CN105425655A - 一种基于CAN-Ethernet网关的无轴凹印机套色监控系统 - Google Patents

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邓忠华
陈智华
李曦
邓中立
邓忠富
李伟河
王丹
张涛
蒋建华
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Abstract

本发明涉及一种基于CAN-Ethernet网关的无轴凹印机套色监控系统，包括监控人机、一个以上套色单元控制盒、经以太网与监控人机连接并经CAN总线与各套色单元控制盒连接的CAN-Ethernet网关；所述监控人机通过以太网与所述CAN-Ethernet网关连接；所述套色单元控制盒通过CAN总线与所述CAN-Ethernet网关连接。本发明所提供的通讯网关结合了CAN总线和工业以太网各自的优点，实现了套色单元控制盒与人机触摸屏之间的远程实时通讯，既兼顾了实时性和可靠性，又方便实现远程监控；使系统的资源得到了充分利用，缩短了产品开发周期，降低了生产成本，提高了系统应用的灵活性。

Description

一种基于CAN-Ethernet网关的无轴凹印机套色监控系统
技术领域
本发明涉及无轴凹印机套色监控系统，尤其涉及一种基于CAN-Ethernet网关的无轴凹印机套色监控系统。
背景技术
无轴凹印机套色监控系统的数据传输量并不大，但对于实时性和可靠性的要求相对较高。其监控手段经历了从串口(如:232、485总线)到高速现场总线(如:CAN总线)再到工业以太网的发展历程。串口通讯结构简单、易于开发，但通信速率较低无法满足监控系统对实时性的需求。现场总线技术虽然在一定程度上能够满足实时性和可靠性的要求，但通信距离有限，无法实现远程通信。传统无轴凹印机套色监控系统的实现方案是：以工控机为上位机，套色单元控制盒作为下位机，二者之间采用主从结构的CAN总线通讯。由于工控机采用DOS操作系统，在此基础上利用C语言开发图形监控界面则变得十分繁琐，并且程序的兼容性低，不利于维护和升级。另外，工控机中的资源没有得到充分的利用，再加上其组装和维护不够方便，实际上提高了生产成本。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种CAN-Ethernet通讯网关与工业现场常用的人机触摸屏结合使用替代传统工控机的基于CAN-Ethernet网关的无轴凹印机套色监控系统。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种基于CAN-Ethernet网关的无轴凹印机套色监控系统，包括监控人机、一个以上套色单元控制盒、经以太网与监控人机连接并经CAN总线与各套色单元控制盒连接的CAN-Ethernet网关；所述监控人机通过以太网与所述CAN-Ethernet网关连接；所述套色单元控制盒通过CAN总线与所述CAN-Ethernet网关连接。
所述CAN-Ethernet网关采用DSP+CPLD架构，包括DSP核心控制模块、实现DSP核心控制模块与各外围器件时序配合的CPLD辅助控制模块、电源模块；所述DSP核心控制模块经CAN通信模块与套色单元控制盒连接；所述DSP核心控制模块经网络通信模块与监控人机连接。
还包括与CPLD辅助控制模块相连接的码盘信号处理模块、数码管显示模块。
还包括经电平转换模块与DSP核心控制模块、CPLD辅助控制模块连接的D/A转换模块、I/O扩展模块。
所述DSP核心控制模块包括DSP外围电路；所述DSP外围电路主控芯片为内部搭载32位浮点运算单元、主频为150MHz的DSP芯片TMS320F28335；所述DSP芯片包含18个PWM输出、3个32位CPU定时器、16通道12位ADC。
所述DSP外围电路包括一复位电路；所述复位电路包括一用于控制DSP芯片内核电压以保证DSP正常工作的TPS3808G19复位芯片。
所述DSP外围电路包括一串行SPI存储电路；所述串行SPI存储电路包括一用于保存重要参数以避免突然掉电导致参数丢失的非易失性铁电存储器FM25CL64B。
所述网络通信模块包括网络通讯电路；所述网络通讯电路包括DM9000A网卡芯片、网络变压器。
所述CAN通讯模块包括CAN自动收发电路；所述CAN自动收发电路包括一兼容CAN总线上电平、兼容DSP芯片内CAN模块收发引脚上电平的3.3V收发控制器SN65HVD233。
本发明的有益效果是：一方面，通讯网关结合了CAN总线和工业以太网各自的优点，实现了套色单元控制盒与人机触摸屏之间的远程实时通讯，既兼顾了实时性和可靠性，又方便实现远程监控，且便于在原有系统上进行升级，节省成本；另一方面，利用人机触摸屏提供的组态软件，我们可以方便高效的根据系统实际需求设计监控界面。该方案使系统的资源得到了充分利用，缩短了产品开发周期，降低了生产成本，提高了系统应用的灵活性。
