息或信息写入结果会通过控制器以一定的数据格式发送给上位机。上位机监控软件根据读写器采集的物料RFID标签信息，结合流水线运行状态以及该站点的工作状态，对物料配送流向进行调度控制。
流水线运行时，控制器会实时检测该站点安装的读写器和终端连接状态是否正确，一旦发现读写器或终端连接状态不正确，则实时通过CAN总线接口向上位机发送相应出错提示信号，通知上位机该站点的控制器设备连接状态异常，不能继续工作；同时该站点终端液晶屏也会显示相应的出错提示。
本发明针对现有技术的问题，采用一种RFID读写器和上位机控制软件之间的硬件中间件设备——RFID接口控制器，可以实现离散制造业流水线现场RFID设备管理、协调，并通过标准的现场总线通讯接口和上位机控制软件进行通讯。RFID接口控制器会给RFID技术在离散制造业推广应用、提高行业信息化管理带来帮助。针对离散制造业的行业应用特点，RFID接口控制器和上位机之间的通讯需要约定一种有效的通讯方法，以实现上位机软件对流水线物料数据和操作信息的实时采集、监视和配送调度。
本发明可以有效解决控制器在流水线应用时与上位机监控软件的通讯交互问题，进而实现上位机监控软件对流水线每个站点读写器连接状态监测、终端连接状态监测、流水线所传送物料RFID标签的读取和写入、总线通讯状态监视、终端键盘操作信息获取。上位机监控软件根据控制器发送的信息进行处理后，驱动执行机构进行相应动作，对流水线物料配送的优化调度控制，实现加工流水线高效、信息化管理。
附图说明：
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1为RFID接口控制器的结构示意图。
图2为一条加工流水线RFID接口控制器和上位机连接的网络拓扑示意图。
图3为RFID接口控制器和上位机通讯协议帧格式。
具体实施方式
本发明中控制器与上位机通讯交互，是通过CAN总线接口来实现。在加工流水线每个站点都装有一台控制器，每个控制器具有一个CAN总线接口。对于上位机来说，要想和流水线上的控制器接入同一条CAN总线和控制器进行通讯交互，可以通过加装接口协议转换卡，将上位机原有的通讯接口转换成CAN总线接口来实现。实际应用中优先地，接口协议转换卡采用PCI-CAN卡，插入上位机的PCI插槽，引出标准的DB9针和CAN总线相连。一条加工流水线控制器和上位机连接的网络拓扑如图2所示。
根据ISO/OSI开放系统互联模型的7层协议结构，CAN总线协议只采用其中三层即：物理层、数据链路层和应用层。对于本发明中控制器和上位机之间的通讯方法来说，通讯协议的物理层遵循CAN总线标准规范ISO11898，通讯协议的数据链路层均按照CAN2.0协议规范的定义，而通讯协议的应用层则根据流水线的实际应用在下面具体描述。
流水线上每个工位安装一台控制器，同时安装一台终端和一定数量的读写器与之相连。每个站点安装读写器数量根据不同行业应用需求不同，可以是一台或多台，具体如服装加工行业流水线每个站点安装读写器数量为两台，一台安装于站点支轨道的进站口，另一台安装于站点支轨道的出站口。读写器的功能是对加工流水线上传送的物料所贴RFID标签，进行加工工艺相关信息的读取或写入操作。读写器究竟执行只读操作、只写操作还是既要读操作又要写操作，要根据不同的产品加工工艺流程来决定。有些加工工艺流程设定可以通过操作人员在上位机监控软件直接设定，上位机监控软件通过CAN总线发送信号给控制器改变其工作状态，再由控制器对读写器的操作进行控制。有些工艺流程的设定可以通过终端的按键操作来输入，然后通过控制器发送请求信号给上位机，上位机监控软件处理后，返回应答信号给控制器改变其工作状态，从而影响控制器对读写器操作的控制。
在流水线开始运行加工任务之前，要先由上位机监控软件对流水线每个站点的控制器进行初始化操作，设定控制器的工作状态，只有正确完成初始化操作的控制器才能运行正常加工任务。初始化的流程如下：
第一步，上位机监控软件先通过CAN总线向流水线上所有的控制器发送设备检测信号，控制器接收到上位机的设备检测信号后，向上位机返回设备检测应答信号。
