王智芳,周孟特,劉 寧,葉玉堂,羅 穎
(電子科技大學(xué) 光電信息學(xué)院,四川 成都610054)
煙草交售是煙草產(chǎn)業(yè)鏈的一個(gè)重要環(huán)節(jié),開發(fā)先進(jìn)的煙草交售系統(tǒng),不但能夠提高煙草交售的工作效率,而且可以減少煙農(nóng)的搬運(yùn)負(fù)擔(dān)。現(xiàn)有的煙草交售系統(tǒng)將所有的終端設(shè)備直接掛載到控制中心,由于圍繞控制中心的收購點(diǎn)比較多,終端設(shè)備數(shù)量巨大,給控制中心的通信帶來了沉重的負(fù)擔(dān),使整個(gè)煙草交售系統(tǒng)的穩(wěn)定性不能夠得到有效保證。在現(xiàn)有的煙草交售系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,本文提出一種新的通信結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。應(yīng)用嵌入式技術(shù)設(shè)計(jì)出一種基于ARM芯片和Win CE操作系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備,用于管理每個(gè)收購點(diǎn)處的所有終端設(shè)備。通過網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的管理,可以有效減少直接與控制中心相連的設(shè)備的數(shù)量,減輕了控制中心的通信負(fù)擔(dān)。從終端設(shè)備處采集到的煙農(nóng)煙草的數(shù)據(jù)信息,可以在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)處完成數(shù)據(jù)打包傳送,這樣可以大大提高數(shù)據(jù)傳送的安全性,從而提高了煙草交售系統(tǒng)的穩(wěn)定性。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)收集了收購點(diǎn)處所有終端設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)信息,煙農(nóng)可以方便的查看所交煙草的信息,所以網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可以作為煙農(nóng)交售煙草的最后一步,可以提供刷卡確認(rèn)和票據(jù)打印功能。嵌入式技術(shù)有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn),它的操作以及維護(hù)都非常的簡(jiǎn)單,這樣可以降低使用難度,其可擴(kuò)展性也很強(qiáng),為后期的持續(xù)開發(fā)提供了條件。
完整的煙草交售系統(tǒng)主要包括控制中心、數(shù)據(jù)中心、排號(hào)系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和終端設(shè)備等組成部分,終端設(shè)備主要是指交煙刷卡設(shè)備、定級(jí)終端設(shè)備和磅碼終端設(shè)備。完整煙草交售的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
從功能上描述,控制中心通過網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)管理收購點(diǎn)處的終端設(shè)備,并且在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)處實(shí)現(xiàn)刷卡確認(rèn)和票據(jù)打印的功能。
圖1 煙草交售系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)采用ARM920T架構(gòu)的S3C2410作為主控芯片,S3C2410是采用0.18um制造工藝的32位微控制器,最高工作頻率為203MHz。S3C2410采用272-FBGA封裝,引腳間距為0.8mm,使用8/16mil的通孔,5mil的線寬/線間距,就可以完成整個(gè)主控芯片的PCB布局走線[1]。國(guó)內(nèi)的印制電路板生產(chǎn)廠家都可以達(dá)到這樣的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),避免了采用埋孔、盲孔等特殊工藝技術(shù),降低了成本。
網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示,其中NAND flash采用一塊容量為64MB的K9F1208U0C芯片,現(xiàn)在市場(chǎng)流通的大部分NAND flash芯片都存在壞塊的問題,所以在讀寫flash芯片時(shí)一定要作壞塊檢測(cè),以便避開壞塊,保持?jǐn)?shù)據(jù)的完整性。內(nèi)存采用了兩塊32MB的SDRAM芯片K4S561632C,共有64MB內(nèi)存提供給系統(tǒng)使用。當(dāng)操作系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí),由Bootloader將操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序載入內(nèi)存,并在內(nèi)存中引導(dǎo)運(yùn)行操作系統(tǒng)[2]。外部存儲(chǔ)擴(kuò)展了SD卡模塊,用于臨時(shí)存儲(chǔ)數(shù)據(jù),也可以用作斷電后的數(shù)據(jù)保護(hù)。