附图说明
图1为本发明的结构原理框图。
图2为CAN-Ethernet网关的结构原理框图。
图3为复位电路原理图。
图4为晶振电路原理图。
图5为JTAG电路原理图。
图6为串行SPI存储电路原理图。
图7为DM9000A芯片的原理框图。
图8为网络通讯模块硬件结构原理图。
图9为网卡外围电路原理图。
图10为CAN自动收发电路原理图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图1所示，本发明采用分布式控制方案，每个套色机组单元有一个独立的套色控制盒，作为套色系统的下位机，负责独立完成两个相邻机组的套印。而人机界面(HMI)作为上位机，负责监控和显示各个下位机的运行状态。通讯网关起到桥接二者的作用，负责完成CAN协议与以太网协议之间的转换，一方面将下位机传回的实时监控数据传回到主监控人机，另一方面将上位机的操作指令传送到各个套色单元控制盒。同时，通讯网关通过实现套色纠偏算法，统一管理所有套色单元控制盒误差的纠偏过程，协调控制各个套色单元控制盒。以8色机组为例，整个监控系统主要由监控人机CAN-Ethernet网关、8个套色单元控制盒等构成。
CAN-Ethernet网关的硬件架构如图2所示，系统由DSP控制模块、CPLD辅助控制模块、CAN通信模块、网络通信模块、码盘信号处理模块、数码管显示模块、电源模块、电平转换模块、D/A转换模块、I/O扩展模块等组成。
DSP外围电路主控芯片采用TI公司目前工业控制领域先进的32位浮点DSP芯片TMS320F28335。该芯片内部搭载32位浮点运算单元，主频高达150MHz；支持256K字Flash和34K字RAM的片上存储空间，6通道DMA控制器；集成了多种增强型的控制外设，包括18个PWM输出，3个32位的CPU定时器，16通道12位ADC等。系统的DSP开发工具采用CCS3.3集成开发环境以及XDS510仿真器，在DSP平台上主要实现套色单元控制盒与监控人机之间的数据通讯、主站实时调度以及套色纠偏算法等功能。
复位电路采用TI公司专门为微处理器复位设计的TPS3808xxx系列芯片，该系列芯片具有低静态电流，延迟时间可编程等特点。由于F28335DSP的内核电压为1.9V，故选用TPS3808G19芯片来监控其内核电压。当内核电压低于芯片的阈值电压1.77V(大于满足DSP正常工作所需内核电压的最小值1.71V)时，会产生延时时间为300ms左右的复位信号输出给DSP的复位引脚，从而达到监控内核电压以保证DSP正常工作的作用。复位电路原理图如图3所示。
为了保证晶振时钟的精确性以及抗电磁干扰能力，DSP采用外接有源晶振的方式。此时，要求其X1管脚接地，X2管脚悬空，XCLKIN管脚接外部晶振时钟信号。外部晶振选用30MHZ时钟源，通过DSP内部的锁相环电路倍频便可得到需求的150MHZ工作时钟频率。晶振电路原理图如图4所示。
在实际实施过程中，考虑到JTAG下载口的抗干扰性，在与DSP相连接的端口中EMU0、EMU1管脚需外部上拉连接，管脚需外部下拉连接。对于TMS、TDI、TCK管脚，芯片内部已集成上拉连接，故无需再做处理。JTAG电路原理图如图5所示。
在本系统中，通常需要保存一些重要参数来避免突然掉电导致的参数丢失，需要借助外部的RAM存储芯片，选用Ramtron公司的非易失性铁电存储器FM25CL64B。该芯片内置8192字节的存储空间，支持SPI总线接口进行访问。相比于其他的EEROM，其具有更长的使用寿命、更快的读写速度以及更强的抗干扰能力。FM25CL64B采用3.3V外部供电，直接与DSP的SPI接口相连。此时，DSP为主机，FM25CL64B为从机，二者之间采用8-bit模式通信。串行SPI存储电路原理图如图6所示。
网络通讯电路中网卡芯片采用台湾DAVICOM公司的DM9000A芯片，DM9000A是一款高速以太网接口芯片，其基本特征是：集成自适应(AUTO-MDIX)10/100M收发器；内置16K字节的收发数据缓冲区；支持8/16bit两种主机工作模式，以便更好的兼容各种处理器；支持IP、TCP、UDP校验和的自动计算和对比，以减轻CPU负荷；支持自动协商功能，可根据特定网络环境自动配置网卡PHY的寄存器。其内部集成了EEPROM接口，上电时可通过该接口自动将外部存储芯片中的MAC地址等信息导入到网卡，从而实现芯片的初始化。DM9000A芯片的原理框图如图7所示。
