（计算机应用技术专业论文）电子标签辅助拣货系统的初步设计与研究.pdf

摘要 本课题主要研究了物流自动化领域辅助拣货系统实现的一些理论、方法技 术，包括：r s 4 8 5 总线的理论、技术标准，网络通信原理，单片机应用系统的组 成原理，数据非易失性存储技术，单片机人机交互技术，以及p c 机的串口通信 理论和方法，p c 机的w i n d o w s 应用程序开发技术，数据库设计技术等。提出了 自定义的通信协议，初步设计了一套以4 8 5 网络为基础的辅助拣货系统。该系统 利用4 8 5 网络进行远距离通信，组成一个单主多从的通信网络，实现控制p c 机 和众多终端电子标签的通信，通信方式为主从半双工通信方式，网络通信协议采 用数据包的形式，增加了数据包的校验和数据包的重发机制，能够满足系统通信 可靠的要求，同时充分利用了单片机串口通信特点，降低数据包的字节数，减少 通信量。 研究过程中，充分采用了模块化设计思想和自顶向下设计方法，利用先进 的编程工具和编程语言完成系统软件开发。整个研究设计过程经历了系统方案的 设计，系统软硬件的设计，以及系统测试几个阶段。 通过本课题的研究，初步构建了一套以4 8 5 网络为基础的辅助拣货系统， 目前已具有电子标签的管理控制功能和一定的订单处理功能，表现出灵活性较 强、适应性好的特点，随着该系统的进一步完善和成熟，在物流自动化领域会有 良好的应用前景。同时该系统模型及其4 8 5 网络基础在其他领域也有一定的适用 性，如：远距离通信、分布式控制等。 关键词：r s 4 8 5电子标签串行通信通信协议 a b s t r a c t t h et h e s i sm a i n l ys t u d i e st h e o r i e s ，m e t h o d sa n dt e c h n o l o g i e si nt h ef i e l d so f a u t o m a t i o no fg o o d sf l o w ，i n c l u d i n gt h ef o l l o w i n g ：t h e o r ya n dt e c h n o l o g i cc r i t e r i o n o fr s 4 8 5b u s ，c o m m u n i c a t i o nt h e o r yo fn e t w o r k , t h ec o n s t i t u t i o na n dt h e o r yo f s i n g l e c h i ps y s t e m ，n o n v o l a t i l es t o r i n gt e c h n o l o g yo fd a t a , m a n m a c h i n ei n t e r a c t i v e t e c h n o l o g yo fs i n g l e c h i p ，懿w e l la st h et h e o r ya n dm e t h o do fc o m m u n i c a t i o nw i t h s e r i a lp o r ti np c ，t e c h n o l o g yo fd e v e l o p i n gw i n d o w sa p p l i c a t i o n , t h et e c h n o l o g yo f d e s i g n i n gd a t a b a s e ，e t c a n da ne l e m e n t a r ya s s i s t a n ts y s t e mo fg o o d sp i c k i n g i sb u i l t i nt h es y s t e mw ec a r r yo u tf a rd i s t a n c ec o m m u n i c a t i o nb y4 8 5 ，f o r mac o m m u n i c a t i o n n e t w o r kw h i c hh a so n eh o s ta n dm a n ys l a v em a c h i n e s ，b ym e a n so ft h en e t w o r kt h e c o n t r o l l i n gp cm a c h i n ec o m m u r g c a t ew i mm a s se l e c t r o n i cl a b e l s m a s t e r - s l a v ea n d h a l f - d u p l e xc o m m u n i c a t i o ni su s e di nt h en e t w o r k ，a n dt h ef o r mo fd a t ap a c k e ti s a d o p t e di nc o m m u n i c a t i o n c h e c k i n ga n dr a s e n d i n gm e c h a n i s mo f d a t ap a c k e ti su s e d f o rr e a l