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基于Cortex-A9的車間生產(chǎn)過程跟蹤管控終端設計

2017年電子技術應用第2期

毛亞青1，張立1，黃凱2，俞嘯1

1.徐州醫(yī)科大學醫(yī)學信息學院，江蘇徐州221000；2.江蘇徐工信息技術股份有限公司，江蘇徐州221000

摘要： 隨著智能制造的發(fā)展，車間自動化水平已經(jīng)有了較大提高，如何實現(xiàn)生產(chǎn)過程及生產(chǎn)要素的實時跟蹤、管控與協(xié)調，是進一步提高生產(chǎn)效率所面臨的問題。系統(tǒng)設計了基于Cortex-A9與Android的車間制造過程跟蹤與管控終端，選用三星Exynos 4412處理器，配合電源、存儲、總線控制等芯片完成終端硬件設計，通過Linux系統(tǒng)及Android系統(tǒng)平臺的構建，底層設備驅動程序的開發(fā)、移植和Android應用程序的設計，完成終端軟件設計。實現(xiàn)對生產(chǎn)訂單、設備、人員、生產(chǎn)過程的實時跟蹤與管控，系統(tǒng)具有硬件接口豐富、人機界面友好、實時性高、適用范圍廣等優(yōu)點。

關鍵詞： Linux Android 機床聯(lián)網(wǎng) 精益生產(chǎn) 智能制造

中圖分類號： TB492；TP212；TP391
文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2017.02.015
中文引用格式： 毛亞青，張立，黃凱，等. 基于Cortex-A9的車間生產(chǎn)過程跟蹤管控終端設計[J].電子技術應用，2017，43(2)：65-68.
英文引用格式： Mao Yaqing，Zhang Li，Huang Kai，et al. Design of workshop production process tracking and control terminal based on Cortex-A9[J].Application of Electronic Technique，2017，43(2)：65-68.

Design of workshop production process tracking and control terminal based on Cortex-A9

Mao Yaqing1，Zhang Li1，Huang Kai2，Yu Xiao1

1.School of Medicine Information，Xuzhou Medical College，Xuzhou 221000，China； 2.XUGONG Information Technology Co.，Ltd.，Xuzhou 221000，China

Abstract： With the development of the intelligent manufacturing, workshop automation level has been greatly improved. It is the faced problem that how to constantly track, control and coordinate production process and production elements to further improve the production efficiency. Based on Cortex-A9 and Android, this system has designed the tracking and control terminal of workshop manufacturing process. The design of terminal hardware has been designed based on Samsung Exynos 4412 with power supply, memory and bus control chips. By building Linux and Android system platform, developing device drivers and writing Android applications, the terminal software has been designed. The system realizes constantly tracking and controlling the production orders, equipment, personnel and production process. The system has advantages of rich hardware interface, friendly interface, high real-time and broad range of applications.

Key words : Linux；Android；machine tool network；lean manufacturing；intelligent manufacturing

0 引言

智能制造是全球制造業(yè)變革的重要方向，近年發(fā)展迅速，目前美國、德國、日本等工業(yè)強國走在世界前列。我國正在加快步伐，深入實施《中國制造2025》^[1]，推進信息技術與制造技術深度融合。為搶占市場，國內外的相關組織開始著手智能制造平臺的設計與研發(fā)。美國通用動力為軍工企業(yè)研制了基于RFID射頻技術的“生產(chǎn)物料管理系統(tǒng)”；浙江大學研制了集RFID數(shù)據(jù)、數(shù)控機床運行參數(shù)、質檢臺數(shù)據(jù)等在內的“離散制造車間數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)”；上海交通大學設計了基于條形碼技術的“信息采集系統(tǒng)”；武漢科技大學搭建了基于RFID和ZigBee技術的“MES數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)”^[2]。

當前車間自動化、信息化的主要研究集中在車床數(shù)據(jù)的采集和單臺設備的管理，存在數(shù)據(jù)分散、人機界面不友好、與生產(chǎn)業(yè)務結合度差等問題。部分系統(tǒng)中采用了基于Android平板的車間現(xiàn)場終端，但存在普適性差、硬件定制性差、機床聯(lián)網(wǎng)考慮不足的問題。為解決上述問題，本文設計并研制了基于ARM Cortex-A9的車間生產(chǎn)過程跟蹤與管控終端，提供各種通信總線接口，搭載Android系統(tǒng)，能夠提供生產(chǎn)過程信息感知、機床設備接入、友好用戶交互界面、實時在線管理等服務，滿足對車間生產(chǎn)過程跟蹤、協(xié)調及管控的需要。