F28335DSP与网卡芯片之间采用16bit的数据传送模式，网络通信模块的硬件结构如图2-8所示。理论上，网卡的收发信号可以不经过网络变压器直接接到RJ45接口上，也是能正常工作的。但是，传输距离会很受限制，而且芯片受到的外部干扰也很大。网络变压器的主要作用包括：其一，通过线圈耦合滤波来增强信号，从而使其传输距离更远；其二，使网卡芯片与外部之间形成电气隔离，有效地抑制了共模干扰，并且由于其本身的高耐压特性，对芯片也可起到防雷保护的作用；其三，当在不同的0V电平设备之间传送数据时，可起到信号电平耦合的作用，不会对彼此设备造成影响。所以，为了增强网络通讯电路的抗电磁干扰能力，可采用如图2-9所示的网卡外围电路。经实际检验，该方案能满足在复杂电磁干扰环境下正常工作的要求。
DSP芯片内部已经集成CAN模块，故只需在外部添加收发控制器即可。CAN自动收发电路采用TI公司生产的3.3VCAN收发控制器SN65HVD233，选用该款芯片一方面兼容了CAN总线上的电平，另一方面兼容了DSP芯片CAN收发引脚上的电平，这样无需再添加电平转换芯片，从而简化了电路结构。该CAN自动收发电路如图10所示。CAN信号以差分电压形式进行传送，两条信号线分别称为“CANH”和“CANL”。CAN收发控制器SN65HVD233的Rs管脚下拉接地，可使其工作在高速模式。发送数据时，当CANTX信号为低电平，差分信号CANH、CANL呈现“显性”电平状态；当CANTX信号为高电平，差分信号CANH、CANL呈现高阻状态，即“隐性”电平。接收数据时，根据VID＝VCANH-VCANL，当CAN总线为“显性”状态且VID≥0.9V，则CANRX表现为低电平；当CAN总线为“隐性”状态且VID≤0.5V，则CANRX表现为高电平。因此，通过上述电路可实现CAN数据的自动收发功能。
上述实施例提供了基于F28335DSP的CAN-Ethernet通讯网关的硬件实现方案，该方案力求电路在满足系统功能需求的前提下，同时具备很强的抗电磁干扰能力，以适应各种条件苛刻的应用场合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于CAN-Ethernet网关的无轴凹印机套色监控系统，其特征在于：
包括监控人机、一个以上套色单元控制盒、经以太网与监控人机连接并经CAN总线与各套色单元控制盒连接的CAN-Ethernet网关；
所述监控人机通过以太网与所述CAN-Ethernet网关连接；
所述套色单元控制盒通过CAN总线与所述CAN-Ethernet网关连接。
2.根据权利要求1所述的基于CAN-Ethernet网关的无轴凹印机套色监控系统，其特征在于：所述CAN-Ethernet网关采用DSP+CPLD架构，包括DSP核心控制模块、实现DSP核心控制模块与各外围器件时序配合的CPLD辅助控制模块、电源模块；
所述DSP核心控制模块经CAN通信模块与套色单元控制盒连接；
所述DSP核心控制模块经网络通信模块与监控人机连接。
3.根据权利要求2所述的基于CAN-Ethernet网关的无轴凹印机套色监控系统，其特征在于：还包括与CPLD辅助控制模块相连接的码盘信号处理模块、数码管显示模块。
4.根据权利要求2所述的基于CAN-Ethernet网关的无轴凹印机套色监控系统，其特征在于：还包括经电平转换模块与DSP核心控制模块、CPLD辅助控制模块连接的D/A转换模块、I/O扩展模块。
5.根据权利要求2所述的基于CAN-Ethernet网关的无轴凹印机套色监控系统，其特征在于：所述DSP核心控制模块包括DSP外围电路；所述DSP外围电路主控芯片为内部搭载32位浮点运算单元、主频为150MHz的DSP芯片；所述DSP芯片包含18个PWM输出、3个32位CPU定时器、16通道12位ADC。
6.根据权利要求5所述的基于CAN-Ethernet网关的无轴凹印机套色监控系统，其特征在于：所述DSP外围电路包括一复位电路；
所述复位电路包括一用于控制DSP芯片内核电压以保证DSP正常工作的复位芯片。
7.根据权利要求5所述的基于CAN-Ethernet网关的无轴凹印机套色监控系统，其特征在于：所述DSP外围电路包括一串行SPI存储电路；
所述串行SPI存储电路包括一用于保存重要参数以避免突然掉电导致参数丢失的非易失性铁电存储器。
8.根据权利要求2所述的基于CAN-Ethernet网关的无轴凹印机套色监控系统，其特征在于：所述网络通信模块包括网络通讯电路；所述网络通讯电路包括网卡芯片、网络变压器。
9.根据权利要求2所述的基于CAN-Ethernet网关的无轴凹印机套色监控系统，其特征在于：所述CAN通讯模块包括CAN自动收发电路；所述CAN自动收发电路包括一兼容CAN总线上电平、兼容DSP芯片内CAN模块收发引脚上电平的3.3V收发控制器。
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