圖2 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)
以太網(wǎng)擁有高速、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸能力,所以采用以太網(wǎng)完成網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)與控制中心的數(shù)據(jù)交互。采用DM9000A芯片在S3C2410的AHB總線上外擴(kuò)以太網(wǎng)模塊。在完成以太網(wǎng)模塊硬件設(shè)計(jì)時(shí),需要特別關(guān)注的有兩點(diǎn):一是在PCB布線的時(shí)候,器件的擺放位置和走線要特別注意,DM9000A的輸出信號(hào)是兩對(duì)差分信號(hào),濾波電路一定要靠近DM9000A芯片一側(cè),布線也要盡量避免異層布線,避免影響信號(hào)質(zhì)量[3];二是DM9000A芯片對(duì)濾波電路的電容和電阻有嚴(yán)格的要求,電容、電阻一定要采用相應(yīng)的規(guī)格。如果誤差較大,會(huì)大大影響信號(hào)傳輸質(zhì)量,影響傳輸質(zhì)量,給后期的調(diào)試帶來很多困難。
ZigBee技術(shù)是一種近距離、使用簡(jiǎn)單、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通信技術(shù)[4]。采用順舟科技生產(chǎn)的SZ02系列無線通訊設(shè)備來實(shí)現(xiàn),其有效傳輸距離為100m~2000m,其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涔?jié)點(diǎn)的最大支持?jǐn)?shù)為65535;其數(shù)據(jù)接口支持TTL收發(fā),可以直接與S3C2410的UART模塊互連,支持串口波特率范圍為1200~115200bps;它的信號(hào)調(diào)制方式采用的是直序擴(kuò)頻,在2.405GHz~2.480GHz范圍內(nèi)擁有16個(gè)無線信道,其中有4個(gè)信道可以避免與Wi-Fi(wireless fidelity)信道的沖突。在正常工作時(shí)可以將信道選擇設(shè)置成自動(dòng)模式,讓設(shè)備自動(dòng)建立最佳通信通道。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和收購點(diǎn)終端設(shè)備都屬于全功能通信設(shè)備,它們相互之間能夠自由完成數(shù)據(jù)交互[5]。ZigBee模塊占用S3C2410的串口1。在使用之前要進(jìn)行配置,讓ZigBee模塊和主機(jī)的串口設(shè)置一致。
為了煙農(nóng)能夠查看和確認(rèn)所交煙草的信息,需要在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)處將煙草的各項(xiàng)信息顯示出來?;旧纤械囊壕э@示器都支持通用VGA接口,但是S3C2410沒有集成VGA解碼模塊,這一功能需要在LCD顯示模塊基礎(chǔ)上擴(kuò)展。TI公司生產(chǎn)的VGA解碼芯片TL5632被用于實(shí)現(xiàn)這一功能,這是一款低功耗、高速8位3通道D/A轉(zhuǎn)換芯片,它可以實(shí)時(shí)、高速的將24BPP(bits per pixel)數(shù)字圖像信號(hào)轉(zhuǎn)換為通用VGA信號(hào)[6]。VGA信號(hào)主要包括RGB(紅綠藍(lán))顏色信號(hào)、HSYNC (行同步信號(hào))和VSYNC(場(chǎng)同步信號(hào)),其中RGB顏色信號(hào)是峰峰值為0.7V的模擬信號(hào),行同步信號(hào)和場(chǎng)同步信號(hào)為TTL電平,在進(jìn)行PCB設(shè)計(jì)時(shí)要注意區(qū)分,以消除相互之間的影響[7]。
刷卡確認(rèn)模塊采用高頻RFID技術(shù)來實(shí)現(xiàn),采用同欣智能生產(chǎn)的基于13.56MHz頻率的 Mifare卡讀寫模塊TX522B,它可以支持多種非接觸式智能卡,并且擁有高可靠性、多種接口、小體積等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)讀卡器和卡片的質(zhì)量、天線的大小和使用環(huán)境,通常在2~10cm內(nèi)就可以完成卡片數(shù)據(jù)的讀取。TX522B的工作電壓為5V,與主機(jī)之間通過串口進(jìn)行通信。通信協(xié)議分為兩步,第一步波特率設(shè)置,第二步進(jìn)行數(shù)據(jù)通信,可以通過串口調(diào)試助手來開發(fā)。TX522讀卡模塊占用S3C2410的串口0。主機(jī)通過串口發(fā)送命令,TX522可以設(shè)置為自動(dòng)尋卡,只需要在初始化設(shè)備時(shí),執(zhí)行自動(dòng)尋卡命令集下的任意一種命令即可[8]。
