王學影，周 躍，郭 斌，胡曉峰，陸 藝

(中國計量大學 計量測試工程學院，浙江 杭州310018)

汽車零部件檢測生產線控制終端設計

王學影，周 躍，郭 斌，胡曉峰，陸 藝

(中國計量大學 計量測試工程學院，浙江 杭州310018)

針對汽車零部件檢測生產線效率低,以及數據傳遞速度慢和信息掌握延時等問題，研究設計了一款用于汽車零部件檢測生產線的新型控制終端.終端以嵌入式ARM芯片Cortex-A9為控制核心；采用Android操作系統(tǒng)，Linux作為內核，搭建應用程序開發(fā)平臺；集成了射頻識別模塊、實時定位模塊和無線通信模塊等，實現(xiàn)了控制終端數據采集傳輸、身份識別、實時定位和無線通信等功能.

嵌入式；汽車零部件檢測；控制終端；數據傳輸；實時定位

Abstract: To solve the problems of low production efficiency, slow speed of data transmission and delay of information gain, a control terminal for the production inspection line of auto parts was designed. The core of the terminal was ARM chip architecture A9. The application software platform was developed on the embedded Linux system kernel and the Android operation system. The control terminal integrated an RFID module, a real-time positioning module and a wireless communication module, has the functions of data acquisition and transmission, identification, real-time positioning , wireless communication and so on.

Keywords: embedded; auto parts detection; control terminal; data transmission speed; real-time location

汽車領域在不斷謀求自主創(chuàng)新的同時，更需加強零部件生產線的優(yōu)化進程.作為支持汽車產業(yè)可持續(xù)發(fā)展的汽車零部件檢測行業(yè)迫切需要“雷達”，來增長數據傳輸速度，實現(xiàn)實時定位采集，提高生產質量[1].基于上述情況，本文提出結合嵌入式系統(tǒng)、采用物聯(lián)網技術研制一套面向汽車零部件檢測生產線的控制終端，提供友好的人機界面、豐富的設備接口和通信接口、以及眾多的

應用模塊等，提升生產線整體效率.

1 總體方案設計

當今科技發(fā)展迅速，嵌入式系統(tǒng)以其功耗低、實時性好、可靠性和安全性高等特點被廣泛應用于科學研究和工業(yè)設計之中.因此，在本次設計中,控制終端選擇以Linux為內核的Android系統(tǒng)作為開發(fā)平臺，并將模塊化設計方式貫穿于整個研究過程[2-4].

1.1 生產線整體架構設計

作為汽車零部件檢測生產線的控制采集節(jié)點，控制終端對提高生產質量有舉足輕重的作用.

如圖1所示的終端所在系統(tǒng)的整體架構圖，在生產線的每一個工序工位安裝一個控制終端，終端通過GPS模塊對當前工位工控設備的運行狀態(tài)進行實時監(jiān)控，并利用無線通訊模塊將采集到的有關人、機、物、料信息和設備運行數據傳送至控制中心.控制終端對接收到的數據信息進行快速的分析處理，利用無線通訊模塊將處理消息反饋給當前控制終端，并據此判斷定此時的工作狀態(tài)，決定進行下一步操作與否.

圖1 整體系統(tǒng)架構圖Figure 1 Overall system architecture diagram

1.2 控制終端整體設計

1.2.1 終端硬件結構整體設計

如圖2，生產線控制終端作為工控設備與系統(tǒng)的連接紐帶，設計合理的硬件結構布局是終端成功開發(fā)的基礎[5].

圖2 硬件整體布局圖Figure 2 Hardware overall layout

生產線控制終端在布局上采用核心板-底板的雙層架構模式，核心板主要由主控單元和復位電路等組成；底板作為搭載體，主要包括無線通訊、GPS、RFID、觸摸屏、存儲、USB接口和串口模塊等組件.

1.2.2 終端軟件功能整體設計

如圖3軟件功能架構圖所示，生產線控制終端初次使用時，需通過終端信息初始化模塊對終端進行初始化設置，依據要求設定參數并傳送至相關工控設備后開始正常工作.