由于CAN总线为短帧结构，每帧数据长度为0~8字节，本发明中每条通讯信号利用一个CAN数据帧来实现，信号格式定义如图3所示。每帧数据代表一条通讯信号的实现方式，有利于降低通讯处理的复杂程度，提高整个系统通讯的实时性。
按照上述通讯信号的格式定义，设备检测信号的内容为00 03 00 FF01 AA BB，其中前两个字节00 03表示信号发送的目的站点，这里表示信号要发送的控制器站点地址；第三和第四两个字节00 FF表示信号发送的源地址，这里表示上位机的站点地址；01为设备检测信号的命令类型，AA BB为命令内容。这里设备检测应答信号内容为00 FF 00 03 02AA BB，这里02表示设备检测应答信号的命令类型。
第二步，上位机监控软件对返回设备检测应答信号的控制器发送设备合法性认证信号，合法的控制器接收到上位机的设备合法性认证信号后，向上位机返回正确的设备合法性认证应答信号，如果是非法仿制的控制器不会返回正确的应答信号。
第三步，上位机监控软件对认证合法的控制器发送站点信息同步信号，将上位机保留的一些加工状态相关信息发送给控制器，决定控制器的工作状态。控制器接收到上位机的站点信息同步信号后，向上位机返回站点信息同步应答信号。
第四步，上位机监控软件对完成信号同步操作的站点进行角色类型设定，决定控制器在流水线工作运行中具备哪些特有功能。控制器接收到上位机的站点角色类型设定信号后，向上位机返回站点角色类型设定应答信号，然后控制器就进入流水线正常工作运行状态。
控制器接收到上位机每一步初始化操作的通讯信号，返回应答信号给上位机的同时，在该控制器相连接的终端液晶屏上显示相应的提示信息，供本地操作人员查看站点状态。
控制器完成初始化操作后，流水线开始运行加工任务，此时流水线的操作人员可以通过终端进行登录请求操作，控制器将登录请求信号发送给上位机并接收上位机返回的登录成功应答信号。登录成功后根据不同站点的角色类型，操作人员取得一定的操作权限，可以通过终端进行与生产工艺流程控制相关的操作，控制器会将操作人员在该站点终端的操作信息按照一定格式的通讯信号发送给上位机，并将根据上位机的应答信号决定该站点的工作状态，同时控制该站点读写器的操作状态，并在终端上显示相应操作的处理信息。具体对于服装加工流水线生产工艺流程相关操作包含：任务代码输入、含任务物料上线、物料工序加工完毕、物料加工质量检验、物料加工任务完成、送辅料请求等。
通过终端将流水线某一站点的工作状态设定后，流水线轨道上传送的物料都贴有RFID标签，物料经过该站点的读写器天线识别区域时，读写器会根据控制器当前状态设定对物料RFID标签信息进行读取或写入操作。读写器所读取的标签信息或信息写入结果会通过控制器以一定格式的通讯信号发送给上位机，上位机监控软件对该通讯信号内容进行解析，获取物料RFID标签信息，结合该站点的工作状态以及整个流水线的生产负荷等状况做出判断，并发出信号驱动执行机构动作，改变流水线轨道配置，影响物料下一步的传送目的流向，从而实现物料配送的实时监控和优化调度。
流水线长时间运行时，现场的控制器、读写器和终端设备可能会因为供电、通讯或其它故障导致不能正常工作，为了便于现场设备维护，本发明中定义了设备故障诊断机制。
首先，控制器会实时检测该站点安装的读写器和终端与其连接状态是否正确，一旦发现读写器或终端连接状态不正确，则实时通过CAN总线接口向上位机发送设备连接状态出错信号，通知上位机该站点的控制器是哪个设备连接状态异常，该站点不能继续工作，同时该站点终端液晶屏也会显示相应的出错提示。
其次，上位机每隔一段时间向流水线上全部站点发送设备连接状态查询信号，每一台控制器接收到设备连接状态查询信号后，立即向上位机返回设备连接状态查询应答信号，将该站点设备连接状态发送给上位机。如果上位机一定时间内不能接收到设备状态查询应答信号，则认为该站点控制器连接故障，不能继续工作。
流水线维护人员可以通过上位机或终端液晶屏的出错提示信息，对故障站点设备进行维修，故障排除后维护人员可以通过操作终端向上位机发送请求即可恢复工作。