基于條形碼技術(shù)的車間監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)信息采集

摘 要 探討了使用條形碼作為信息載體的車間監(jiān)控系統(tǒng)信息采集的實(shí)現(xiàn)，分析了所需要的信息及其條碼編碼，介紹了Windows95環(huán)境下用RS-232串口中斷方式數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集的實(shí)現(xiàn)方法，以及客戶／服務(wù)器機(jī)構(gòu)模式下數(shù)據(jù)采集模塊與監(jiān)控模塊之間實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)傳送（DDE）的手段。

關(guān)鍵詞 條形碼 數(shù)據(jù)采集 動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換（DDE） 中斷

隨著計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用，生產(chǎn)技術(shù)發(fā)生了革命性的變化，柔性制造系統(tǒng)（FMS）已在國(guó)外得到較廣泛應(yīng)用。但對(duì)目前我國(guó)的大多數(shù)企業(yè)來說，高度柔性化的制造系統(tǒng)仍是一個(gè)難以承受的負(fù)擔(dān)，在一些生產(chǎn)量大的電器行業(yè)，如電冰箱、洗衣機(jī)、空調(diào)器等，以人工裝配為主、生產(chǎn)工位多的生產(chǎn)流水線形式仍占主要地位。

由于缺乏信息監(jiān)測(cè)手段，此類生產(chǎn)系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)種種問題：工位負(fù)荷缺乏定量關(guān)系，無法隨生產(chǎn)目標(biāo)、生產(chǎn)條件的改變均衡生產(chǎn)沒有生產(chǎn)監(jiān)視信息，故障事件得不到及時(shí)處理物流流動(dòng)缺乏指導(dǎo)，工位連接不暢導(dǎo)致阻塞和缺料事件。

條形碼以下簡(jiǎn)稱條碼技術(shù)由于其輸入速度快、準(zhǔn)確度高、成本低、可靠性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)而具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。我們開發(fā)的基于條碼技術(shù)的車間監(jiān)控管理系統(tǒng)是這種自動(dòng)識(shí)別技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用實(shí)例，其目的是為了監(jiān)控某復(fù)印機(jī)廠裝配流水線的生產(chǎn)狀況。載有各種生產(chǎn)信息的條碼或貼在部件和成品上，或放于相應(yīng)工位上，流水線出入口配有自動(dòng)條碼掃描器，各工位上則配有手動(dòng)條碼掃描器，這些條碼掃描器通過條碼掃描網(wǎng)絡(luò)儀連接到車間監(jiān)控計(jì)算機(jī)上。實(shí)際運(yùn)行時(shí)，自動(dòng)或手工掃描器將條碼信息送入車間監(jiān)控計(jì)算機(jī)上，在其上運(yùn)行的監(jiān)控軟件可以動(dòng)態(tài)地模擬整個(gè)車間所有流水線的實(shí)時(shí)動(dòng)作。一旦發(fā)現(xiàn)各個(gè)工位的故障及警報(bào)信息，及時(shí)通知值班人員，值班人員可以通過該系統(tǒng)查詢故障及報(bào)警信息，并根據(jù)該系統(tǒng)提供的參考處理辦法調(diào)度維修人員進(jìn)行搶修。

１ 系統(tǒng)的硬件及軟件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖１所示。

本系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)上分為兩大部分：（1）數(shù)據(jù)采集模塊：將條碼信息轉(zhuǎn)換為控制信號(hào)；（2）監(jiān)控模塊：對(duì)生產(chǎn)線各種狀態(tài)的動(dòng)態(tài)顯示和生產(chǎn)調(diào)度。軟件操作系統(tǒng)采用Windows95，由于數(shù)據(jù)采集模塊涉及低層硬件操作，用C++比較合適，而監(jiān)控模塊兼顧動(dòng)畫和數(shù)據(jù)庫操作，我們采用了VB4.0。數(shù)據(jù)采集模塊和監(jiān)控模塊進(jìn)程之間條碼信息的交換采用Windows系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換（DDE)實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

基于上述系統(tǒng)軟硬件結(jié)構(gòu)，要將條碼信息轉(zhuǎn)換成反映生產(chǎn)線現(xiàn)狀的控制信號(hào)，我們必須完成三方面工作:(１)生產(chǎn)信息分析及編碼；(２)使用RS-232串口進(jìn)行信息采集；(3)使用DDE實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集模塊與監(jiān)控模塊的通訊。本文給出以上三方面功能的實(shí)現(xiàn)。