i z a t i o no fr e l i a b l ec o m m u n i c a t i o ni nt h es y s t e m a tt h es a m et i m et h e c o m m u n i c a t i o n a d v a n t a g e o fs i n g l e c h i p s s e r i a lp o r t i s f u l l y t a k e ni nt h e c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l ，s e q u e n t i a l l yt h eq u a n t i t yo fb y t ei nd a t ap a c k e ti sr e d u c e d ， t h ea m o u n to f d a t ai nc o m m u n i c a t i o ni sd e c r e a s e d ，t o o i nt h er e s e a r c ho ft h et h e s i s ，w em a k et h em o s to fm o d u l a r i z a t i o nd e s i g ni d e a a n dm e t h o do fd e s i g nf r o mt o pt ob o t t o m ，u s ea d v a n c e dp r o g r a m m i n gt o o la n d p r o g r a ml a n g u a g et od e v e l o ps o r w a r eo ft h es y s t e m t h ew h o l er e s e a r c ha n dd e s i g n h a sc o m et h r o u g ht h ef o l l o w i n gs t a g e s ：d e s i g no fs y s t e ms c h e m e ，d e s i g no fh a r d w a r e a n ds o f t w a r e ，a n ds y s t e mt e s t a f t e rt h er e s e a r c ho ft h et h e s i s ，w ee l e m e n t a r i l yb u i l du pas u i to fa s s i s t a n t s y s t e mo fg o o d sp i c k i n g ，n o wt h es y s t e mh a st h ef o l l o w i n gf u n c t i o n s ：m a n a g i n ga n d c o n t r o l l i n ge l e c t r o n i cl a b e l s ，p r o c e s s i n go r d e r st os o m ee x t e n t t h es y s t e mi s i i c h a r a c t e r i z e db yh i g hf l e x i b i l i t ya n dg o o da d a p t a b i l i t y w i t ht h ep e r f e c t i o n a n d m a t u r i t yo ft h es y s t e m ，i tw i l lh a v eag o o df u t u r ei nt h ea u t o m a t i o n o fg o o d sf l o w a t t h es a m et i m e ，t h es y s t e mm o d e la n dt h ef o u n d a t i o no f4 8 5n e t w o r k c a l la l s oa p p l yi n o t h e rf i e l d s s u c ha sf a rd i s t a n c ec o m m u n i c a t i o n ，d i s t r i b u t e dc o n t r o l l i n g ，e t c k e y w o r d s ：r s 4 8 5 ，e l e c t r o n i cl a b e l ，s e r i a lc o m m u n i c a t i o n ，c o m m u n i c a t i o n p r o t o c o l 1 1 1 昆明理工大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下( 或 我个人) 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内 容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成 果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：五华 日期汐婿 厂月罗日 关于论文使用授权的声明 本人完全了解昆明理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅，学校可以公布 论文的部分或全部内容，可以采用影印或其他复制手段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守) 导师签名：一一一叠：望蕉论文作者签名：一兰芏 日期：妒噼石月占日 1 1 本课题研究的意义 第一章绪论 电子商务是通过因特网进行商务活动的新模式，它集信息流、资金流、物流 为一身。