1 系統(tǒng)整體設計

系統(tǒng)整體框架如圖1所示，包括車間終端、移動端、PC端、服務器等。選用工業(yè)以太網(wǎng)與WiFi網(wǎng)絡作為車間現(xiàn)場主干網(wǎng)絡^[3]，車間終端集成了生產(chǎn)業(yè)務，并預留了工業(yè)現(xiàn)場常用標準通信接口，能夠兼容各類生產(chǎn)設備，采集現(xiàn)場生產(chǎn)數(shù)據(jù)與設備參數(shù)，與此同時，還能實現(xiàn)與現(xiàn)場ZigBee、藍牙等無線網(wǎng)絡的對接；PC端與移動端主要實現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的維護、生產(chǎn)過程的管理、人員管理、生產(chǎn)數(shù)據(jù)報表的生成等；服務器實現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)、設備參數(shù)等各類信息的存儲、管理、推送、應用。

2 系統(tǒng)功能設計

系統(tǒng)包括PC端、服務器、移動端與車間終端，總體功能包括：基礎數(shù)據(jù)維護、生產(chǎn)模塊、生產(chǎn)統(tǒng)計報表、考勤功能、設備管理、質量管理、權限安全，如圖2所示。

3 車間終端硬件設計

車間終端由主處理器、電源管理模塊、WiFi模塊、以太網(wǎng)模塊、藍牙模塊、RFID模塊、通信接口及相關驅動電路等構成^[4-6]。車間終端的硬件框架如圖3所示。車間終端主處理器模塊選用Samsung公司的Exynos 4412芯片，終端擴展了內存與固態(tài)存儲以提高整體的性能，同時，擴展通信接口、采集生產(chǎn)信息與設備參數(shù)并通過以太網(wǎng)與WiFi網(wǎng)絡轉發(fā)到服務器；觸摸屏、LCD與矩陣鍵盤可供現(xiàn)場工作人員查看生產(chǎn)、設備等信息并進行相關業(yè)務操作；通過RFID射頻模塊實現(xiàn)讀卡鑒權功能。

3.1 主處理模塊

主處理器采用Samsung的Exynos 4412作為主處理芯片，4個Cortex-A9的內核，主頻為1.6 GHz，可用管腳有320個，具有9路DC/DC和28路LDO輸出電源，擴展2 GB雙通道DDR3內存，16 GB EMC固態(tài)存儲，具備SPI、USB、I²C、RS485、RS232、DMA等接口，穩(wěn)定性強，可靠性高，能適用于對接口、性能、處理能力、穩(wěn)定性、數(shù)據(jù)存儲要求較高的車間現(xiàn)場應用場景^[7]。

3.2 電源管理模塊

車間終端電源管理部分采用MP2012DQ芯片，輸入電壓范圍為2.7 V～6 V，輸出可調電壓范圍在0.8 V～4.8 V，最大關機電流為1 μA，該電源芯片的效率高達95%，100%占空比的低壓差應用，1.2 MHz固定開關頻率，穩(wěn)定的低ESR陶瓷輸出電容器，支持熱關機、逐周期過流保護、短路保護等。適用于嵌入式智能終端設備。驅動電路如圖4所示。

3.3 RFID模塊

通過RFID射頻模塊實現(xiàn)車間生產(chǎn)過程跟蹤與管控系統(tǒng)中的鑒權機制，RFID射頻模塊采用RC522芯片^[8]。該芯片是應用于13.56 MHz非接觸式通信中高集成度的讀寫卡芯片，完全集成了在13.56 MHz下所有類型的被動非接觸式通信方式和協(xié)議，支持14443A兼容應答器信號，數(shù)字部分支持ISO14443A幀和錯誤檢測；此外，還支持快速CRYPTO1加密算法，它與主機間通信采用SPI模式，雙向數(shù)據(jù)傳輸速率高達424 kb/s，數(shù)據(jù)傳輸速率最大10 Mb/s；該芯片的工作電流13 mA～26 mA/直流3.3 V，支持mifare1 S50、mifare1 S70、mifare UltraLight、mifare Pro、mifare Desfire等類型的射頻卡；具有低電壓、低成本、體積小的優(yōu)勢。射頻卡模塊的電路如圖5所示。

3.4 通信接口

車間終端預留了工業(yè)現(xiàn)場常用的通信接口，支持CAN總線、RS485、RS232、USB等接口。豐富的工業(yè)現(xiàn)場通信接口便于實現(xiàn)與車間機床、設備的數(shù)據(jù)交互，增強了車間終端的兼容性與擴展性。RS485通信采用的芯片為MAX13085EESA，該款芯片支持RS422與RS485通信協(xié)議，工作電壓為4.5 V～5.5 V，具有1個驅動器與1個接收器，數(shù)據(jù)速率高，全雙工的工作方式^[9，10]。圖6所示為RS485接口電路圖。

3.5 以太網(wǎng)/藍牙/WiFi

車間終端支持以太網(wǎng)、藍牙、WiFi等網(wǎng)絡通信協(xié)議，并為工業(yè)現(xiàn)場的ZigBee、3G/4G等無線網(wǎng)絡預留了接入接口。以太網(wǎng)模塊采用的芯片為DM9621NP芯片，該芯片支持IEEE802.3u 100BASE-TX和IEEE802.310Base-T標準，支持IEEE802.3x流量控制功能的100BASE-TX和10BaseT，支持以太網(wǎng)Link/Act指示，支持以太網(wǎng)速度（10 M/100 M）指示，內置3.3 V～1.8 V穩(wěn)壓器，10個10/100 Mb/s快速以太網(wǎng)PHY自動MDIX，兼容5.0 V寬容的I/O。

