0 引言

　　伴隨著我國經濟和物流行業(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也變得更加繁重。電子揀選器的出現(xiàn)取代了現(xiàn)場紙質訂單，將其安裝在貨物儲位的貨架上并與上位機(即PC機)進行通信，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行揀選作，實現(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、緊急訂單處理和補貨盤點通知功能。

　　目前，我國倉儲管理采用的電子揀選器大多選用RS-485總線通信技術，這種通信技術的突出缺點是：RS-485總線只能構成主從式結構網絡，網絡的實時性和可靠性較差;多個節(jié)點同時向總線發(fā)送數(shù)據(jù)時，會導致總線出現(xiàn)短路而損壞某些節(jié)點。相較之下，CAN總線具有實時性高和可靠性高，數(shù)據(jù)傳輸速率快等優(yōu)點，并且實現(xiàn)通信的硬件接口簡單、系統(tǒng)的可擴展性好。相較于掃描條形碼、二維碼等信息獲取方式，RFID(無線射頻識別)技術具有讀取信息快速便捷、可重復使用且使用壽命長、標簽數(shù)據(jù)可動態(tài)修改等特點。在歐盟等發(fā)達國家，RFID技術早已應用于圖書、零售業(yè)及檔案管理等物品種類和數(shù)量復雜繁多的場合。

　　基于CAN總線和RFID技術的明顯優(yōu)勢，設計一種基于CAN總線和RFID技術的電子標簽，將其應用于倉儲管理工作當中。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)的準確性和實時性，并且隨著RFID技術的加入，使得揀選作業(yè)更加準確、高效，使系統(tǒng)能夠應用于更加復雜的貨物管理中。

　　1 電子揀選器總體概述

　　1.1 CAN總線及RFID技術概述

　　CAN總線是一種支持分布式控制的串行口通信網絡，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，可實現(xiàn)多節(jié)點同時向總線發(fā)送數(shù)據(jù)，提高了網絡的可靠性和靈活性;(2)當節(jié)點發(fā)生持續(xù)數(shù)據(jù)錯誤時，該節(jié)點可自動關閉，不會對總線上其他節(jié)點的操作造成影響，提高了網絡的穩(wěn)定性。(3)CAN總線的通信介質為雙絞線，信號傳輸采用差分電壓方式，提高了抗干擾能力。

　　RFID是一項易于操控且適合于自動化控制的靈活性應用技術。

　　它的應用優(yōu)勢由以下幾點體現(xiàn)：(1)識別速度快，可實現(xiàn)批量識別;(2)數(shù)據(jù)容量大，標簽數(shù)據(jù)可動態(tài)修改;(3)應用范圍廣且具有良好的安全性。

　　條形碼識別技術每次只能掃描一個條形碼，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條形碼，與此相比，RFID讀寫器能夠同時識別多個電子標簽，實現(xiàn)貨物信息的批量識別，且當電子標簽進入讀寫器掃描范圍，即能夠透過紙張、木材和塑料等材質與讀寫器進行穿透性通信，提高了信息讀寫的效率。而CAN總線在傳輸數(shù)據(jù)時，每個數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)域最長為8字節(jié)，這種短幀傳輸時間短、受干擾率低，每幀都有位填充、CRC校驗等檢錯措施，且在數(shù)據(jù)發(fā)送期間丟失仲裁或者由于出錯而遭到的幀可自動重發(fā)。結合這兩種技術，使得系統(tǒng)具有更好的數(shù)據(jù)傳輸效率和數(shù)據(jù)檢錯糾錯能力。

　　1.2 電子揀選器工作原理概述

　　基于CAN總線與RFID技術的電子揀選系統(tǒng)由上位機作為主控機，由多個以MSP430單片機為微控制器的電子揀選器組成。根據(jù)倉庫貨物儲存的實際需要，將燒寫了ID號的電子標簽終端安裝在相應的貨架上，上位機根據(jù)訂單信息向電子揀選器發(fā)送相關命令和數(shù)據(jù)，相應的電子揀選器接收到上位機的命令和數(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信息。RFID讀寫器不斷發(fā)出電磁波，在揀選完畢后按下確認鍵時，對附著在貨物上的電子標簽按照上位機發(fā)來的指令進行貨物信息的修改，使得貨物的實際存儲情況能夠與數(shù)據(jù)庫的貨物信息相匹配。電子揀選器會將確認指令反饋至上位機，揀選作業(yè)完成，等待上位機的下一步指令。

