嵌入式儿童书帖检测系统的设计与应用*

胡小青，严辉容，李兴慧（四川工程职业技术学院机电工程系，四川德阳618000）

嵌入式儿童书帖检测系统的设计与应用*

胡小青，严辉容，李兴慧
（四川工程职业技术学院机电工程系，四川德阳618000）

针对儿童书籍在印后的配页过程中出现的多帖、少帖、错帖等不足现象，设计了条形码阅读器结合单片机构成的嵌入式控制系统，并从硬件和软件方面进行了优化设计。计算机为主机，单片机为从机，通过RS485串行通讯口，将控制单元的检测信息写入计算机数据库。并运用VB编写人机可视化界面，用户可以实时、简单、快捷地对生产线进行监控和错误处理。大大提高了书籍在配页过程中的质量，对以后类似书帖检测具有借鉴意义和推广价值。

儿童书籍；嵌入式控制系统；优化设计；VB

0　前言

近年来，越来越多的父母更加注重对儿童的早期教育。但考虑到电子学习产品机辐射较大，很多家长倾向于用书籍对儿童进行早期教育，因此对儿童书籍的印刷和装订质量要求也越来越高。为了保证儿童精装书质量，需要做到以下最根本的两点：一是提高印刷前的质量，也即配置性能较高的印前设备；二是保证印刷后装订的质量。儿童精装书在印后的加工过程中，不仅工艺流程较复杂，实施难度较大，而在配页工序中影响配页质量的是重复的多帖、少帖、错帖以及夹杂白纸等原因，它们最终导致整本书的浪费，造成经济损失[1]。

1　嵌入式儿童书帖检测系统的总体设计

书帖检测系统选用条形阅读器并结合单片机系统构成嵌入式控制单元，使用单片机的串行通信接口，通过RS485接口驱动芯片构组成总路线通信网。把n（n≤100）台单片机系统连接起来，组成一个分布式数据汇集和控制系统。计算机为主机，单片机为从机。通过RS485串行通讯口，将控制单元的检测信息写入计算机数据库。在配页机流水线上，每个装了书帖的配页站都要安装一个阅读器和嵌入式控制系统，而这所有书帖检测设备还可以通过总线连接到计算机，通过计算机中软件编程和设置进一步完成书帖统计、查询等功能。大大提高了书籍在配页过程中的质量，对以后类似书帖检测具有借鉴意义和推广价值。

首先在书帖的边缘部分（这部分在裁切工序中被切掉）印上条形码，每一种书帖对应一个条形码。方案中所设计的嵌入式控制系统由微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户应用程序等4个部分组成，用以实现对其他设备的控制、监视和管理等功能[2]。它可以同时使用100个条码阅读器，并且这n个条码阅读器分布于不同的检测工位，根据现场情况的不同，各工位之间的距离可能较大。在检测系统中采用嵌入式系统来对n个条码阅读器的信号进行处理后，再送上位计算机处理。如图1所示的系统结构框图。本系统中嵌入式系统通过总线与n个条码机通信，读取条码机的数据和状态信息，为保证数据通信的可靠性，综合成本因素，通信总线物理采用RS485协议，RS485总线由于采用差分信号，具有良好的抗干扰能力，在工业现场被广泛使用。由于采用差分方式，RS485总线可靠的通信距离可达1.2 km（9 600 bit/s时），能确保本系统数据传输的可靠性[3]。半双工方式，通信协议自行编写。

图1　系统结构框图

嵌入式系统采用增强型的8051系列单片机，工作频率可达25MHz，数据处理能力可以满足要求，嵌入式系统与PC之间由于距离很近（1～2m），而现有的PC机一般都取消了串口等设备，因此采用USB通信。在系统中，PC做为数据处理存储的终端设备以及人机界面使用。

2　嵌入式控制系统硬件整体设计

本方案所设计的嵌入式系统是以应用为中心、计算机技术为基础。软件硬件、可裁剪的适应应用系统，对性能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机控制系统[4]。控制系统设计了如图2所示的硬件功能框图，各部件的选取与电路设计如下述。

图2　嵌入式硬件系统框图

（1）CPU的选择

CPU选用Silicon Labartories公司的增强型51单片机。型号为C8051F020，C8051F020器件是完全集成的混合信号系统级MCU芯片，具有64个数字I/O引脚，真正12位、100ksps的8通道ADC，带PGA和模拟多路开关，高速、流水线结构的8051兼容的CIP-51内核（可达25MIPS）[5]。该单片机与传统的51单片机相比，处理速度大大提高，硬件资源也更加丰富，但指令与传统51单片机兼容且易于开发。