藍牙與WiFi通信部分采用MT6620芯片，該款芯片同時支持WiFi通信與藍牙通信功能。MT6620為WiFi/藍牙調頻發(fā)射接收功能組合模塊，具有自動校準功能，支持WiFi 802.11b/g/協(xié)議，支持WiFi SDIO2模式^[11-12]。

4 車間終端軟件設計

車間終端軟件首先進行Linux系統(tǒng)及Android系統(tǒng)平臺的構建，根據(jù)車間生產(chǎn)和業(yè)務需求完成底層設備驅動程序的開發(fā)、移植及Android應用程序的設計^[13-14]。在以太網(wǎng)、WiFi等網(wǎng)絡的基礎上完成數(shù)據(jù)的傳輸，實現(xiàn)對生產(chǎn)訂單、設備、人員、生產(chǎn)過程的實時跟蹤與管控。圖7為車間終端軟件部分功能界面效果圖。

4.1 Android系統(tǒng)平臺構建

車間終端軟件系統(tǒng)采用Android操作系統(tǒng)，通過Linux操作系統(tǒng)、中間件、用戶界面、應用軟件等模塊構成其操作平臺。Android系統(tǒng)的結構框架，按照從上到下的順序分別為：應用程序(Application)、應用程序框架(Application Framework)、程序庫(Libraries)、Android 運行環(huán)境(Android Runtime)、Linux核心層(Linux Kernel)。車間終端運行的Android操作系統(tǒng)以Linux2.6.30版本的內核作為核心，并搭配了函數(shù)程序庫、運行環(huán)境以及應用程序框架，用以開發(fā)Android的APP 應用程序。

4.2 Linux驅動層開發(fā)

要實現(xiàn)Android上層應用對底層顯示、通信接口、總線接口、輸入接口等設備的訪問，首先需要完成Linux底層驅動程序的開發(fā)與移植。驅動程序中首先需要定義設備驅動程序類型，然后編寫初始化函數(shù)，實現(xiàn)驅動程序在內核中的注冊和相關硬件資源的申請，定義相關的硬件接口操作方法，實現(xiàn)文件操作方法，為應用層訪問硬件層提供統(tǒng)一的文件操作接口。對于LCD、WiFi、以太網(wǎng)卡這類通用設備，開發(fā)商和Linux內核中提供了驅動源碼及總線接口，需要完成驅動程序的移植和配置工作；對于RC522、觸摸屏、矩陣鍵盤、CAN控制器這類定制外設需要自己編寫相關的硬件初始化操作方法，接入相應總線，并設計文件訪問接口，完成驅動程序的開發(fā)工作。為了更好地滿足車間終端特殊操作、管控體系、權限控制的需要，在Linux驅動層設計中，對Linux及Android驅動層的Input子系統(tǒng)進行調整，提高了Android應用對Input設備的管理權限，實現(xiàn)了Input子系統(tǒng)的跨層傳遞機制，如圖8所示。

4.3 JSON通信機制

系統(tǒng)軟件的通信方式為JSON(JavaScript Object Notation)。JSON是一種輕量級的數(shù)據(jù)交換格式，易于閱讀和編寫，同時也易于機器解析和生成。它提供了一種優(yōu)秀的面向對象的方法，以便將元數(shù)據(jù)緩存到客戶機上，幫助分離驗證數(shù)據(jù)和邏輯，使用JavaScript解析XML時需要層層解析，不能快捷獲取計算所要使用的數(shù)據(jù)，而JSON能被很好地解析。系統(tǒng)在進行通信設計時對標準的JSON格式進行了優(yōu)化，數(shù)據(jù)量減少了一半。

5 結論

系統(tǒng)完成了車間生產(chǎn)過程跟蹤與管控終端的設計與研制，配合移動端、PC端、服務器的開發(fā)，完成了生產(chǎn)車間的訂單、設備、人員、質量的跟蹤與管控。車間終端實現(xiàn)了生產(chǎn)、設備、質量等數(shù)據(jù)的采集，生產(chǎn)相關信息的實時上傳與下達，生產(chǎn)過程信息的統(tǒng)計與分析。具有高實時性、在線管控、人機界面友好、生產(chǎn)業(yè)務聯(lián)動、交互性強、適用范圍廣等優(yōu)勢，系統(tǒng)下一步將研究如何根據(jù)采集的生產(chǎn)、設備等數(shù)據(jù)，進一步優(yōu)化生產(chǎn)業(yè)務流程、減人增效，提高設備的利用率，從而提升車間生產(chǎn)過程的智能化與信息化水平。

參考文獻

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