２ 生產(chǎn)信息分析及編碼

車間監(jiān)控系統(tǒng)要用現(xiàn)代化的管理手段,在生產(chǎn)過程中，最合理地安排好生產(chǎn)流程，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并排除故障，使各生產(chǎn)工序處于最理想的正常工作狀態(tài)。為此，所需的生產(chǎn)信息基本上可分為以下幾個(gè)方面：

工件監(jiān)視

工件(指裝配線上的部件或成品)的情況，包括當(dāng)前位置、裝配狀態(tài)、裝配時(shí)間、關(guān)鍵測(cè)試數(shù)據(jù)。

操作工監(jiān)視

包括操作工崗位、工作狀態(tài)、技術(shù)水平及突發(fā)請(qǐng)求等的監(jiān)視。

生產(chǎn)過程監(jiān)視

包括流水線開工／停工，生產(chǎn)系統(tǒng)物流狀態(tài)，各生產(chǎn)單元完成工件的品種及數(shù)量，各工位實(shí)際勞動(dòng)負(fù)荷等。

故障監(jiān)視

包括直接故障及間接故障。直接故障是指明確包括故障源的故障信息，如設(shè)備故障、零件不足等；間接故障指未知故障源引發(fā)的系統(tǒng)級(jí)故障，如系統(tǒng)生產(chǎn)率明顯低于額定生產(chǎn)率等。

關(guān)鍵工位監(jiān)視

包括對(duì)直接影響整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)流程的重要工位各種數(shù)據(jù)的監(jiān)視。主要有生產(chǎn)勞動(dòng)負(fù)荷相對(duì)飽和的工位、生產(chǎn)限制條件多的工位如零件品種多，供應(yīng)源多，輔助設(shè)備多等、技術(shù)工藝要求高的工位等等。

基于以上生產(chǎn)信息的分析，監(jiān)控管理系統(tǒng)必須實(shí)現(xiàn)對(duì)跟蹤、監(jiān)測(cè)對(duì)象的自動(dòng)識(shí)別。目前最好的辦法就是采用條碼自動(dòng)識(shí)別技術(shù)。工業(yè)上最常采用的是39碼，本系統(tǒng)也采用這一碼制。用39碼制設(shè)計(jì)以上生產(chǎn)信息所需的條碼如下：

· 工件標(biāo)簽條碼：每個(gè)成品或重要部件上都貼有條碼，是其身份的標(biāo)識(shí)。

· 考勤條碼：載有該工位上操作工的信息。

· 操作狀態(tài)條碼：載有裝配開始／結(jié)束信息，用于工位操作狀態(tài)的監(jiān)視。

· 設(shè)備故障／故障排除條碼：用于監(jiān)測(cè)設(shè)備故障。

· 異常報(bào)警條碼：用于表示除設(shè)備故障外的各種故障信息。

·流水線狀態(tài)條碼：載有流水線開工和停止生產(chǎn)等信息。

· 撤銷輸入條碼：表示撤銷前一次的條碼輸入，用于工位數(shù)據(jù)輸入的容錯(cuò)。

３ 數(shù)據(jù)采集模塊的RS-232串口通訊

本監(jiān)控系統(tǒng)中條碼信息經(jīng)過條碼掃描器送到車間監(jiān)控計(jì)算機(jī)的串口COM2上(COM1被鼠標(biāo)占用)。所以條碼信息的實(shí)時(shí)采集就是串口數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集。 Windows95平臺(tái)下串口通訊的實(shí)現(xiàn)有以下三種方法：

（１)定時(shí)采集方式。設(shè)置一個(gè)定時(shí)器，每隔一段時(shí)間產(chǎn)生一個(gè)WM_TIMER消息，該消息的相應(yīng)函數(shù)讀取串口緩沖器中的數(shù)據(jù)。這種方法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但有以下幾個(gè)缺點(diǎn)：一是受Windows計(jì)時(shí)器數(shù)據(jù)分辨率的限制，最高采樣頻率為18.2Hz。另外WM_TIMER消息在Windows消息隊(duì)列中優(yōu)先權(quán)低，可能得不到及時(shí)響應(yīng)。最重要的一點(diǎn)是Windows會(huì)將消息隊(duì)列中沒有來得及處理的幾個(gè)WM_TIMER消息合并成一個(gè)，這意味著前幾次定時(shí)器消息沒有得到響應(yīng)，因而可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失。