（2）芯片的选取

系统与上位PC机通信采用USB接口，接口电路采用南京沁恒电子公司生产的专用USB接口芯片CH372。该芯片集成了标准的USB传输协议，与CPU的连接简单，只需简单的端口读写操作就可以完成数据通信，而CPU无需对传输过程进行控制。在CH372芯片中，内置了USB通讯中的底层议。因此它具有方便灵活的内置固件模式和外置软固件模式。在前者模式下，这时端点0的所有事情由CH372及时处理，本地端单片机只需执行数据交换任务，因些程序很简洁。在后者模式下，各种USB请求，都由外部单片机自动处理，因而能实现符合各种USB类规范的设备[6-7]。如图3所示为CH372应用框图。

图3　CH372应用框图

（3）RSM485通信总线接口电路

RSM485通信总路线负责与条码阅读器和其他外围设备相连。有可能连接的外围设备，线路较长，为保证系统不受干扰，本系统采用隔离型的RSM485总线收发模块，RSM485系列隔离收发器模块，是集成电源隔离、电气隔离、RS-485接口芯片和总线保护器件于一身，方便嵌入用户设备，使产品具有连接RS-485网络的功能。该系列模块采用灌封工艺，具有很好的隔离特性，隔离电压高达2500V DC[8-9]。型号为RSM485，广州周立功公司生产。该模块已在工业通讯、煤矿行业、电立监控、楼宇自动化、石油化工、PlC与变频器的通信等工业现场广泛应用。

图4　RSM485实物图

（4）LCD显示器

LCD显示器用于显示系统的工作状态，采用1602型点阵字符型液晶显示器。

（5）掉电保存数据的存储器

为应对突然掉电等意外情况，防止数据丢失，系统中配置具有掉电保护功能的数据存储器。

（6）时钟及复位电路

由于在CPU内部有专门的时钟处理电路。因此外围只需连接石英晶体和负载电子即可，综合系统处理速度及稳定性的要求，本系统采用24MHz的石英晶体振荡器。

复位电路是保证CPU运行的关键电路，本系统采用专用的带看门狗功能的复位监控芯片。其型号为：MAX813L，MAX813L芯片是美国MAX⁃IM公司生产的微处理器专用监控器，具有上电复位、看门狗和电压检测等功能，并且有低功耗、智能化、微型化和高可靠性等优点，可提高系统的可靠性和准确性，是单片机复位和看门狗的实用电路[10]。

（7）电源电路

系统的电源质量直接影响系统工作的可靠性，本系统采用交流隔离和开关电源相结合的供电方法。图5为电源电路图。在工业现场设备的主要干扰源来自供电电路，本系统采用交流滤波器和隔离变压器后，可以有效地抑制来自电源的干扰。尤其隔离变压器由于磁饱和特性，还可以抑制因打雷等造成的流通电压，对设备的安全起动有重要的作用。

图5　电源电路图

3　嵌入式控制系统软件整体设计

（1）系统软件功能块组成

1）初始化程序

这部分程序实现系统的初始化操作，包括单件设置、通信参数设置、硬件的自检等功能。

2）通信程序

通信程序实现系统与各条码阅读机的通信。系统与各阅读机之间的采用半双工通信方式，以嵌入式系统为主机，所有通信都由主机发起，各条码阅读机只能被动响应主机的通信请求，这样可以保证通信的有序进行。主机先向第一台条码阅读机发出请求信息，条码机在接收到请求信号后，向主机返回状态信息和条码阅读机所读取的条码信息。在此之后主机又与第二台条码阅读机通信，读取信息，直到扫描完所有的条码阅读机。

3）系统与PC机通信程序

系统通过USB接口芯片CH372与PC机通信，这部分程序包括接收和发送两部分，实现与PC机的信息交换。系统与上位机之间的通信采用USB通信方式，利用CH372芯片实现与上位机之间的物理连接，在上位机中需安装CH372厂家提供的驱动程序。

整机的程序流程图如图6所示。

图6　整机流程图

（2）系统初始化程序

系统初始化程序实现如下功能：

1）CPU I/O口初始化，定义I/O口的输入输出类型、结构；

2）通信参数设定；

3）CH372工作模式设定及自检；

4）存储器自检；

5）设定系统的初始状态；

6）LCD显示器状态设定及状态检查；

7）看门狗设置。

在初始化程序中，除对相应的硬件进行初始设置外，还要对USB接口、LCD显器及内部RAM存储器进行状态检查，如发现这些硬件有故障时，则系统通过LED显示噐提示，并中止程序向下运行。