物流虽然包含在电子商务之中，但是人们对电子商务过程的认识却往往 只局限于信息流、资金流的电子化、网络化，而忽略了物流的电子化、信息化过 程。在电子商务中，物流系统的运作效率高低已成为电子商务成功与否的关键因 素。大力发展现代物流，实现物流领域的信息化，企业可以进一步降低交易成本， 使得货物运输配送更快捷、高效，从而实现更多的经济效益与社会效益。 在物流配送中心，拣货作业是最繁重，也是最易出错的工作。传统的拣贷作 业中，拣货人员是根据拣货单上的数据进行拣贷，工作量大，效率低，而且易出 错；同时，在管理上造成许多不便，使管理效率降低。因此，为提高物流系统的 运行效率，实现物流系统的现代化、信息化，实现物流系统与其他商务系统的接 轨，有必要对传统的物流作业模式进行改造，融入现代的电予信息技术。 电子标签辅助拣货系统就是一种提升传统物流作业质量和提高传统物流作 业效率的有效方式。该系统的基本工作原理为：控制p c 机产生订单，并通过网 络传送到作业现场的电子标签，工作人员只需按电子标签上显示的数据取货，完 成后按下确认键即可，减轻了工作人员的劳动强度，提高了工作效率，实现了作 业的无纸化。熬个过程由计算机进行实时监控，不仅速度大大提高，正确率也很 高，而且可方便整个物流信息系统的管理和维护。 电子标签辅助拣货系统在鹾方发达国家是一项发展较快的技术，目前已有 较成熟的硬软件系统。如日本a i o i ( 爱鸥) 系统株式会社的物流电子标签及通信系 统，该系统的技术核心基于t w ( 两线) 系统，涉及专利封装芯片及专利核心技 术。国内在这个领域是刚刚起步，部分公司和研究机构在从事这方面的研究和设 计，但主要集中在广州、上海等经济较发达地区，且多为引进技术，成本较高， 价格较贵。因此，设计一套完整的具有自主知识产权的电子标签辅助拣货系统， 是有必要的。 此外通过本课题的研冤，建立起的系统梗型欲其4 8 5 网络基础在其他领域 也有一定的适用性，如：远距离通信、分布式控制等。 1 2 本课题研究内容 1 国内外电子标签辅助拣贷系统的发展情况，系统原理，系统组成，通信 控制方式，软硬件设计及使用效果等； 2 单片机应用系统的结构组成、工作原理及应用，包括显示、键盘输入等 人机交互技术。单片机以5 l 系列为主。 3 通信理论与通信控制： r s 2 3 2 、r s 4 8 5 串行通信和相互转换； 多单片机通信技术： p c 机与多单片机的远距离通信，主从式控制； 4 软件设计，包括基于b o r l a n d 公司的c + + b u i l d e r 软件平台的控制p c 机应用程序开发，以及k e i lc 5 1 软件的单片机程序开发。 1 3 本论文的主要内容 第一章，简要介绍本课题研究的意义和研究的主要内容。 第二章，对国内外电子标签辅助拣贷系统的研究和应用情况作简要介绍， 重点介绍了日本a i o i ( 爱鸥) 公司的t w 系统和上海上尚公司的a b l e p i c k 系统； 然后介绍本课题中设计的电子标签辅助拣货系统，包括系统方案的形成，系统的 组成结构特点。 第三章，介绍了本课题中电子标签组成结构和工作原理，详细介绍以下组 成部分：m c u 部分，m c u 部分是电予标签的控制中心，此部分由单片机构成；通 信部分，此部分由4 8 5 完成：人机交互部分，此部分完成电子标签的人机交互功 能；掉电保护部分：声光部分；电源部分。 第四章，介绍了电子标签软件的开发，电子标签软件开发主要是单片机的 编程，包括单片机资源的使用和单片机对外围器件的控制，使用的开发工具为 k e i lc 5 1 。 第五章，上位机系统开发设计，上位机系统是整个系统的管理控制中心， 2 主要由两大部分组成：一部分为电子标签的管理与控制；另一部分为订单的生成 与处理，同时在这章中还介绍了使用b o r l a n d 公司的c + + b u i l d e r 进行系统开发 时的一些方法和技术。 第六章，系统的通信设计，介绍了系统通信设计的整体思想，以及通信设 计的具体内容，包括通信协议的定义，并在附录中详细介绍了本系统通信中使用 的操作命令。 第七章，介绍了整个系统测试结果，包括实验所使用的软硬件设备，并重 点介绍了目前该系统所具有的功能和特点。 第二章电子标签辅助拣货系统 2 1 电子标签辅助拣货系统简介 早在20 世纪70 年代，西方发达国家即已开始应用物流配送系统，并在 9 0 年代普遍应用。物流配送系统，尤其是自动化物流配送系统的发展和应用， 从技术方面讲，主要得益于两方面技术的快速发展：其一是微电子技术的发展， 即计算机技术、自动控制技术、数字识别技术、光电技术等；其二是计算机软件 技术的发展，主要是数据库技术、网络技术和信息系统技术等，这两者构成了所 谓的软硬件支持环境。