（２)在Win95操作平臺(tái)下，利用其支持多線程的特點(diǎn)，開辟一個(gè)線程專門讀取串口數(shù)據(jù)。每當(dāng)串口有數(shù)據(jù)到來時(shí)，此線程被激活，讀取串口緩沖器中的數(shù)據(jù)；無數(shù)據(jù)時(shí)，該線程被掛起。盡管可以設(shè)置線程的優(yōu)先級(jí)，這種采集方式仍稱不上實(shí)時(shí)通訊。

（３ 保護(hù)模式下的中斷方式。Windows支持一種特殊的DOS服務(wù)，稱為DOS保護(hù)模式接口DPMI(DOS protected Mode Interface)，由一些INT 2FH和INT 31H組成?？梢杂密浿袛啵蒊NT 31H掛住保護(hù)模式中斷向量，以中斷方式處理外部實(shí)時(shí)事件。這種方式對(duì)數(shù)據(jù)量不太大但需要準(zhǔn)確及時(shí)響應(yīng)的條碼信息采集很適用，因此，我們采用這種方式。具體實(shí)現(xiàn)方案如下：

信息采集模塊主窗口第一次被創(chuàng)建時(shí)，Windows向它傳遞WM_CREATE消息，在該消息響應(yīng)函數(shù)中調(diào)用ＩＮＴ ３１Ｈ的０２０４Ｈ功能將老的中斷向量保存起來，用INT 31H的0205H號(hào)功能將中斷向量指向新的中斷服務(wù)例程監(jiān)控管理模塊退出時(shí)，Windows將向它傳遞WM_DESTROY消息在該消息響應(yīng)函數(shù)中調(diào)用INT 31H的0205H功能恢復(fù)老的中斷服務(wù)例程。以上步驟在VC++1.52集成開發(fā)環(huán)境中，采用嵌入?yún)R編方式加以實(shí)現(xiàn)。主要包括以下幾個(gè)函數(shù)

· 初始化串口2(VOID PASCAL InitCom2())

保存COM2的當(dāng)前狀態(tài)，然后把COM2的波特率設(shè)置為9600，每個(gè)字符8bits,1個(gè)停止位。允許0xOc號(hào)中斷。

· 中斷初始化(BOOL PASCAL InitComm())

調(diào)用DMPI，保存舊的0CH號(hào)保護(hù)模式中斷向量，設(shè)置新的保護(hù)模式中斷服務(wù)例程。

· 中斷服務(wù)例程(void_interrupt_far new_int())

處理信息的接收。判斷信息類型。如是異常信息，就向主窗口發(fā)送一自定義WM_INTERRUPT1消息；如是一般信息，則發(fā)送一WM_INTERRUPT2消息。

· 中斷恢復(fù)(VOID PASCAL Restore_Comm())

恢復(fù)COM2狀態(tài)，恢復(fù)0CH保護(hù)模式向量。

每當(dāng)串口有條碼信息到來，0CH中斷將發(fā)生，保證消息得到及時(shí)處理，因而實(shí)現(xiàn)了條碼信息的實(shí)時(shí)采集。

４ 數(shù)據(jù)采集模塊與監(jiān)控模塊之間DDE的實(shí)現(xiàn)

數(shù)據(jù)采集模塊采用中斷方式實(shí)時(shí)采集串口COM2的條碼信息的同時(shí)，還需將所采集的數(shù)據(jù)傳遞給監(jiān)控模塊。這兩者之間的信息交換采用Windows系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換(DDE)來實(shí)現(xiàn)。

4.1 動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換(DDE)

動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換(DDE)是一種進(jìn)程之間的通信形式，而DDE會(huì)話則是實(shí)現(xiàn)進(jìn)程通信的手段，它總是在一個(gè)客戶程序和一個(gè)服務(wù)器程序之間進(jìn)行的。啟動(dòng)會(huì)話并要求接收數(shù)據(jù)的應(yīng)用程序是客戶程序。響應(yīng)客戶程序的要求并提供數(shù)據(jù)的程序是服務(wù)器程序。

