基于射频卡定位技术的炼钢厂天车物流从站设计与实现

杜卫华， 张 婕，李金文，高树红

（1. 承德石油高等专科学校 电气与电子系，承德 067000；2. 承德科维电子设备厂，承德 067000）

0 引言

在炼钢厂，生产管理需要获得混铁炉铁水的入炉量、出炉量，按班、日、月进行统计汇总，获得转炉每炉钢的入铁量、废钢放入量、产钢量，这些数据的获取可通过现场天车吊运物料的重量变化、天车的位置变化再与炼钢厂的工艺流程相结合，计算机就可以根据重量逻辑、位置逻辑和时序逻辑来定性、定量判断天车进行了何种作业，从而自动计量出兑入铁水量、加入废钢量、出钢量和连铸消耗等，代替了抄报员的繁重工作。炼钢现场电磁干扰比较严重，天车的作业性质决定其数据只能无线传输，所以天车物流子站的设计是物流管理系统的核心。

图1 天车定位分布点及射频卡安装位置（地址）

本文以河南凤宝炼钢厂天车物流管理系统的天车物流子站设计为例，介绍了物流子站的设计方案。现场情况如图1所示，共有三跨：600t混铁炉跨，加料跨，浇钢跨，为了实现天车吊运作业内容和吊运物料种类进行判断，我们根据实际需要选定以下12个位置作为天车定位点（每个定位点加装位置标识即加装射频卡）。

1 子站结构及工作原理

子站系统采用模块化设计方法,由射频卡定位模块、重量调理模块、数据远传模块组成。

1.1 射频卡读卡器的设计

1.1.1 射频卡定位原理

射频识别是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据。RFID识别系统通常由射频卡标签、读写器、天线组成。工作时，读写器通过系统天线发送一定频率的射频信号，当射频卡标签进入发射天线工作区域时产生感应，从而获得能量并被激活。激活后的射频卡标签将自身编码等信息通过其内置天线发送出去，系统天线接受到射频卡标签发送来的载波信号，经读写器对其进行解调和译码，并将译码后的数据送到主系统进行相关处理以判断该卡的合法性，利用射频卡的这种特性就可以在天车定位点安装射频卡，在天车侧面安装射频卡读卡器，及时获取天车的位置信息。

1.1.2 射频卡读卡器的设计

1）读卡器天线设计

读卡器中的天线用于产生磁通量，而磁通量用于向射频卡片提供电源，对读卡器天线的设计有三点要求:

（1）天线线圈的电流最大,用于产生最大的磁通量。

（2）功率匹配，最大程度地利用产生磁通量的可用能量；

（3）足够的带宽，以无失真地传送数据调制的载波信号。

图2 系统电气原理图

根据频率范围的不同，使用不同的方法将天线线圈连接到读卡器发送器的输出端，通过功率匹配将天线线圈直接连接到功率输出级，或通过同轴电缆来馈送到天线线圈。由于MFRC531是低功耗设计，因此卡和天线之间的耦合系数必须满足一定的值，卡和天线之间的耦合系数不能低于0.3，天线的直径要求介于0.5～1.5mm之间。 在本设计中，天线采用65cm×54cm、天线导体宽度为本1mm、圈数为三圈的方形天线。这样，天线的电感通过下列公式计算得到[3]：

其中：L：读卡器天线感应；I ：天线导体长度（1圈）；D：天线导体宽度（必须介于0.5～1.5mm之间）；N：天线导体圈数（3圈）。

2）读卡器电路设计

图3 读卡器硬件组成原理框图

读卡器的硬件组成见原理框，如图3所示。Mifare射频卡进入距离射频天线100mm内，读卡器就可以读到卡中的数据。读卡器读到Mifare卡中的数据后，系统单片机要将所读卡号及时间一起存入存储器，同时指示灯闪一次，喇叭响一次，表示完成一次操作。