随着物流配送系统的自动化，电予标签辅助拣货系统也就 诞生了，它也是物流系统无纸化的基础技术。当然，电子标签辅助拣货系统只是 物流配送自动化系统的一部分，它结合其他现代物流技术，如自动化立体库系统、 自动化输送系统、计算机技术及网络技术，共同形成现代物流系统。 电子标签辅助拣货系统通常是由控制p c 机、系统网络、电子标签三部分组 成，其工作过程一般为控制p c 机将客户订单中的商品数量通过系统网络传输到 仓库货架上的对应电子标签显示，并提示拣货人员拣取相应数量的商品，拣货人 员完成拣货后按下确认键即可，货物由自动传输系统运走，这样一次拣货任务就 告结束。该系统的应用，可简化作业过程，降低劳动强度，提高工作效率，提高 拣货正确率；同时，可减少拣货人员的需求数量，加快新手的熟练进度。 2 2 国内外研究设计与应用现状 2 2 1 国外研究与应用现状 国外辅助拣货系统研究方面开始得比较早，比较典型的是日本爱鸥公司【4 1 的 l p i c k 辅助拣货系统。该系统由p c 机、连接盒、电子标签组成，采用t w 两 4 线制电子标签。 1 、系统特点 2 1 ： ”t w “意指”t w ow i r e s ”，只须供给两芯信号给电子标签，简化配线，为独 家特色。 采用高亮度l e d ，轻松易辨，而且可视角近1 8 0 度，使用者不需行走至 设备正前方即可辨识。 采用大面积设计的确认按钮，方便使用者碰触，操作快速。 误按取消功能、确保正确。 确认按键内部为双按键设计，倘若其中一组故障，另一组即可发生作用， 使系统运作不受影响。 于正常使用状况下，按键寿命3 0 0 万次以上。 提供各种接口以连接条形码扫描机、旋转塔形灯、标签打印机。旋转塔 形灯可用来表示区间作业状态。 采用先进信号合成技术，通讯信号搭载于电源波形上，利用不锈钢导轨 传输电源及数据信号，配线只须两芯，简化配线成本。 系统提供标签异常警示功能，操作人员可迅速得知错误发生货位。 传输速率高达3 8 ，4 0 0 b p s 。 扩充性：一部个人计算机可控制3 2 台连接盒，每台连接盒可控制1 6 0 个 电子标签，因此每台个人计算机总共可控制5 ，1 2 0 个电子标签。 使用温度3 0 至+ 5 0 ，除常温环境外，本电子标签亦可运作于冷 冻、冷藏、潮湿等特殊环境。 安装容易，可适用于客户既有货架。 可依用户需要重新拆装使用，施工方便。由于用户有时须调整货位以提 高拣货效率，t w 此项产品优点极适合拣货业者实际需求。 同一货架，如须增加电子标签，不须配线，直接插入于c 型槽架即可。 不用关闭电源即可直接更换电子标签，迅速完成设定，系统照常运作。 2 、软件主要功能： 作业模式 可分别针对摘取式( p i c k i n gt y p e ) 拣货及播种式( a s s o r t i n g t y p e ) 分货系统设计。摘取式拣货中一个电予标签代表项产品，并且以 一张订单为一次处理单位，订单中的订货商品所代表的电子标签会亮起， 拣货人员依照灯号与数字的显示将货品自货架上取出。播种式分货系统 中每一个电子标签所代表的是一个订货厂商或是一个配送对象，亦即一 个电子标签代表一张订单，以品项为一次处理单位，拣货人员先将货品 的应配总数取出。电子标签会将由订购此项产品的厂家所代表的电子标 签点亮，工作人员依电子标签的指示进行配货工作。 订单输入 在主从数据库系统下自w m s ( 仓库管理系统) 服务器下载订单； 紧急插单。 拣货 根据订单内容控制储位上之电子标签，引导拣货员拣货； 利用电子标签作缺货通知； 拣完一区后可利用电子标签再次显示数量； 拣货作业进度监控：作业完成率显示、区段作业状态显示、订单进度追 踪。 出货：复核及出货单打印。 此外还有一些辅助功能，如储位管理、客户管理、设备状况监控。 2 2 2 国内研究应用现状 国内在辅助拣货系统领域的研究起步较晚，主要集中在沿海经济较为发达 的区域，且多为引进技术。如上海上尚公司的a b l e p i c k 电脑辅助拣选系统| 3 】。 上海上尚公司的a b l e p i c k 电子辅助拣货系统是一套安装在货物储位上的 电子装置，由电脑上安插的一片界面卡连接并控制这些电子装置，借由灯号与数 字显示引导拣货人员快速、准确、轻松地完成拣货工作。a b l e p i c k 系统有两 种不同的应用模组：摘取式系统、播种式系统具有弹性控制拣货作业流程、即 时现场监控、紧急订单处理和缺货通知等强大的功能，同时它能够： 有效地提高拣货速度，使用a b l e p i c k 后的拣货速度t e 使用前提高 3 0 至4 0 ： 降低拣货差错率，使拣货的正确率达到9 9 以上； 6 实现拣货现场无纸化作业，可以比表单作业提高效率4 0 以上： 连接各种外围设备，如条形码扫描仪。 a b l e p i c k 是以q w a y 作为现场资料收集的网络系统，q - w a y 具有下 列几项优点： 分散式资料处理，转换器能收集电子标签上传送的信息并做部分前端处 理工作，分散电脑c p u 的负荷，增加系统的效率； 传输速度快，由于q w a y 使用r s 4 8 5 与s d l c 的通讯协议，传输速 度高达6 2 5 k b p s ，且远距离传输能力佳： 连接点多，单一部电脑可以连接1 6 0 ，0 0 0 个电子元件。