（通信与信息系统专业论文）基于can的打印机内开放实时总线系统设计与实现.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 大型喷绘打印机，由众多子板构成。目前子板间多根据板载m c u 的i o 资 源，针对性的设计不同子板间的通信总线，使得整个系统呈现出多总线拓扑结 构，至少带来以下局限性：打印机特定应用环境下多总线拓扑易使主板成为拓 扑的中心节点，造成中心节点的通信压力大；当对某类子板进行不同型号替换， 那么通信对端的软硬件可能需要相应调整，造成子板不同型号替换的局限性； 不同公司的不同子板组合，极可能需要重新开发板间通信。针对大型喷绘机多 总线拓扑结构的不足，迫切需要各子板间控制流统一使用单总线拓扑。c a n b u s 具有通信速率高、实时性好、支持多主结构、m c u 普遍集成有片内控制器等众 多优点，可以采用c a n b u s 单总线承载多子板间的控制流通信，通过设计合理 的驱动层、传输层，使得各子板呈现出多主竞争、单总线拓扑的通信模式。 本论文的主要内容如下： ( 1 ) 研究工业喷绘打印机的系统构成、分析系统的板间数据流命令流交互 关系、分析机内板问总线拓扑结构及其不足。 ( 2 ) 在前期充分分析c a n o p e n 等现有成熟c a n 高层协议为基础，针对工 业喷绘机的具体应用环境，提出了工业喷绘机板间单总线拓扑结构、总线电路 设计、和软件的三层结构：驱动层、传输层、应用层。采用单总线拓扑结构、 多主竞争模式承载各子板板间控制流，是为了：从硬件上统一各子板间通信接 口；消除中心节点( 多为主板承担) ，使得在单总线拓扑下任何子板可以自由发 起对其它子板的通讯过程，一方面消除系统对中心节点的过度依赖，另一方面 在一定程度上消弱了系统各板问的设计耦合性。 ( 3 ) 定义了驱动层的接口、功能，并以l p c 2 3 7 8 为例来设计c a n 节点驱 动层，然后设计了c a n 节点传输层，给出了一套针对工业喷绘打印机基于c a n 的开放、实时总线系统的解决方案，使得整个网络能够可靠有效的承载板间控 制流。驱动层向传输层提供抽象接口，向传输层提供传输层包在c a n 总线上的 收发能力。传输层向应用层提供了四种通信模式，主要可分为基于会话的端到 端通信和基于c a n 节点的点到点通信，对应用层统一板间通信过程。 ( 4 ) 本论文最后还简单介绍了设计的开发测试流程，并列举了实际开发过 程中使用到的几种测试手段。 关键词：c a n b u s ；开放；实时；喷绘打印机 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t l a r g e s c a l ei n k j e tp r i n t e rc o n t a i n sm o t h e r b o a r d ，h e a db o a r d ( s ) ，p e r i p h e r a lb o a r d , m o t i o nb o a r d ，v a c u u m p l a t e ，e t c ，c o n s t i t u t e db ym a n yb o a r d s p r e s e n t l y , c o m m u n i c a t i o nb e t w e e nb o a r d sa r ed e s i g n e dd e p e n do nt h eb o a r d s i or e s o b l c e s ， m a k i n gt h ew h o l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mi np r i n t e rs h o w e da sm u l t i - b u st o p o l o g y t h i sm u l t i b u st o p o l o g y , a tl e a s th a v et h ef o l l o w i n gl i m i t a t i o n s ：f i r s t ，i nt h e p r i n t e r - s p e c i f i ca p p l i c a t i o ne n v i r o n m e n t s ，m a i nb o a r di sc o m m o n l yt r e a t e da st h e c e n t r o ln o d eo fm u l t i b u st o p o l o g y , s ot h a ta n yc o m m u n i c a t i o nb e t w e e na n yt w o b o a r d ss h o e db es u b j e c tt o c e n t r a l n o d e ( t h e c e n t r a ln o d ea c t sa s c o m m u n i c a t i o n a g e n c yi nt h i ss i t u a t i o n ) ，r e s u l t i n gh i g hc o m m u n i c a t i o np r e s s u r ei n t h ec e n t r a ln o d e ；s e c o n d ，a n yb o a r d sr e p l a c e m e