音頻模塊要在I2S總線上擴(kuò)展,使用Philips生產(chǎn)的音頻解碼芯片UDA1341實(shí)現(xiàn),音頻模塊用于操作提示,可以使整個(gè)交售流程更加規(guī)范。
打印機(jī)采用北京思普瑞特科技生產(chǎn)的微型熱敏打印機(jī),它的電源要求為5V/3A,使用串口實(shí)現(xiàn)信息傳輸與控制,占用S3C2410的串口2,打印機(jī)可以通過重啟或者控制碼進(jìn)行初始化,廠家提供了專用的設(shè)置軟件,可以修改打印機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)。
從系統(tǒng)文件的組成來看,WinCE操作系統(tǒng)主要由Bootloader和NK.bin兩部分組成。
Bootloader是系統(tǒng)啟動(dòng)后的第一段執(zhí)行代碼。S3C2410芯片支持將Bootloader存儲(chǔ)在NAND Flash中。為了實(shí)現(xiàn)這一功能,S3C2410芯片配備了一個(gè)名為 “Steppingstone”的內(nèi)部SRAM。在啟動(dòng)時(shí),NAND Flash中第一個(gè)4KB的內(nèi)容將被加載到Steppingstone中并執(zhí)行[9]。這個(gè)工作由MCU主動(dòng)完成,只需將NAND Flash配置為Auto Boot模式即可。
完整的Bootloader肯定是大于4KB的,所以采用兩段方式啟動(dòng)。第一個(gè)過程是Nboot(NandFlash Bootloader),第二個(gè)過程是Eboot(Ethernet Bootloader)。NBoot位于NandFlash的Block 0的前4KB空間,上電后會(huì)被自動(dòng)加載到RAM中運(yùn)行,Nboot在執(zhí)行完之后,會(huì)判斷是進(jìn)入Eboot調(diào)試還是引導(dǎo)進(jìn)入系統(tǒng)鏡像。Eboot位于NandFlash的Block 2的開始處,可以有256KB,Eboot主要用于加載鏡像和執(zhí)行調(diào)試命令[10]。
WinCE操作系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)基本上可以分為四層,如圖3所示。從下往上依次是硬件層、OEM層、操作系統(tǒng)層和應(yīng)用層。硬件層主要指CPU等硬件設(shè)備;OEM層和操作系統(tǒng)層構(gòu)成完整的操作系統(tǒng);而應(yīng)用層的內(nèi)容用于完成具體的系統(tǒng)功能,滿足客戶需求[11]。
在完成WinCE操作系統(tǒng)定制時(shí),主要的工作在于修改WinCE操作系統(tǒng),使它能夠管理所有的底層硬件設(shè)備。WinCE操作系統(tǒng)必須通過OEM層來實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件設(shè)備的管理,具體來說與硬件功能直接相關(guān)的是OEM層的驅(qū)動(dòng)模塊,所以WinCE操作系統(tǒng)定制的主要工作是對(duì)OEM層驅(qū)動(dòng)的修改,所以O(shè)EM層的驅(qū)動(dòng)程序?qū)τ谇度胧讲僮飨到y(tǒng)非常重要,它主要是對(duì)實(shí)體硬件功能方面的描述,在需要的時(shí)候可以通過它來調(diào)用硬件設(shè)備[12]。正是因?yàn)镺EM層才可以實(shí)現(xiàn)廣泛的硬件支持。
圖3 Windows CE操作系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)[11]
注冊(cè)表對(duì)于WinCE操作系統(tǒng)也是非常重要的,它包含了操作系統(tǒng)內(nèi)部的配置、設(shè)置和使用參數(shù)。它對(duì)操作系統(tǒng)的啟動(dòng)過程、設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序以及應(yīng)用程序的加載過程都非常重要[13-14]。
WinCE的應(yīng)用程序開發(fā)環(huán)境使用VS2005IDE環(huán)境來開發(fā)托管代碼和原生代碼應(yīng)用程序,具體是使用Visual C++來開發(fā)原生代碼應(yīng)用程序,用C#來開發(fā)托管代碼應(yīng)用程序,它與桌面Windows的應(yīng)用程序開發(fā)環(huán)境非常類似[15]。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的軟件系統(tǒng)主要有兩個(gè)工作狀態(tài),初始化狀態(tài)和交售狀態(tài)。
網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)終端的初始化主要發(fā)生在兩種情況下:一是開機(jī)時(shí);二是在更改設(shè)備配置后軟件請(qǐng)求初始化。