圖3 軟件功能架構圖Figure 3 Software function diagram

2 硬件選型和電源設計

2.1 模塊的選型

2.1.1 核心處理器的選擇

核心板控制單元采用目前應用范圍較廣、性價比較高的ARM Cortex-A9系列的Exynos4412四核處理器，選取原因有三：

1)它自帶內部控制器，在很大程度上降低設計難度；

2) 自帶iROM和iRAM.在系統(tǒng)通電后，立刻對處理器內部進行初始化操作，此操作將由iROM 里面存儲的一段很小的代碼完成[6]；

3) 提供豐富的外設接口.例如：RS232、 USB、攝像頭、HDMI、以太網口等.

2.1.2 通用模塊芯片選擇

在底板尺寸上集成了電源、無線通信、GPS、觸摸屏、RS485塊、薄碼開關等模塊和擴展接口.其中，各個模塊的芯片選型如下：

1)WIFI模塊芯片選擇 自提出“無線城市”概念之后，WIFI技術迅猛發(fā)展，已成為無線網絡接入的主流標準.終端選用性能優(yōu)越的S500M芯片作為通信模塊的核心.

2)GPS模塊芯片選擇 在汽車零部件檢測生產線中，生長線控制終端獲取精確的定位信息是其實現(xiàn)“物物相連”必不可少的重要基礎之一.因此，需要有空間定位技術的支持，即需利用GPS模塊.本設計選取通過串口來傳輸數據的GNS7560芯片作為GPS模塊控制核心.

3)觸摸屏的選取 生產線控制終端選用迅為提供的7寸電容觸摸屏作為顯示器，通過HDMI線和控制終端的HDMI觸摸屏接口連接.

2.2 電源設計

在電路設計中，電源設計是最關鍵環(huán)節(jié)之一，它是整個系統(tǒng)穩(wěn)定運行的基礎保障.

在底板上，電源模塊通過芯片 RT8065 向核心板提供 5 V→4 V 電源，可以使核心板電源管理芯片 8767 處于最佳工作狀態(tài)，部分電路原理圖如下圖4所示；通過 MP2012DQ芯片向外設提供 5 V→3.3 V 和 5 V→1.8 V 電源，部分電源設計如圖5.

圖4 核心板供電部分原理圖Figure 4 Core board power supply part of the schematic diagram

圖5 外圍模塊供電部分原理圖Figure 5 Peripheral module power supply part of the schematic diagram

3 軟件設計

3.1 控制終端功能設計

為保證汽車零部件生產線高效率、高質量生產，作為感知系統(tǒng)的控制終端在軟件功能上實現(xiàn)實時監(jiān)控、提高數據傳輸速度至關重要.如圖6，每個工序的控制終端會以前一工序控制終端反饋的狀態(tài)判斷為標志，來決定當前工序是否開始工作[7].

3.2 WIFI模塊驅動程序設計

在Linux中，驅動存在于內核之中，按種類分為網絡設備、塊設備、字符設備和雜項設備驅動，驅動和內核體系的關系如圖7所示[8]. 在這幾類驅動當中，只有極其小的一部分是需要自己寫的，這就是字符類驅動，其它的驅動全部都是移植的，而且字符驅動中很大一部分也是移植的.

圖7 驅動和內核關系圖Figure 7 Drive and kernel diagram

在此，以WIFI模塊驅動程序設計為例.

3.2.1 模塊的加載和卸載

在Linux中，通過module_init (WIFI_init)函數和module_exit(WIFI_exit)函數完成WIFI模塊的加載和卸載操作.在加載WIFI模塊時，首先需要完成初始化操作，其中最重要的一項是向內核中注冊設備.字符設備通過調用register_chrdev_region ()函數或者動態(tài)分配alloc_chrdev_region()函數來完成此操作[9].如下程序所示為加載WIFI模塊并完成注冊設備過程.

static int WIFI_init(void){

dev_t dev = MKDEV(WIFI_major, 0);

int alloc_ret = 0;

int cdev_err = 0;

alloc_ret = register_chrdev_region(dev, 1,

WIFI_DRIVER_NAME);

if (alloc_ret) {

WIFI_ERR_FUNC(“fail to register chrdev/n”);

return alloc_ret;}}

從語句中可知，在模塊加載過程中，先將主設備號和次設備號默認為 0，然后做一個簡單的判斷.如果沒有參數傳入，默認為零，則提示注冊設備失敗.