4　上位机人机界面的设计

为了提高程序的可读性及方便编辑和调试，使用VB编写人性化的操作界面。程序分为窗体模块和功能模块两个部分。在窗体模块设计了登录界面（如图7）、系统设置与输入界面、错误实时监测界面以及一些错误提示与处理消息框。通过这一可视化的用户界面，用户可以实时、简单、快捷的对生产线进行监控和错误处理。

（1）登录界面：主要检测用户的身份，用户名和密码都正确时成功登录、用户名或是密码错误时提示重新输入。

（2）系统设置与输入界面：进入此界面后，点击“初始化”后，系统将自动选中缺帖、错帖、白帖及错误处理方法。当出现以上三种情况时，系统将出现报警信号且生产线停止，单片机将根据设定好的软件输出警告指示信号，并向书帖剔除设备输出驱动控制信号，剔除包括错帖、白帖及缺帖书本。如果在选择“需测错误”类型时少选了一项，如少选了“错帖”，当在进行下一步时，系统会提示“系统将不检测错帖，请选择这一项”，程序如下：

Private Sub Command2_Initia_Click()

Text_NumLineProduct.Text="1"

Text_NumLineMonit.Text="6"

Check_LackP.Value=1

Check_ErrorP.Value=1

Check_EmptyP.Value=1

Option_WarningPau.Value=1

End Sub

（3）错误实时监测界面以及一些错误提示与处理消息框。接收告警信号，并显示当天接收的告警日志。该程序块实现了监控窗口的管理，当用户在上一级界面选择不同的设置时，该窗体上对应的按键会显示为灰色（不可用）或是正常色（可用）；同时，不同的错误信息出现时，给对应的标号赋值，用于信号的监测与显示。

5　总结

论文针对在儿童书籍在印后的配页过程中出现的多帖、少帖、错帖等不足现象，设计了条形码阅读器结合单片机构成嵌入式控制系统，并从软件和硬件方面进行了优化设计。计算机为主机，单片机为从机，通过RS485串行通讯口，将控制单元的检测信息写入计算机数据库。并运用VB编写人机可视化界面，用户可以实时、简单、快捷地对生产线进行监控和错误处理。该研究成果已在德阳市某印刷厂试用成功，书帖配页过程的错误率已从15%降至3%。大大提高了书籍在配页过程中的质量，对以后类似书帖检测具有借鉴意义和推广价值。

［1］张荣宝.配页机中书帖检测系统的研究［D］.上海：复旦大学，2006.

［2］英特尔软件学院教材编写组.基于英特尔凌动TM平台的嵌入式应用开发［M］.上海：上海交通大学出版社，2011.

［3］聂可富.基于RS-485总线的抄表系统设计［D］.南京：南京航空航天大学，2011.

［4］仲林国.基于机器视觉技术的嵌入式系统的研究［D］.杭州：浙江大学，2005.

［5］谢云山，刘一兵，陈晓富.PC8051F020在HART流量仪表卡应用中的抗干扰设计［J］.自动化与仪器仪表，2009，1（141）：86-88.

［6］兰冬情，熊庆国.基于CH372的USB通信技术的研究［J］.信息技术，2011（8）：102-103.

［7］Junhao Niu.Design of USB-CAN Controller Based on PIC18F4580［J］.Procedia Engineering，2012（29）：329-333.

［8］周立功.ARM嵌入式系统基础教程：第二版［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2008.

［9］Ian Doyle.How to protectyour RS-485［J］.Electronics Weekly，2011，2468：17-18

［10］饶勇刚.采用MAX813L芯片对复位电路可靠性提高的讨论［J］.咸宁学院学报，2008（12）：49-50.

(编辑：向飞)

Design and Application of Embedded Detection System for Children Signatures

HUXiao-qing，YANHui-rong，LIXing-hui
（DepartmentofMechanicaland Electronic Engineering，Sichuan Engineering TechnicalCollege，Deyang618000，China）

This paper focuseson the problems such as repeated posts，lesspostorwrong postafter printing of children'sbooks.To design an embedded controlsystem by combining bar code readerand single chip and furtheroptimize the design by using hardware and software. The detection information in the control unit iswritten to the computer database through RS485 serial communication port.Herein the computer serves as host and the singlechipe is slave.Through an alternate man-machine visual interface，customer can monitor the product line and solve problem timely，easily and fleetly.The book quality on page arrangement is improved significantly.This solution is alsoworth tobeused as referenceand spread in the similarapplication.

children'sbooks；embedded controlsystems；optimum design；VB（VisualBasic）

TH17 TN911

B

1009－9492(2015)04－0060－04

10.3969/j.issn.1009-9492.2015.04.016

*德阳市科知鉴（编号：2014009）

2014－09－04

胡小青，女，1980年生，河南周口人，硕士，讲师。研究领域：机械电子工程。已发表论文6篇。