系统弹性大， 且扩充性好： 稳定性高，符合工业级规格可以抗电突变干扰，系统传输品质稳定：可 连按多种设备，转换器可以连接条形码读取器、光笔、p l c 等各种输出、 入设备。 2 3 本课题中设计的电子标签辅助拣货系统简介 2 3 1 系统方案的选择 针对控制p c 机到仓库问的通信方式，有三种方案可供选择，各方案示意 图如图2 1 ： 实现拣货现场无纸化作业，可以比表单作业提高效率4 0 以上； 连接各种外围设备，如条形码扫描仪。 a b l e p i c k 是以q - w a y 作为现场资料收集的网络系统，q w a y 具有下 列几项优点： 分散式资料处理，转换器能收集电子标签上传送的信息并做郝分前端处 理工作，分散电脑c p u 的负荷，增加系统的效率； 传输速度快，由于q w a y 使用r s 4 8 5 与s d l c 的通讯协议，传输速 度高达6 2 5 k b p s ，且远距离传输能力佳； 连接点多，单一部电脑可以连接1 6 0 ，0 0 0 个电子元件。系统弹性大， 且扩充性好： 稳定性高，符合工业级规格可以抗电突变干扰，系统传输品质稳定；可 连接多种设备，转换器可以连接条形码读取器、光笔、p l c 等各种输出、 入设备。 2 3 本课题中设计的电子标签辅助拣货系统简介 2 3 1 系统方案的选择 针对控制p c 机到仓库问的通信方式，有三种方案可供选择，各方案示意 针对控制p c 机到仓库问的通信方式，有三种方案可供选择，各方案示意 图如圈2 1 ： 方案一； 图2 1 控制p c 机到仓库间的通信方式三种方案 通信总线方案比较 1 r s 一4 8 5 总线网络【l o 】 r s 一4 8 5 串行通信接口标准是r s 一4 2 2 标准的改进增强版本。r s 一4 8 5 标准兼 容了r s 一4 2 2 且技术性能更加先进。它采用平衡差分传输技术，即每路信号都使 用双端以地为参考的正负信号线，即d + ，d 一，o n d 两线多点半双工通信。从理 论上讲，对共模信号的抑制比为无穷大，可有效防止噪声信号干扰，可进行远距 离恶劣环境多点串行通信、控制，因而在工业中获得了广泛的应用。r s 一4 8 5 以 9 6 0 0 b p s 通信时距离可达5 0 0 0 米，通信可靠。 在多点通信系统中，工业标准发送驱动器的接收器节点数可达3 2 个，且可使 用单- - + 5 v 或+ 3 v 电源，与数字逻辑t t l 兼容。接口器件以m a x 4 8 5 系列标准较多。 2 工业以太网 “工业以太网”和“嵌入式因特网”是当今兴起的热点应用，以太网协议 己成为局域网的现行标准，工业以太网技术的研究进展为以太网渗透到现场设备 提供了可能。 随着计算机网络技术的飞速发展和向工控领域的渗透，采用以太网通信方式 符合技术潮流，但实时性需快速式以太网和交换式以太网技术来支持，并且从 h u b 到h u b 及各终端的距离不超过1 0 0 米，否则就要考虑加路由器，大大增加成 本。在本系统设计中，可以通过s x 5 2 b d 单片机来支持以太网，但只宜使用在从 信息中心到仓库这一段的通信控制中，而仓库区内各d t a 连接器与电子标签设备 还是使用r s 4 8 5 网络。 3 无线通信方式 在主从分布式系统中根据实际情况采用无线通信方式进行长距离信息交互 和控制也是一个可行方案。计算机通过串口r s 2 3 2 或4 8 5 与无线收发模块来完成 无线数据传输功能。 无线通信采用射频m o d e m 技术。发射功率为1 w 左右，频率1 1 4 1 4 6 m h z ，对 于本系统来说，数据流量不高，调频方式即可满足要求。 采用无线透信方式时，以每个工作区( 如信息中心和仓库) 为单元设贾一部 发射接收系统，仓库工作区内的全部货架上的数据信息经集中处理后，以串行方 式输送到发射机上，统一发送到控制p c 。控制p c 也用无线方式与各个工作区保 持联系，工作过程采用巡检方式。 无线方式的最大优点是安装调试方便，特别是对于那些控制p c 与仓库距离 较远，中间地段内有街道、工厂或其他建筑的情况下，显示出较大的优势，另 个优点是检查维护方便，因为无线联接，所以无断线故障。 采用前面所说技术指标的无线通信方式，其不足之处是传送距离最大为 i k m ，所需发送功率较大，容易对其他设备造成干扰，另一个是，发射频率低一 些，有利于远距离传送，但容易对导航、通信、广播等造成干扰：发射频率较高 时，没有这些干扰，但信号绕射作用减弱，传送过程会有死角。 4 i2 c 总线 i2 c 总线( i n t e ri cb u s 集成电路间总线) 是p h i l i p s 公司推出的种用于 i c 器件之间连接的二线制串行扩展总线，它以一根串行数据线和一根串行时针i 线实现全双工的同步数据传输。同时，p h i l i p s 公司为i2 c 总线制定了严格的规 范和开发了众多带1 2 c 接口的外围器件，每个1 2 c 接口芯片具有独一无二的器件 地址，主器件根据地址识别每个从器件进行通信。 