網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)初始化軟件流程如圖4所示。控制中心在接收到初始化請(qǐng)求后,將發(fā)送設(shè)備配置表到目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn),然后網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)對(duì)照設(shè)備配置表進(jìn)行設(shè)備檢測(cè),完畢后提交設(shè)備狀態(tài)表給控制中心??刂浦行脑诮邮盏皆O(shè)備狀態(tài)表后,判斷設(shè)備是否異常,如果設(shè)備正常,進(jìn)入 “等待交售”狀態(tài);如果設(shè)備異常,用戶可對(duì)設(shè)備檢查后在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)重新初始化或在控制中心再次發(fā)送初始化指令,最終進(jìn)入“等待交售”狀態(tài)。
在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)初始化完成后,就可以進(jìn)入交售狀態(tài)。正常的煙草交售流程如圖5所示,包括排號(hào)、交煙刷卡、定級(jí)、磅碼、確認(rèn)刷卡、打印票據(jù)等5個(gè)步驟。其中交煙刷卡、定級(jí)、磅碼、確認(rèn)刷卡和打印票據(jù)都要通過網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)完成。
圖4 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)初始化流程
圖5 煙草交售流程
4.2.1 交煙刷卡
當(dāng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)成功初始化后,網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和終端設(shè)備進(jìn)入“等待交售”狀態(tài)。煙農(nóng)在交煙刷卡設(shè)備上刷卡開始交煙,讀卡設(shè)備接收到卡片信息后向網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)發(fā)送交煙申請(qǐng),網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)將判斷交售點(diǎn)是否空閑。如果交售點(diǎn)繁忙,則返回“不允許交煙”;如果交售點(diǎn)空閑,則向控制中心提出交煙申請(qǐng)??刂浦行膶⒏鶕?jù)排號(hào)、合同等信息判斷是否允許交煙,如果發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤不允許交煙,則通過網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)向交煙刷卡設(shè)備返回 “不允許交煙”信息;如果判斷允許交煙,則在交煙隊(duì)列中插入該煙農(nóng),然后激活定級(jí)鍵盤和磅碼設(shè)備,可以開始定級(jí)和稱重。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在交煙刷卡過程中的軟件工作流程如圖6所示。
圖6 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在交煙刷卡過程中的軟件流程
4.2.2 定級(jí)與磅碼
定級(jí)人員在定級(jí)鍵盤處輸入煙農(nóng)的煙草等級(jí),每一框輸入一次等級(jí),如果輸入的等級(jí)信息沒有錯(cuò)誤,定級(jí)終端設(shè)備將申請(qǐng)向網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)發(fā)送等級(jí)信息。線結(jié)點(diǎn)將等級(jí)信息加入到該煙農(nóng)的煙草交售表,此交售表的等級(jí)信息是沒有添加確認(rèn)標(biāo)志的。軟件系統(tǒng)暫時(shí)只允許同時(shí)有一人在線交售,所以必須等待前一位煙農(nóng)交售完畢后,才能夠進(jìn)行煙草交售。如果該煙農(nóng)是隊(duì)列首煙農(nóng),則對(duì)他的煙草交售表添加等級(jí)確認(rèn)標(biāo)志,之后網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)鎖定定級(jí)鍵盤,進(jìn)入“正在磅碼”狀態(tài)。磅碼員按定級(jí)時(shí)的煙框順序,依次輸入眼眶的重量。當(dāng)確認(rèn)發(fā)送磅碼信息后,網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)將接收到磅碼終端發(fā)送的重量信息,該重量信息加入到隊(duì)列首煙農(nóng)的煙草交售表,然后啟動(dòng)確認(rèn)刷卡設(shè)備。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在定級(jí)、磅碼過程中的軟件工作流程如圖7所示。