3.2.2 模塊控制操作

在Linux驅動中，通常利用int _open( ),int _close( ),int _creat( ),int _write( ),int _read( )等函數實現(xiàn)對模塊的操作控制.通訊模塊中部分WIFI_ write( )函數的具體實現(xiàn)如下：

ssize_t WIFI_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t count, loff_t *f_pos){ int retval = -EIO;

char local[4] = {0};

static int opened = 0;

down(&wr_mtx);

……}.

參數struct file *filp表示使用open函數打開之后返回的句柄；*buf表示寫入的數據，size_t count表示寫入的最多字節(jié)數.其他操作函數和write函數的類似，這里不再敘述.

3.2.3 file_operations 結構體

file_operations 結構體是系統(tǒng)調用硬件設備的橋梁.在驅動設計中，每個模塊的驅動程序都會有一個對應的file_ operations數據結構體，其中的成員函數和操作系統(tǒng)提供的應用接口相對應，是驅動程序設計過程中的主要環(huán)節(jié)之一[10].WIFI驅動程序設計的file_ operations結構體如下：

struct file_operations WIFI_fops = {

.owner = THIS_MODULE,

.open = WIFI_open,

.close = WIFI_close,

.read = WIFI_read,

.write = WIFI_write,

.release =WIFI_release,

.ioctl =WIFI_ioctl,}.

實際運行中，用戶應用程序通過open等函數驅使驅動程序結構體當中對應的WIFI功能函數動作，從而實現(xiàn)對具體通訊模塊硬件的各種調用操作和檢測.

4 多任務調節(jié)算法

在控制終端的設計中，通過多任務調節(jié)算法實現(xiàn)多個任務進程井然有序的執(zhí)行，具有十分重要的意義.

多任務調節(jié)算法是基于CASH算法，結合PIP協(xié)議設計而成的，主要在多個進程或任務需要關聯(lián)并行時運用,工作原理如下圖8所示.

多任務調節(jié)算法流程，利用CASH算法為每個進程任務設定預行時長，當預設值大于實際運行時長時，CASH會把多余的設定時間放到一個時間隊列之中.當執(zhí)行下個任務進程時，系統(tǒng)會優(yōu)先查找并充分使用空閑的設定時間.然而，單一的CASH算法只會將剩余的設定時間首先分配給級別最高的任務，導致運行級別低的緊急任務無法率先得到運行.因此，在原有的算法基礎上，引進PIP協(xié)議：當系統(tǒng)中無緊急任務時，則根據級別高低情況依次運行；當出現(xiàn)級別低的緊急任務時，它可以立即中斷高級別任務，自行承接被中斷任務的優(yōu)先級；當然，為確保被中斷的高優(yōu)先級任務能夠順利完成，設定了一個最大中斷時間參數，當中斷時間超出設定最大值時，系統(tǒng)返回執(zhí)行被中斷任務[11-12].

圖8 算法流程圖Figure 8 Algorithm flowchart

考慮到中斷的問題, 給出如下：

(1)

式(1)中

Ri—表示任務運行時間；

Ci—表示任務時間周期；

Bi—表示被中斷的時間.

在該算法中, 為每個任務都設定了估計的運行時間, 同時引進一個可變的時間函數,系統(tǒng)會依據每個任務的預設時間與該時間函數計算得出的結果，選擇運行當前最緊迫的任務.

5 應用實例

對浙江某知名汽車零部件生產企業(yè)的EPB制動鉗總成裝配檢測線進行改造，該檢測生產線共有十道工序，在每一道工序上都配備一個生產線控制終端，并將終端和工控設備通過I/O通道或者擴展I/O口相連，開始初始化操作.將每個工序工位控制終端的人、機、物、料以及通信地址等相關信息正確設置后，控制終端就可以開始正常工作了.