n tw i t l lc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e c h a n g e s ，t h e ni t si n t e r - c o n n e c t e db o a r dm o s tl i k e l yn e e dt ob ea d j u s t e d ，r e s u l t i n g l i m i t a t i o n so fb o a r d sr e p l a c e m e n te v e ni ft h e s eb o a r d sh a v es a m ef u n c t i o n ；t h i r d ， w h e na s s e m b l ep r i n t e rw i t hd i f f e r e n tb o a r d sp r o d u c e db yd i f f e r e n tc o m p a n i e s ，i t s m o s tl i k e l yn e e dt or e - d e v e l o pi n t e r - b o a r dc o m m u n i c a t i o n b e c a u s eo fl i m i t a t i o n sb yu s i n gm u l t i - - b u st o p o l o g yi nl a r g e - - s c a l ei n k j e tp r i n t e r , t h en e e dt oc o m m u n i c a t ec o n t r o lf l o wa m o n gt h ev a r i o u sb o a r d sb yu s i n gs i n g l eb u s t o p o l o g yi sm o r eu r g e n t l y c a n b u sh a sm a n yv i r t u e ss u c ha sr e a lt i m e ，s u p p o r t t i n g m u l t i m a s t e rc o m m u n i c a t i o nm o d e ，m a n ym c ua l r e a d yi n t e g r a t e do n - c h i pc a n c o n t r o l l e r s ，e t c ，s o c a n b u sc a l lb eu s e da s s i n g l e b u sb e t w e e nb o a r d s c o m m u n i c a t i o no fc o n t r o lf l o w , m a k i n gt h ei n t e r - b o r a dc o m m u n i c a t i o ns h o w i n ga s m u l t i m a s t e rc o m p e t i t i o nm o d e ，a n ds i n g l e b u st o p o l o g y c a n b u s sl o w - l e v e l ( p h y s i c a ll a y e r , d a t al i n kl a y e oh a sb e e ns o l i d i f i e di n t o c a n - t r a n s c e i v e ra n dc a n c o n t r o l l e rr e s p e c t i v e l y i nc u r r e n ta p p l i c a t i o n ，s o m ej u s t i m p l e m e mas i m p l e & s p e c i f i c a t i o nh i g h - l e v e lo fn e t w o r kb a s e o ns o l i d i f i e d l o w - l e v e ll a y e r so fc a n b u sf o rs p e c i a la p p l i c a t i o ne n v i r o n m e n t ；o rj u s tu s ea m a t u r eh i g h l e v e lp r o t o c o lf o rc a ns u c ha sc a n o p e n ，d e v i c e n e t ，e t c c a n o p c n i m p l e m e n t st h ea b o v en e t w o r kl a y e r ( i n c l u d i n gt h en e t w o r kl a y e r ) o fo s im o d e l 武汉理工大学硕士学位论文 c h n o p e np r o t o c a li n c l u d e sa d d r e s s i n gs c h e m e ，m a n yc o m m u n i c a t i o n p r o t o c a l ， a p p l i c a t i o n - l a y e r d e f m e db yt h ee q u i p m e n t - p r o t o c a l ，s u p p o r t t i n gf o rn e t w o r k m a n a g e m e n t 。