圖7 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在定級(jí)磅碼過程中的軟件流程
4.2.3 刷卡確認(rèn)和打印票據(jù)
網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在啟動(dòng)確認(rèn)刷卡之后,通過音頻模塊提示煙農(nóng)刷卡確認(rèn)。煙農(nóng)在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)處查看所交煙草的等級(jí)、重量信息,如果無誤,就可以在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)處刷卡確認(rèn)。這時(shí)只有交煙隊(duì)列首的煙農(nóng)才能完成刷卡確認(rèn),避免了一些可能發(fā)生的錯(cuò)誤操作。如果完成刷卡確認(rèn),則將該煙農(nóng)的煙草交售表設(shè)為 “已確認(rèn)”狀態(tài)。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)將已確認(rèn)的煙草交售信息發(fā)送到數(shù)據(jù)中心保存。數(shù)據(jù)中心將根據(jù)是否完成數(shù)據(jù)保存,將給網(wǎng)路節(jié)點(diǎn)發(fā)送返回值。如果保存成功,則將煙草交售表置成 “完成”狀態(tài),并保存到網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)本地,然后通過打印機(jī)打印煙農(nóng)交售表信息。打印之后,從交煙隊(duì)列中刪除該煙農(nóng),如果此時(shí),交煙隊(duì)列空,則初始化所有終端設(shè)備,進(jìn)入 “等待交售”狀態(tài),如果不為空,則初始化定級(jí)、磅碼終端,然后解鎖定級(jí)、磅碼終端,準(zhǔn)備隊(duì)列中下一個(gè)煙農(nóng)提交煙草。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在確認(rèn)刷卡和打印票據(jù)過程中的軟件流程如圖8所示。
用戶界面采用QT這種多平臺(tái)的C++圖形用戶界面應(yīng)用程序框架來完成。QT是完全面向?qū)ο蟮模讛U(kuò)展,允許組件編程。它的一個(gè)顯著特點(diǎn)是跨平臺(tái),用QT API開發(fā)出來的應(yīng)用程序,可以在不同的操作系統(tǒng)和視窗系統(tǒng)上執(zhí)行。
正常交售狀態(tài)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)處的顯示界面如圖9所示。此時(shí),隊(duì)列首的煙農(nóng) “張廣祿”已經(jīng)完成煙草定級(jí)與磅碼,正在等待刷卡確認(rèn)。通過控制中心排號(hào),此節(jié)點(diǎn)煙草交售隊(duì)列中還有15人,此節(jié)點(diǎn)已完成交售4人。為避免混亂,同一時(shí)刻在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)處只能有一個(gè)煙農(nóng)交售煙草。
考慮到網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備的實(shí)際使用環(huán)境比較惡劣,很可能會(huì)發(fā)生高溫工作環(huán)境,所以在完成機(jī)械結(jié)構(gòu)的時(shí)候,加入了一些散熱設(shè)計(jì),實(shí)際測(cè)試效果相對(duì)良好。設(shè)備在40度高溫下工作3小時(shí),未見明顯異常。
本文所設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備達(dá)到了設(shè)計(jì)目的,有效解決了煙草交售系統(tǒng)控制中心通信負(fù)擔(dān)過重的問題,提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)提供的刷卡確認(rèn)與票據(jù)打印功能更為煙農(nóng)帶來方便,避免了很多人為操作錯(cuò)誤的產(chǎn)生,減輕了煙農(nóng)的負(fù)擔(dān)。為了追求煙草交售系統(tǒng)的穩(wěn)定性與安全性,設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備的軟件系統(tǒng)還存在一些問題。在同一時(shí)刻,在一個(gè)收購點(diǎn)處只能有一位煙農(nóng)進(jìn)行煙草交售,這無疑會(huì)大大影響煙草交售的速度,下一步的改進(jìn)方案將著重于實(shí)現(xiàn)多人同時(shí)在線完成煙草交售。
圖8 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在確認(rèn)刷卡和打印票據(jù)過程中的軟件流程
圖9 交售狀態(tài)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)顯示界面
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