以EPB制動鉗總成合裝工序為例，該工序采用OMRON CP1E型號的PLC作為下位機控制系統(tǒng).由于該型號PLC只有一個RS-232串口接口，無法同時連接無線通信模塊、GPS模塊、觸摸屏等模塊，造成“數據孤立”.在接入生產線控制終端后，利用終端擴展特性，通過擴展I/O接口將PLC和控制終端相連,間接使PLC具備了身份識別、實時定位、數據遠傳等功能，從而有效解決PLC的“數據孤立”問題.接著，在控制終端中設定與合成總裝工序相關的各項參數，按照圖6的流程進入工作狀態(tài).在終端運行過程中，上傳的數據包括操作員工身份條碼、產品編號、工序編號、工位編號、啟動碼、設備狀態(tài)、測控信息、產品合格標志、GPS定位標志碼、本工序累計加工數目和控制終端開機標志.控制中心返還的數據代碼主要包括起始碼、工序編碼、工位編碼、質量檢測碼和本工序制動鉗在完成加工標識.

生產線控制終端具有記憶暫存功能，每次與控制中心組幀交換的數據信息都會被記錄保存，可通過查詢功能獲取.圖9所示的一組通訊記錄，充分展示了終端與控制中心之間交互通信的響應時間只需1 s，即生產線控制終端上傳數據和控制中心反饋數據的平均時間為0.5 s，極大加快數據的傳遞速度.

圖9 通信歷史記錄Figure 9 Communication history

生產線控制終端抽取本地存儲的50個EPB制動鉗總成合裝工序1小時內的生產數據，通過計算測試生產線控制終端工作性能功能.測試時，設定控制終端的質量標準上下限分別為12.50 N·m和12.10 N·m，樣本標準中心為12.25 N·m.則根據如下計算公式：

CP=(TU-TL)/6σ,

(2)

CPK=(TU-TL)/6σ(1-K).

(3)

式(2)、(3)中

CP—潛在工序能力指數；

CPK—實際工序能力指數；

TU—質量標準上限；

TL—質量標準下限；

μ—樣本標準中心.

σ—質量特性值分布的總體標準差，通常是未知的，在此可以用樣本標準差S代替.

抽取的數據和計算得出的結果如表1.

表1抽樣數據和CPK

Table 1 Sampling data and CPK

工序EPB制動鉗總成合裝測試扭力/(N·m)12.2512.2512.2512.3012.2512.2012.2512.3012.2512.2512.2512.2512.2012.2512.3012.2512.2012.2512.2512.2012.3012.3012.2012.2512.2512.2512.2012.2512.3012.2512.2012.2512.3012.2512.2012.2512.2012.2512.2512.2512.3012.2512.2012.2012.2012.2512.2512.2012.3012.25CP2.00CPK1.51

根據評級標準，可得：設備工序能力指數等級為A級，工序能力良好，該時段EPB制動鉗總成合裝設備能力較好、狀態(tài)穩(wěn)定；根據表3所示與成品率關系得，生產線產品成品率高達99.90%.

表2 CPK的評級標準

表3 CP與成品率的關系

6 結 語

設計開發(fā)基于嵌入式的汽車零部件生產線控制終端，為汽車零部件檢測生產線實現(xiàn)兩化融合提供了新技術.通過多次試驗，證明了該終端可以及時對產品的信息數據采集，準確定位每道工序，保證通訊流暢，實時監(jiān)測設備運行情況，不僅提升了產品質量，而且實現(xiàn)了產品的事后追溯.

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Designofcontrolterminalsfortheproductioninspectionlineofautoparts

WANG Xueying , ZHOU Yue , GUO Bin , HU Xiaofeng , LU Yi

(College of Metrology and Measurement Engineering, China Jiliang University, Hangzhou 310018, China)

2096-2835(2017)03-0319-07

10.3969/j.issn.2096-2835.2017.03.009

2017-05-23 《中國計量大學學報》網址zgjl.cbpt.cnki.net

國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局科技計劃項目(No.2015QK288)，浙江省公益技術應用研究計劃項目(No.2015C3108).

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