9 随着1 2 c 总线研究的深入，该总线已广泛应用于音频视频领域、i c 卡行业 和家电产品中，在智能仪器、仪表和工业测控方面也获得越来越多的应用。传输 速率为标准型1 0 0 k b s 、高速型3 4 m b s 。i 总线在与单片机组成的嵌入式系统 中应用较多，但远距离通信很少见。 综合分析以上几种通信总线方案，为了尽快开发出一套完整的系统，占领市 场，赢得主动，同时结合物流系统实际及系统标准化、智能化、低成本、高可靠、 易安装设计目标，最终采用了方案一的系统结构。r s - 4 8 5 毕竟是一种工业控制 总线，具有廉价标准的接口、广泛成熟的应用。通过硬件软件精心设计和系统试 验，从而达到数据传输速率、通信距离、通信节点数方面的要求。 2 3 2 系统结构 1 、系统结构和基本硬件组成 系统采用分级分层思想设计，分为控制层、中间层及应用终端三层。控制层 由控制p c 机构成，中间层由通信转换器和连接器构成，应用终端为电子标签。 系统结构为完全的主从分布式控制，一台主机与多台从机作半双工通信，各从机 之间不交流。主从之间通信方式采用以主控计算机发起、各从机始终处于被轮询 方式。 方案中基本的电子标签系统所需的主要设备有1 台p c 机、一台r s 2 3 2 转换 为r s 4 8 5 信号的通信转换器( 也可内景于p c 机中) ，若干个连接器、若干个电子 标签。工作时，由p c 机把拣货的订单经转换器、连接器到最终的电子标签设备， 工作人员根据电予标签上的显示进行拣货，并按下相应的按键，系统在拣货完成 后实现自动的回收，即拣货情况的获取。 屯子标签系统各部分的主要功能如下： 1 ) p c 机 完成数据库管理，发送订单，回收拣货情况； 2 ) 通信转换器 把p c 机的r s 2 3 2 信号转换为r s 4 8 5 信号，不加中继器时可直接带至3 2 个 连接器； 3 ) 连接器 作为中间层，连接器要完成物理4 8 5 网络连接、信号中继和电源供给的任务。 1 0 作为中间设备，每个连接器可直接带3 2 个电子标签设备或连接器，它主要 由两片4 8 5 芯片( 如i d a x l 4 8 3 或m a x 4 8 5 ) 与一片单片机( 如d s 5 0 0 2 f p 、w i n b o n d 的w 7 7 e 5 8 或u b i c o m 公司的s x 5 2 b d ) 组成。4 8 5 芯片的功能是完成t t i ，电 平与r s 4 8 5 电平的转换。由p c 机或电子标签设备送来的r s 一4 8 5 信号通过远距 离传输到达连接器，由连接器中的4 8 5 芯片把r s 一4 8 5 信号重新转换为t t l 电平， 使( 连接器的) 单片机的串口能正常接收，反之，发送往p c 机或电子标签的信号 由4 8 5 芯片转换为r s 4 8 5 信号后再进行远距离传输。 4 ) 电子标签设备 作为与拣货人员的接口，电子标签设备通过l e d 数码管显示拣货数据，提示 工作人员进行操作，在满足l e d 显示器和按键大小面积要求的前提下，尽可能设 计小巧美观、可靠牢固、方便安装，成本降低。 内部电路设计大致为四个模块： m c u 可由单片机等芯片组成； 显示部分可由h d 7 2 7 9 等芯片组成； 通信接口部分可由m a x 4 8 5 等芯片组成。 动态地址分配可由e 2 p r o m 完成。 2 、软件系统 电子标签系统的软件系统可包括三个方面，一是p c 机上的应用程序，包括 数据管理系统与订单的发送与回收。二是电子标签设备上的数据接收，显示和回 送程序。 p c 机上的应用程序，主要包括两大部分，第一部分为电子标签管理部分， 包括电子标签的在线管理、机器号的分配设鬻、机器状态的查询监控；第二部分 是订单部分的程序，根据客户的需要生成订单，由订单上的数量、物品代码等发 送数据到电子标签设备，由工作人员根据电子标签设备上的显示实现拣货，然后 由p c 机检查拣货情况，实现数据的回收和更新。p c 机上的应用程序可采用 b o r l a n d 公司的c + + b u i l d e r 、微软的v c + + 、v b 等面向对象的开发环境来编程实 现，最终选用的开发工具是c + + b u i l d e r 。 电子标签中单片机的程序主要完成数据通信、数量显示、数量的增减、数 量的返回，以及电子标签的自检、参数设置、声光提示等功能。 3 1 电子标签概述 第三章电子标签组成结构 电子标签是辅助拣货系统中的下位机部分，它接收控制p c 机传来的数据， 执行相应的指令，并完成信息的回传。数量上，电子标签是系统网络组成中需求 数量最大的一部分，因此，设计中电子标签的成本应成为一个重要的考虑因素。 本系统开发中使用的电子标签主要有两种，其外观图分别如图3 1 、图3 2 所示。 圈3 2 调试中使用的电子标签外观图( 2 ) 图3 1 中的电子标签采用的元件为普通元件，双面走线；图3 2 中电子标签 的元件采用的是表贴元件，并减少了两个数码管，双面走线。其中图3 2 中电子 标签背面引出部分是为方便调试而引出的m c u 插座，引出后就可以采用普通的 双列直插式m c u 来调试，而非表贴元件。 电子标签的工作原理如图3 3 所示： 1 2 图3 3 电子标签的工作原理图 从图3 3 可以看出电子标签由以下几部分组成： m c u 部分。 