e q u i p m e n tc o n t r o l a n dc o m m u n i c a t i o nb e t w e e nn o d e s ，as i m p l e t r a n s p o r tl a y e rw h i c hc a nb e a rd a t at r a n s m i s s i o na n d s u b c o m b i n a t i o i l sa n ds oo n t h i sp a p e rt r yt ob r i n gak i n do fo p e n , r e a l t i m e ，r e l a t i v e l yl o wc o s t ，f i tf o r a p p l i c a t i o ne n t i r o n m e n tb yr e f e r e n c ea n da b s o r p t i o no f t h em a t u r ec a n o p e np r o t o c o l ， i nu c o s l lp l a t f o r mf o rs p e c i f i ca p p l i c a t i o ne n v i r o n m e n to fl a r g ei r 山j e tp r i n t e r s f o r t h e a p p l i c a t i o ne n t i r o n m e n t ，t oa c h i e v et h e d r i v e rl a y e ra n dt r a n s p o r tl a y e r s n e c e s s a r yf u n c t i o n sf o rc a nn e t w o r k ，t om a k ee n t i r en e t w o r kc a n b er e l i a b l ea n d e f f e c t i v ef o rc o m m u n i c a t i o no fc o n t r o lf l o wb e t w e e nv a r i o u sb o a r d s k e yw o r d s ：c a n b u s ；r e a l t i m e ；o p e n ；p r i n t e r i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其它人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 签名：雒旦塾监 日期：垫i ! ：垄 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其它复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 碱生( 獬) 牺舰刷撕儿蹭醐圳埘 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的目的和意义 大型喷绘打印机，由包含主板、头板、外设板、运动板、负压板等在内的 众多子板构成。目前子板间多根据板载m c u 的i o 资源，针对性的设计不同子 板问的通信总线，使得整个系统呈现出多总线拓扑结构。这种多总线拓扑结构 至少带来以下局限性：一是打印机特定应用环境下多总线拓扑易使主板成为拓 扑的中心节点，使得任意两板间通信均需经过中心节点，即中心节点有很大的 通信量用于承担通信代理角色，造成中心节点的通信压力大；二是如果替换子 板的通信接口发生变化，那么通信对端需要相应调整，造成同类子板不同型号 间替换的局限性；三是不同公司的不同子板组合，极可能需要重新开发板间通 皇 1 日o 基于以上大型喷绘机内多总线拓扑结构的不足，迫切需要各子板问控制流 统一使用单总线拓扑。c a n b u s 具有通信速率高、实时性好、支持多主结构、 m c u 普遍集成有片内控制器等众多优点，可以采用c a n b u s 单总线承载多子 板问的控制流通信，使得各子板呈现出多主竞争、单总线拓扑的通信模式。 c a n 的低两层( 物理层、数据链路层) 已经分别被固化成收发器和控制器。 目前在应用中，要么根据实际应用环境在固化的c a n 低两层上针对具体应用搭 建简单专用的高层，实现比较简单而有针对性的控制网络；或者使用c a n o p e n 等架构在c a n 上的成熟的高层通讯协议，c a n o p e n 实现了o s i 模型中的网络 层以上( 包括网络层) 的协定。 本论文在借鉴和吸收c a n o p e n 等已有的成熟机制上，针对大型喷绘机的具 体应用环境，提出一种具有开放性、实时性保障，相对来说能简化成本且具有 应用针对性的方案。针对应用环境，实现c a n 网络的驱动层和传输层的必要功 能，使的整个网络能够可靠有效的承载板间控制流。主要作了如下工作： ( 1 ) 研究工业喷绘打印机的系统构成、分析系统的板间数据流命令流交互 关系、分析机内板间总线拓扑结构及其不足。 ( 2 ) 以前期充分分析c a n o p e n 等现有成熟c a n 高层协议为基础，针对工 武汉理工大学硕士学位论文 业喷绘机的具体应用环境，提出了机内板间单总线拓扑结构、和软件的三层 结构。 ( 3 ) 以l p c 2 3 7 8 为例设计了驱动层、传输层，对高层应用逻辑( 应用层) 统一通信过程，整个过程围绕如何构建实时、开放的板间通信总线而进行。 本课题的目的在于针对工业喷绘打印机的具体应用环境，使用基于c a n 的 单总线拓扑结构承载板间命令流，通过合理的设计驱动层和传输层，提供开放、 实时的通信平台。使得任何使用该通信平台的子板，可以方便接入总线，实现 板间互联互通。通过合理的设计驱动层、以及针对喷绘机不同子板的通信需求、 硬件能力在驱动层设计了四种通信模式，使得通信平台可以广泛适用于从具有 高运算能力、复杂逻辑、高通信需求的子板( 如主板、头板等) 到仅逻辑简单、 通信需求低的子板( 如负压板等各种传感器小板) 间。 本课题的意义在于，通过单总线拓扑、多主竞争的通信模式，合理的设计 总线驱动层和传输层，可以：统一大型喷绘机板间总线通信接口及过程；简化 总线硬件设计；简化板间总线通信的软件设计，使各子板应用层基于传输层， 实现应用层间透明的数据传输。 1 2 国内外研究的主要内容和方向 目前世界上主要存在以下应用广泛的c a n 扩展协议： ( 1 ) c a n 0 p e n c a n o p e n 是由c a n i n a u t o m a t i o n ( c i a ) 组织所定义的标准，该标准由一组 协议集构成。协议集基于c a n 的分布式工业自动化系统的应用标准以及c a n 应用层通信标准，定义了c a n 总线高层协议。c a n o p e n 在发布后不久就获得了 广泛的承认，尤其在欧洲，c a n o p e n 被认为是在基于c a n 在工业系统中占领导 地位的标准。c a n o p e n 协议集基于所谓的“通信子集”，通信子集规定了基本的 通信机制及其特性。 参照i s o 的o s i 网络分层结构，c a n o p e n 网络结构如图1 1 所示： 2 武汉理工大学硕士学位论文 0 s il a y e r7 a p p l i c a t i o n l a y e r d e v i c ep r o f i l e | id e v i c ep r o f i l ei ld e v i c ep r o f i l e c i ad s p 一4 0 ll ic i ad s p - 4 0 4| jc i ad s 卜x “ c o r m m i c a t i o np r o f i l ec i ai ) ：5 - 3 0 1 图1 1c a n o p c n 网络结构( 参照o s l 分层结构) c a n o p c n 标准最核心部分是通过“对象字典( o b j e c td i c t i o n a r y ) 对设备 功能进行描述。对象字典包含两部分：1 、设备的基本信息，例如设备i d 、通信 参数、制造商等等。设备的特性和功能是以电子数据单( e d s ) 的形式描述，设 备的设置则通过设备配置文件( d c f ) 进行描述；2 、设备的特殊功能，一个1 6 位的索引和一个8 位的子索引唯一确定了该类设备在对象字典的入口，进而可 以对设备进行基本网络访问。 c a n o p e n 的基本数据传输机制分为两种：1 、通过进程数据对象( p d o ) 对小型数据进行高速数据传输。p d o 通常采用事件触发、请求、或者循环方式 发送，它没有上层附加协议。一个p d o 一次最大可传输8 字节数据。在连接一 个同步报文的时候，整个c a n o p e n 网络都可以采用同步方式对p d o 进行传送 和接收；2 、通过服务数据对象( s d o ) 对对象字典进行访问。s d o 主要用于传 输大容量数据块或在设备配置过程中传输参数，实现网络节点间可靠的数据传 输，通过传输对象字典的索引和子索引，可以定位对象字典的相应入口。通过 s d o 传送报文可以不受长度的限制，但传送s d o 报文需要额外的协议开销。 ( 2 ) d e v i c e n e t d e v i c e n e t 是由a l l e n b r a d l e y 公司( r o c k w e l 自动化) 开发的一种高性能的 基于c a n 的开放现场总线协议。d e v i c e n e t 协议目前在美国和亚洲的市场上处 于领导地位，并且在欧洲也获得了广泛的应用。o d v a ( d e v i c e n e t 用户组织) 负责发布d e v i c e n e t 协议规范，以及对d e v i c e n e t 协议进行维护。 d e v i c e n e t 协议简单，实现成本低廉。网络结构如图1 2 所示： 3 武汉理工大学硕士学位论文 d e v i c e n e t o s il 8 y c r7 a p p l i c a t i o nl a y e r a p p l i c a t i o n l a y e r s p e c i f i c a t i o n v o l u m ei i 罂脚们d a t a l i n kl ayerdi c a n 砒n k l a y e r s p e c i f i c a t i o n 0 s i 蛳l p h y s i c a ls i g n a l i n g p h2 0 ( a & b ) y s i c a ll a y e r 0 s i 啦e rl c a nt r a n s c e i v e rd e v i c e n e t p h y s i c a ll a y e r s p e c i f i c a t i o n o s m il e d a y i a e r o t r a n s m i s s i o nm e d i av o l u m e i 图1 2d e v i c e n e t 网络结构( 参照o s l 分层结构) d e v i c e n e t 协议支持面向连接的点对点( 或多点) 间进行数据传输，既支持 主从模式，也支持多主模式。