　　2 電子揀選器的硬件設計

　　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成。如圖1所示為電子揀選器硬件結構框圖。

圖1　電子揀選器硬件結構框圖

　　2.1 MSP430

　　微控制器本設計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處理器。它具有更多的端口，擁有更好的功能擴展性，能使用戶實現(xiàn)具有更多功能的系統(tǒng)，同時也可減小系統(tǒng)實現(xiàn)的復雜程度。如圖2所示為MSP430最小系統(tǒng)結構框圖。

　　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)行時間，其采用的是16位的RISC結構，指令執(zhí)行時間只需150ns，是傳統(tǒng)單片機所不能比擬的;它有兩個串口通信模塊：USART0、USART1，這兩個串口都可以利用軟件設置為USART方式或SPI方式，能滿足用戶多機通 信 的 需 求;它 提 供 的 片 內FLASH為60KB，同時片內還提供較多的RAM，以便進行運算時處理。

圖2 MSP430最小系統(tǒng)結構框圖

　　2.2 RFID模塊設計

　　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簽中的貨物信息進行采集或修改，免去了紙錄作業(yè)的繁瑣。

　　2.2.1 RFID接口設計

　　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50mm，這取決于天線的長度和調諧。在此模塊的設計中采用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個引腳(MISO、MOSI、SCK、RST)來實現(xiàn)SPI接口電路。當MFRC522在與MSP430進行SPI通信時，MFRC522作 為從機：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 天線電路設計

　　RFID讀寫器通過天線電路向無源電子標簽發(fā)射電波并產生磁場，從而實現(xiàn)對貨物標簽內數(shù)據(jù)的讀寫操作。如圖4所示為天線電路設計原理圖。

　　微控制器通過RFID讀寫器對貨物信息進行讀寫時，天線的驅動是通過配置MFRC522內部相關寄存器，利用TX1和TX2引腳實現(xiàn)的。由于天線是低阻抗器件，與MFRC522芯片進行連接需設計匹配電路，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 天線電路設計原理圖

　　2.3 CAN總線模塊設計

　　實現(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總線驅動電路。

　　2.3.1 CAN

　　總線控制電路CAN總線控制器實現(xiàn)了CAN協(xié)議中最復雜的數(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應用電路是由時鐘電路、復位電路和模式選擇電路組成的，復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總線驅動電路

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

圖6 CAN總線驅動電路

　　2.4　其他模塊設計

　　2.4.1 供電電路

　　選用轉換效率為70%～88%之間的穩(wěn)壓芯片LM2576，將輸入的12V電壓轉換成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

　　本設計中的數(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，使用具有鎖存的功能的集成芯片74HC573實現(xiàn)對數(shù)碼管的驅動。

　　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行出入庫及盤點操作時，對貨物數(shù)據(jù)進行修改或反饋。

　　按鍵分為四部分：一個確認按鍵，在貨物管理結束時，作為最終確認按鈕;兩個操作按鍵，一個加鍵和一個減鍵，分別修改區(qū)號、列號、行號信息，配合確認按鍵使用;一個功能按鍵，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;一個硬件復位按鍵，在系統(tǒng)出現(xiàn)錯誤時進行復位。三色燈的作用是當下位機接收到上位機發(fā)送來的揀選命令時，對所執(zhí)行的命令的內容進行提示，引導倉庫操作人員快速準確的到達揀選位置。三色燈分為紅、綠、藍三色，分別代表出庫命令、入庫命令和盤點命令。

　　3 電子揀選器的軟件設計

　　軟件設計中首先要對一些位的定義及微控制器進行初始化操作，初始化結束后判斷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行上電自檢，并對上電檢測回復的數(shù)據(jù)進行賦值校驗，賦值結束后向上位機發(fā)送檢測數(shù)據(jù)，然后接收上位機發(fā)送的數(shù)據(jù)并進行校驗，校驗成功就進入指令周期執(zhí)行命令(出庫命令、入庫命令、盤點命令等)，校驗失敗則進行判斷是否發(fā)送錯誤命令，重新接收上位機發(fā)送的數(shù)據(jù)再進行校驗，直到校驗成功進入指令周期執(zhí)行命令，并將執(zhí)行后的數(shù)據(jù)顯示在數(shù)碼 管，執(zhí)行結束后重新接收上位機發(fā)送的命令。

　　指令周期內上位機對電子揀選器的操作流程圖及電子揀選器對電子標簽的操作流程圖如圖7、圖8所示。

圖7 上位機對電子揀選器的操作流程

圖8 電子揀選器對電子標簽的操作流程

　　4 結束語

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