m c u 部分是电子标签的控制中心，电子标签的各个部分的运作都是在其协 调指挥下进行的。此部分由单片机构成。 通信部分。 通信部分完成电子标签与上位机的通信，形成系统网络。此部分由4 8 5 芯 片完成。 人机交互部分。 此部分完成电子标签的人机交互功能，包括数据的显示，按键的处理和返 回。 掉电保护部分。 声光部分。 电源部分。 3 2 电子标签中的m c u 3 2 1 单片机简介及结构特点 电子标签中的控制处理中心由单片机构成。单片机是把各功能部件：中央处 理器、随机存储器、只读存储器、i o 接口电路、定时肘数器以及串行通讯接口 等部件集成在一块芯片中，从而形成具有一定信号和数据运算控制处理能力。单 片机的出现是计算机技术发展史上的里程碑，标志着计算机正式形成了通用计算 机和嵌入式计算机两大分支。 1 、单片机的产生和发展历程：【8 i f “1 第一阶段( 1 9 7 1 年一1 9 7 4 年) ：单片机雏形阶段。1 9 7 0 年，微型计算机研 制成功。1 9 7 1 年1 1 月，美国i n t e l 公司生产出集成度为2 0 0 0 只晶体管片的四 位微处理器4 0 0 4 ，并且配有随机存取存储器r a m 、只读存储器r o m 和移位寄 存器等芯片，构成一台m c s - - 4 微型计算机。1 9 7 2 年又生产出8 位微处理器8 0 0 8 。 1 9 7 4 年美国仙童公司也研制成f 8 微处理器。这些微处理器就是现在单片机的雏 形，从此拉开了研制单片机的序幕。 第二阶段( 1 9 7 4 年一1 9 7 8 年) ：初级单片机阶段。1 9 7 6 年，i n t e l 公司的m c s - - 4 8 单片机研制成功，以其体积小、功能全、价格低等特点，获得了广泛的应 用，成为单片机发展进程中的个里程碑。m c s - - 4 8 单片机的成功，促使许多 半导体公司和计算机公司争相研制和发展自己的单片机系列。 第三阶段( 1 9 7 8 年一1 9 8 3 年) ：高性能单片机阶段。在这阶段推出的单片机 普遍带有串口，有多级中断处理系统，1 6 位定时器计数器，片内r a m 、r o m 容量加大，且寻址范围可达6 4 k 字节。这类单片机有i n t e l 公司的m c s 一5 1 ，由 于这类单片机的应用领域极其广泛，世界各地厂商都大力改进其结构与性能。 第四阶段( 1 9 8 3 年一) 8 位、1 6 位单片机巩固发展阶段、3 2 位单片机推出 应用阶段。此阶段的主要特征是：一方面发展1 6 位、3 2 位单片机以及专业单片 机：另一方面不断完善高档8 位单片机，改善其结构，以满足不同用户的需求。 1 4 2 、单片机的主要特点： 6 1 体积小，但结构完整。 单片机均为单芯片封装，引脚数从几个到几十个不等，体积小，但都包 括最基本的部分：c p u 、i t a m 、i 0 。 可靠性高，三总线在芯片内部，不易受干扰。 控制功能强，控制强，速度较快。 使用方便，价格便宜，性价比高。 3 2 2 电子标签中的5 1 单片机及结构特点 5 1 系列单片机自1 9 8 0 年推出后，因其价格便宜、体积小、功能全、适于控 制和逻辑处理得到了广泛的应用。在电子标签中，我们也选择了5 1 系列单片机作 为控制处理单元。 1 、m c s 一5 1 系列单片机的体系结构嘲 5 1 系列单片机是i n t e l 公司推出的通用型单片机。该系列单片机有十几个产 品，其基本型号包括8 0 3 1 、8 0 5 1 、8 7 5 1 ，这些芯片产品都采用h m o s 技术，只是片 内程序存储器的制造工艺不同。此外还有低功耗c m o s 系列器件：8 0 c 3 1 、8 0 c 5 1 、 8 7 c 5 1 。这两个系列的功率有较大的差异。比如8 0 5 1 的功耗约为6 3 0 m w ，而8 0 c 5 1 的功耗只有t 2 0 m w 。除片内r o m 类型不同外，这几种芯片的其他性能和体系结构完 全相同。其基本结构包括：8 位的c p u ；片内振荡器及时钟电路；3 2 根i o 线；外 部存储器寻址范围r a m 、r o m 各6 4 k ：2 个1 6 位的定时器计数器；5 个中断源，2 个中断优先级；全双工串口，布尔处理器。 从计算机体系结构的角度来看，目前比较多的单片机采用改进的哈佛 ( h a r v a r d ) 结构( 通用微机的存储器只有一个逻辑存储空间，可随意安排r o m 和r a m ，访问时用同一种指令，这种结构称普林斯顿型) ，这种结构基于具有分离 地址总线的两个存储器，其中一个放程序，另一个放数据，允许数据从程序存储 器传递至i j s r a m ，该功能也允许从程序存储器中读取数据表。这种结构的优点是取 指令和存储器数据交换可在多步流水线中同时进行，这意味着当前指令执行时就 可从程序存储器中取出下条指令。这是一种一个时钟周期运行完一条指令的并行 流水线操作方式，因此可大大提高指令运行速度。 2 、m c s 一5 1 系列单片机的存储器组织 8 0 5 1 单片机的存储器结构特点是将程序存储器和数据存储器分开，并且有 各自的寻址机构和方式，在物理上有四个存储空间：片内程序存储器、片外程序 存储器、片内数据存储器、片外数据存储器。