在早期的Windows版本中，DDE會(huì)話是通過進(jìn)程之間互相發(fā)送消息的形式來實(shí)現(xiàn)的，DDE協(xié)議就是一組預(yù)定義的消息，被發(fā)送的數(shù)據(jù)包含在消息的兩個(gè)參數(shù)(wParam和1Param)中。

在Windows3.0以后的版本中，采用了一種先進(jìn)的DDE方案，即動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換管理庫(DDEML)，DDEML提供了一系列API，將傳統(tǒng)的DDE消息及附屬的各種特征封裝在一個(gè)函數(shù)調(diào)用接口中，應(yīng)用程序通過調(diào)用DDEＭＬ中的函數(shù)實(shí)現(xiàn)DDE會(huì)話，從而交換數(shù)據(jù)或互相提供服務(wù)。在DDEML中，進(jìn)程之間傳遞的是事務(wù)事務(wù)是對(duì)數(shù)據(jù)和服務(wù)的請(qǐng)求，表現(xiàn)為一組預(yù)定義的常量，整個(gè)通訊過程都是圍繞著事務(wù)進(jìn)行的：首先，客戶程序向服務(wù)器程序發(fā)出建立聯(lián)接的事務(wù)，服務(wù)器響應(yīng)之后，聯(lián)接便建立起來；之后，客戶向服務(wù)器發(fā)出請(qǐng)求數(shù)據(jù)的事務(wù)，服務(wù)器便向客戶提供所需的數(shù)據(jù)，這一過程可以在建立聯(lián)接之后多次進(jìn)行；最后，當(dāng)客戶不再需要數(shù)據(jù)時(shí)，便向服務(wù)器發(fā)出終止聯(lián)接的事務(wù)，從而結(jié)束一次DDEML會(huì)話過程。

4.2 DDE服務(wù)器的實(shí)現(xiàn)(工具為VC++1.52)

DDE會(huì)話有三種方式，冷鏈、溫鏈、熱鏈。由于采集的數(shù)據(jù)要及時(shí)得到監(jiān)控程序的處理，我們就采用了熱鏈方式來傳送數(shù)據(jù)，即只要一有數(shù)據(jù)到來，采集服務(wù)器就立即把此數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)控程序。

下面我們應(yīng)用DDEML機(jī)制來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸編程。其步驟如下：

步驟１．創(chuàng)建用于處理各類DDEML事務(wù)的回調(diào)函數(shù)(HDDEDATA EXPENTRY_export DdeCallBack(WORD wType,WORD wFmt,HCONV hConv,HSZ hxz1,HSZ hsz2,HDDEDATA hData,DWORD1Data1,DWORD 1Data2)

在DDEML中，進(jìn)程之間傳遞的是事務(wù)，根據(jù)實(shí)際的需要，回調(diào)函數(shù)應(yīng)處理的事務(wù)如下：

·XTYP_CONNECT及XTYP_CONNECT_CONFIRM

證實(shí)客戶是否已連接到了采集服務(wù)器。

·XTYP_ADSTART

回復(fù)客戶熱鏈開始的申請(qǐng)。

·XTYP_ADVREQ

當(dāng)采集服務(wù)器一接收到信息時(shí)，就向客戶傳遞此信息，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換。

·XTYP_ADVSTOP

回復(fù)客戶熱鏈結(jié)束的申請(qǐng)。

·XTYP_DISCONNECT

回復(fù)客戶和服務(wù)器之間鏈接結(jié)束的申請(qǐng)。

步驟２．初始化DDEML (BOOL PASCAL InitializeDDEML(HWNDhWnd))通知DDEML該程序?qū)㈤_始使用DDE機(jī)制。

步驟３．登記服務(wù)名、主題名和項(xiàng)目名(BOOL PASCAL InitializeDDEML(HWND hWnd))