d e v i c e n e t 设备间数据传输基于报文，报文主要分 为高优先级的进程报文和低优先级的管理报文，两种类型的报文均可以通过分 段模式来传输无长度限制的数据。 图1 2 为参照o s l 分层结构的d e v i c e n e t 网络结构。d e v i c e n e ts p e c i f i c a t i o n v o l u m ei i 对应o s i 第7 层应用层、d e v i c e n e ts p e c i f i c a t i o nv o l u m ei 对部分o s i 第1 层( 收发器) 以及o s i 第0 层( 传输介质) 相关内容进行了规定，为d e v i c e n e t 节点的物理连接提供了标准。d e v i c e n e ts p e c i f i c a t i o n v o l u m ei 对电缆长度、电缆 类型、连接器等等进行了规定，d e v i c e n e ts p e c i f i c a t i o nv o l u m ei i 对基于通信的 显示、操作集合及其对应的封装形式等等进行了规定。 ( 3 ) i c a n i c a n 英文全称为“i n d u s t r yc a n b u sa p p l i c a t i o np r o t o c o l ，即“工业c a n b u s 应用层协议 。i c a n 协议使用了c a n 标准协议所规定的c a n 总线物理层和数 据链路层，仅对c a n b u s 报文中的帧标识符和数据净荷域进行了重定义。参照 o s i 网络分层模型，i c a n 协议的全部内容位于o s l 的第7 层( a p p l i c a t i o nl a y e r ) 。 i c a n 协议详细的定义了c a n b u s 报文中帧标识符以及c a n 报文数据净荷 的分配和应用，建立了统一的设备模型，定义了设备的i o 资源描述方式和对设 备的访问规则，主要内容包括：报文格式定义、报文传输协议、设备定义、网 络管理。报文格式定义，规定了i c a n 协议中所被使用的c a n 帧类型、以及帧 i d 、c a n 报文数据净荷字段的使用；报文传输协议，规定了基于i c a n 协议的 标准设备之间的通讯方式；设备定义，包括定义设备标识、设备通讯、设备应 用单元和设备的应用参数，同时定义一组标准设备类型，用于区分网络上不同 4 武汉理工大学硕士学位论文 设备具有的不同功能或类型；网络管理，规定了设备通讯的监控方式以及对错 误的管理。 d e v i c e n e t 和c a n o p e n 是使用最为广泛的c a n 扩展协议，均可以实现相类 似的功能。d e v i c e n e t 则强调不同的优先权，例如在d e v i c e n e t 网络中，每一个 节点均存在独立的网络管理功能，是一种分布式控制网络，因此每个节点都可 以监控其他节点；而在c a n o p e n 网络中，则采用了中心授权机制，通过一个 n m t - m a s t e r 节点集中对网络进行管理。c a n o p e n 的通信机制相比d e v i c e n e t 更 加简单，从而可以降低设备的复杂程度。d e v i c e n e t 可以提供更高的安全性，相 应的会消耗更多的资源。 i c a n 协议充分吸收了c a n o p e n 和d e v i c e n e t 协议的精粹，并在此基础上 充分继承和发展了基于对象寻址和基于连接寻址两种核心功能。i c a n 协议支持 多种传输方式：状态触发方式、轮询方式、定时循环方式，去掉了复杂的基于 对象模式、通信波特率限制等等。i c a n 以高效简单的协议，保证设备间数据通 信的实时性和可靠性，同时能够有效降低硬件的实现成本。 1 3 本文的主要工作及内容安排 本论文在借鉴和吸收c a n o p e n 等已有的成熟机制上，针对大型喷绘机的具 体应用环境，力图提出一种具有开放性、实时性保障，相对来说能简化成本且 具有应用针对性的方案。针对应用环境，实现c a n 网络的驱动层和传输层的必 要功能，使的整个网络能够可靠有效的承载板间控制流。 全文共分5 章，主要内容安排如下： 第2 章首先简单介绍c a n 总线的分层结构，然后简要的介绍了c a n 协议， 包括协议规定的c a n 通信帧结构( 数据链路层) 、对出错的检测和标定。 第3 章主要介绍了喷绘机的组成结构，然后分析了喷绘机内命令流、数据 流的构成和流向，以及目前喷绘机多使用的板间多总线拓扑结构。 第4 章提出基于c a n 的单总线拓扑结构，并主要分析如何实现c a n 节点 的驱动层和传输层。 第5 章总结了本文的意义、目的和工作内容。 