8 0 5 1 片内具有2 5 6 b y t e s 的数据存储 器和4 k b y t e s 的程序存储器r o m ，片外可以扩展r a m 和r o m ，并且各有6 4 k b 的寻址范 围，也就是说最多可以在外部扩展2 个6 4 k b 的存储器、其存储器组织如图所示： f f f f 1 0 0 0 程序存储器( r o m ) 数据存储器( r a m ) 图3 i 单片机存储器结构 6 4 k 字节的程序存储器( r o m ) 空间中，有4 k 字节地址区对于片内r o m ； i 片外 r o m 是公用的，这4 k 字节地址为0 0 0 0 h o f f f h 。而1 0 0 0 h f f f f h 地址区为外部r o m 专用。c p u 的控制器专门提供一个控制信号e a 用来区分内部r o m 和外部r o m 的公用 区：当e a 接高电平时，单片机从片内r o m 的4 k 字节存储区取指令，而当指令地址 超过o f f f h 后，就自动地转向片步f r o m 取指令。当e a 接低电平时，c p u 只从片夕f r o m 取指令。外部r k m 和r o m 地址重叠，但从外部r o m 取指令时用p s e 信号选通，因 此地址重叠也不会造成混乱。8 0 5 1 的片内r a m 只有2 5 6 个字节，却起着十分重要 的作用。它分为两个区域：o o h 7 f h 是真正的r 埘区，可以读写各种数据，而8 0 h f f h 是专门用于特殊功能寄存器( s f r ) 的区域。 单片机的程序固化在r o m 中，系统复位后堆栈指针s p 指向0 7 h ，程序计数器 p c 和其他特殊功能寄存器s f r 全部清零，程序e h r o m 的0 0 0 0 h 开始执行。系统复位 不影响r a m 中的内容，此时片内r a m 的内容是随机的。 1 6 阳d 冈倒 3 、a t 8 9 c 4 0 5 1 的特点及应用 在电子标签的设计中，a t 8 9 c 4 0 5 1 因其体积小，较大的内部r o m 而被选作为 电子标签的u 。该芯片的特点简要介绍如下： 2 0 个外部引脚，其中1 5 个i 0 弓 脚 4 k b y t e s 的f l a s hm e m o r y ，可擦写1 0 0 0 次 1 2 8 b y t e s 的r a 骈 端口1 和3 可承受2 0 m a 的电流，直接驱动l e d 3 6 v 的工作电压范围 内部集成比较器 当然，在电子标签中，a t 8 9 c 4 0 5 1 主要是完成数据的收发和处理，外围芯片 的控制、外围设备( 如l e d ) 的驱动。 3 3 通信部分 电子标签的通信部分是由遵从r s 4 8 5 通信标准的芯片来完成，适合于远距离 通信。r s 4 8 5 ”1 标准采用平衡式发送，差分式接收的数据收发器来驱动总线，具 体规格要求i ”】： 接收器的输入电阻鼬n 1 2 k q 驱动器能输出7 v 的共模电压 输入端的电容5 0 p f 在节点数为3 2 个，配置了1 2 0 q 的终端电阻的情况下，驱动器至少还能输 出电压i 5 v ( 终端电阻的大小与所用双绞线的参数有关) 接收器的输入灵敏度为2 0 0 m y ( 即v + 一v 一2 0 0 m v ，表示信号0 ：p , i v + 一v 2 0 0 m y ，表示信号“l ”) 因为r s 4 8 5 的远距离、多节点( 3 2 个) 以及传输线成本低的特性，使得e i a r s 4 8 5 成为工业应用中数据传输的首选标准。 在电子标签中，采用的4 8 5 芯片为s n 6 5 h v d 3 0 8 2 e ，其连接如图3 3 所示，数掘 输入输出的控制是由p 3 4 弓i 脚来执行，当此引脚为低电平时，4 8 5 芯片处于数据接 收状态，当此引脚为高电平时，4 8 5 芯片处于发送数据状态。数据的输入输出分 别是通过单片机串口的接收和发送引脚进行的。 3 4 人机交互部分 拣货人员就是借助人机交互部分来实现拣货的。人机交互部分包括数码管 和按键。 发光二极管l e d 6 1 能在低电压小电流驱动下发光，并能与c m o s 和t t l 电路兼 容。它的主要优点是：发光亮度高，可视性好：响应时间短( o 1us ) ，高频性 能好；体积小，重量轻，抗冲击性能好；使用寿命在1 0 万小时甚至达1 0 0 万小时； 成本低廉。 数码管的显示分为静态显示和动态显示。静态显示是指l e d 数码管或显示器 的每个数码管单独被段驱动器驱动( 字形驱动器) 驱动，因而显示稳定、亮度好、 可靠性高，但是对于多管显示器而言，要浪费器件和电功率。动态显示是指l 片 段驱动器驱动多位数码管，由位驱动器扫描轮流显示( 静态显示无需位驱动，对 于共阴数码管，将公共极接地即可；对于共阳数码管，公共极接高电平即可) 。 动态显示方式电路器件少、省电，但是位扫描必须能使人从视觉上感到多位数码 管在同时显示。本系统采用动态显示方式，由7 2 7 9 控制。 电子标签按键设计为5 个，但只有4 个不同键值，即其中两个键设计为并联 形式，以确保按键的可靠性。