图4 读卡器及Mifare射频卡安装图

读卡要执行一系列的操作指令，调用多个C51函数。包括装载密码、询卡、防冲突、选卡、验证密码、读卡、停卡，这一系列的操作必须按固定的顺序进行。

读卡器和主CPU(C8051F020)之间采用应答方式通讯，可随时把卡号及读卡时间传送给主CPU。

1.2 称重传感器信号调理、秤体安装

称重传感器采用QS-M鱼背式传感器，传感器的灵敏度为2.0±0.005mV/V，最大供桥电压15V，信号调理电路由AD620高精度集成运算放大器和OPA27组成的滤波电路组成，电路增益通过调节Rg来实现,即 G=49.4/Rg+1，电气原理图如图5所示。

图5 QS-M传感器信号调理电路

鱼背式传感器安装于定滑轮轴或称重轴下方，每根轴装有2只传感器，传感器测得滑轮轴上钢丝绳张力，从而得到被吊重物的重量，传感器安装图如图6所示。

图6 传感器安装图

1.3 C8051F020单片机[1]

C8051F020是美国CYGNAL公司推出的混合信号系统芯片，是高度集成的片上系统，它嵌入了一款高速、低功耗、高性能的8位微处理器，最突出的特点是高速指令处理能力。C8051F020采用CIP-51微控制器内核，与MCS-51指令完全兼容。CIP-51采用流水线结构，与标准的8051相比，指令执行速度有很大的提高。片内集成了多通道12位和8位A/D转换器以及一个双12位D/A转换器，两个增强型UART串口，便于模拟量和数字量的采集，该单片机还集成有4KB内部数据RAM和64KB Flash,片内还配置了标准的JTAG接口，调试方便。

1.4 图形式LCD显示

系统采用 320X240 点阵图形式液晶显示模块,显示清晰、分辨率高、文本图形显示、具有EL背光。根据需要显示站号（S）、重量（W）、射频卡位置（P）等信息。

图7 子站前面板LCD显示图

1.5 通讯接口[2]

通过交叉开关把C8051F020单片机的P0.0，P0.1设置为TX0，RX0。 采用SP3223转换器实现TTL电平与RS-232电平相转换，数传电台采用ND-250A，其主要特点是日本原装，采用FET放大电路，体积小，功耗低。

表1 ND-250A数传电台主要性能参数

2 系统软件设计

2.1 主程序设计

图8 主程序流程图

软件设计采用模块化编程结构，包括初始化子程序、数据采集处理子程序、数据存储子程序、LCD显示子程序、按键获取程序、传感器标定子程序、站号设定子程序、串口通讯子程序。所有程序代码采用C语言编写，可以方便地调试和下载程序，主程序流程如图8所示。

2.2 通讯程序

地面上主站为及时获得每个天车重量（毛重、皮重）、位置信息，由逻辑推理后可自动生成各种报表，动态流程画面。主站采用轮寻点名方式通过无线数传电台ND250发送站号指令，所有子站收到站号指令后均与机内用户设定的站号比较，站号相同的子站把最新数据（包括位置数据、毛重量数据、净重量数据）通过数传电台ND250打包发送回去。为了降低无线传输中的误码率，采用循环冗余校验（CRC）的误码检测技术，在数据包后面添加数据校验和，为了减少数据包长度，提高传输效率，本系统采用了8位的CRC校验，生成多项式为[5]：G(x)=x8+ x5+ x4+ 1，CRC编码由程序完成。

3 结论[4]

射频卡代替传统的光电开关组,CPU采用SOC芯片单片机,无线传输部分采用功率、频段、BAUD可调的日精数传电台，系统抗干扰能力强、可靠性高、维护工作量小。该子站已在河南凤宝炼钢厂运行一年，满足设计要求。

[1] C8051F02x Data Sheets ,Cygnal Corporation.

[2] 李刚,林凌.与8051兼容的高性能、高速单片机-8051Fxxx.北京:北京航空航天大学出版社,2002.

[3] 莫德举.刘丽丽.RFIC卡读写器研发[J].仪器仪表学报,2003(8):14-16.

[4] 王广淘,扬喜梅.天车对位下料装置改进方法的探讨[J].铸造设备研究,2007(4):26-28.

[5] 宋汉珍.微型计算机原理[M].北京:高等教育出版社,2005.