這涉及到WINDOWS的三級(jí)服務(wù)名稱管理體系。它們是；服務(wù)名(Server Name)、主題名(Topic Name)、項(xiàng)目名(Item Name)。首先，一個(gè)應(yīng)用程序作為服務(wù)器必須有一個(gè)服務(wù)名，當(dāng)客戶應(yīng)用程序希望和該服務(wù)器會(huì)話時(shí)，就在發(fā)出鏈接事務(wù)時(shí)指定這個(gè)服務(wù)器，從而識(shí)別出該服務(wù)器；主題名是指一個(gè)服務(wù)器所支持的各類會(huì)話主題的名稱，在一次會(huì)話期間，客戶程序只能和服務(wù)器就某一主題進(jìn)行會(huì)話，客戶在發(fā)出鏈接事務(wù)時(shí)指定所關(guān)心的會(huì)話主題；項(xiàng)目名是關(guān)于一個(gè)主題的各類數(shù)據(jù)項(xiàng)的名稱，在鏈接建立以后，客戶可以請(qǐng)求不同項(xiàng)目的數(shù)據(jù)，但都只能是屬于當(dāng)前主題范圍之內(nèi)。一個(gè)服務(wù)器可以決定自己所能支持的主題以及每個(gè)主題所擁有的各個(gè)項(xiàng)目。因此，服務(wù)名使客戶以找到服務(wù)器，主題名和項(xiàng)目名則合起來標(biāo)識(shí)客戶所需要的數(shù)據(jù)。

在這里，服務(wù)名為Server，主題名為TiaoMa，項(xiàng)目名則有兩個(gè)，一個(gè)名為BaoJing，專門傳送異常信息；另一個(gè)名為RuKu，專門傳送一般信息。

步驟４．結(jié)束DDEML使用(BOOL PASCAL cleanUpDDEML(HWND hWnd))

當(dāng)客戶已不再需要服務(wù)器的數(shù)據(jù)時(shí)，服務(wù)器需要被撤銷。

4.3 DDE客戶的實(shí)現(xiàn)工具為VB4.0

Microsoft公司的Visual Basic號(hào)稱Windows程序開發(fā)的快槍手，用它來開發(fā)Windows程序十分方便。我們?cè)赩B4.0下開發(fā)監(jiān)控系統(tǒng)的多媒體和數(shù)據(jù)庫操作部分。因此，需要在VB下創(chuàng)建DDE客戶程序。具體編程內(nèi)容如下

（１)確定服務(wù)名、主題名和項(xiàng)目名。在Startup Form假設(shè)為Form1)中放入兩個(gè)文本框(假設(shè)為Text1,Text2)，然后在文本框上單擊右鍵，在彈出菜單中選擇Properties屬性，在彈出的屬性對(duì)話框中將Text1和Text2的LinkTopic都設(shè)置為“Server1TiaoMa”，LinkItem為“0”Text1的LinkIdtem設(shè)置為“RuKu ”， Text2的zlinkIdtem設(shè)置為“BaoJing ”，或者可以在Sub Form1_Load()中加入下列幾行

Form1.Text1.LinkTopic=server1TiaoMa

Form1.Text1.LinkItem=RuKu

Form1.Text2.LindTopic=server1tiaoMa

Form1.Text2.LinkItem=BaoJing

（２)建立聯(lián)接．在主控程序中，用VB的Shell()函數(shù)啟動(dòng)采集服務(wù)器同時(shí)也是DDE服務(wù)器開始采集數(shù)據(jù)，然后加入下列語句

Form1.Text1.LinkMode=1

Form1.Text2.LinkMode=1

（３)拆除聯(lián)接．在Sub Form1_Unload()中加入下列語句：

Form1.Text1.LinkMode=0

Form1.Text2.LinkMode=0

此時(shí)DDE客戶程序向DDE服務(wù)器發(fā)出終止鏈接的事務(wù)，結(jié)束一次DDEML會(huì)話過程。

DDE的實(shí)現(xiàn)如圖3所示。

本系統(tǒng)采用了條碼自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，使車間生產(chǎn)線上的各種信息可以快速準(zhǔn)確地傳遞到監(jiān)控管理系統(tǒng)，以便系統(tǒng)及時(shí)地作出各種反應(yīng)，提高了工廠生產(chǎn)效率。

在開發(fā)過程中，解決了Windows操作環(huán)境中數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集的技術(shù)難題。同時(shí)，DDE不失為Windows下進(jìn)程間交換信息的好辦法。Visual Basic這個(gè)Windows應(yīng)用快速開發(fā)工具有不少優(yōu)點(diǎn)，用它來開發(fā)多媒體動(dòng)畫、數(shù)據(jù)庫查詢等程序非常方便，但它作為一種解釋執(zhí)行語言，要將它用在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)中，我們不得不慎重考慮它的運(yùn)行速度可能帶來的影響，需要采取妥善的辦法加以克服。