5 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章大型喷绘打印机系统结构 2 1 打印机组成结构 大型工业用打印机由于不同型号的区别，也可能由于客户的特别要求而采 用不同的打印头，不同的运动控制机制，不同的传感器方案蛆及人机操作界面 等等。通常的做法是把打印机系统分成主板、运动板、头( 打印头) 板、外设 板等四个主要板级模块。不同的板子下可能根据需要挂载不同的子板，如l c d 板、负压板、喷头底板等。打印机组成结构示意图如下图2 - l 所示。 2 2 主板 图2 - 1打印机组成结构示意圈 主板在整个打印系统中担任调度中心的角色。主板一般应具有如下功能： 给运动板技送具体串口命令，间接控制小车运动。打印时，主板根据当前 位置、当前b a n d 及f b a n d 的位置和偏移，计算出小车应该如何运动才能正 确并且高效地打印出当前b a n d 。然后把包含了运动方向、距离和速度的最终串 口命令发送给运动板，由运动板执行具体的动作。打印中清洗时，主板根据当 武汉理工大学硕士学位论文 前位置、当前b a n d 的位置和偏移以及清洗位置计算出运动轨迹。空闲清洗时稍 微简单一些，直接根据当前位置和清洗位置计算运动轨迹。另外，主板还接收 p c 发送的运动命令，转化为通讯命令发送给运动板。 转发p c 和卫星板之间的通讯命令。卫星板上有些外设需要由p c 直接或间 接控制，此时，主板担任中间人的角色，负责把p c 发出的控制命令或外设动作 命令转化为通讯命令发送给卫星板。 主板连接p c 上位机、运动板、外设板和头板，是整个打印机系统的中枢系 统，负责接收及分解命令、传递待打印的图像数据、从各连接板汇总状态、处 理非致命异常。 2 3 头板 头板是喷绘机控制系统到喷头的接口电路板。它的一端连接喷头，另一端 连接主板，为喷头提供打印数据、控制信号和功率驱动信号，为主板提供尽量 一致的控制界面，掩藏喷头的物理细节。 p o w e r x a i n b o a r d ji 上 t e m p e r a t u r e c u r t e n t1 l u n p 。k e dd atatemnerature 呻， s e tp o i n t a n do t h e r& l st r a n s c e v e r c o b w a n d s p a p e r ( 脑4 8 5 )t h i c k n e s sjl - 口 士：需啪 呈 1r 。 m c u 广 c p l d 一 o o jijl o p i x e l p o t e n t i o 曲t e r f i r e d a t a ot a pp o s i t i o n p u l s e l c l o c k卜 s e t r o t r i ，e ( r r l ) ( s p io ri 锄 ( r r l ) o 1 r1r1r j p u l s el e v e l g e n e r a t e rs h i f t e n c o d 盯 t e m p e r a t u r e 。h n e 卅a t e r f p i l h i l g h ( 衄v o l a t l a 。g g ) e p a p e rp a p e rw l d t h i av o l t a g e h ( b i c i 唧k n e s ； h e a db o a r d ( 蛳霉 ( t t l ) l a c ko tl 畦 ( b i n a ”) 1 r1 r 一h e a t e r l ，r i - 一：一一 j e th e a d s e n s o r - - j0 u 1 图2 - 2 头板结构示意框图 7 武汉理工大学硕士学位论文 如图2 2 所示，头板这主要包括数据、控制信号、功率驱动、电源和控温几 大部分。在目前的系统构架下，数据直接来自主板，在头板上仅仅经过驱动或 电平变换，没有任何处理，而且大多数头板配备的可编程逻辑器件的时钟频率 都很低，跟不上数据的速度。 喷头的控制信号由c p l d 产生，c p l d 接受来自主板的统一的控制信号，产 生各种喷头特有的控制信号。有些控制信号并不送到喷头而是控制头板的脉冲 发生器，用来产生驱动喷头的功率脉冲。脉冲发生器由两部分构成，前半部分 是可调电压源，因为每个喷头对电压都有独特要求，后半部分是半桥为核心的 功率电路。 头板上的几乎所有参数都可以通过主板远程调节，头板上m c u 主要就是实 现这个功能的。头板m c u 另一个很重要的功能是控制喷头恒温，m c u 为核心 构成了一个数字的p i d 反馈环路。它通过测量紧贴喷头安装的热敏电阻上的电 压，得知喷头温度，使用p i d 算法计算出当前加热需要的功率，然后按这个功 率周期开启加热器，将喷头控制到设定的温度。 电源部分用来产生头板需要的各种电压，保证逻辑电路与功率电路的上电 顺序，并且在供电过压、过流、极性接反等有害情况下保护头板电路。 头板与主板的打印数据接口是l v d s ，这种接口有抗干扰能力强、电缆芯数 少的优点。主板送来的信号需要由l v d s 接受芯片由差分解为单端信号，送到 主板的信号也需要由类似的发送芯片打包成l v d s 信号。 主板与头板r s 4 8 5 总线逻辑结构如下图2 3 所示： 2 4 外设板 图2 3主板与头板r s 4 8 5 总线逻辑结构 打印机系统除了上位机( 一般为p c 机) 可以向主板发送控制命令外，还可 通过打印机身上的人机界面( 如l c d 和键盘) 与操作人员交互。外设板接收主 8 武汉理工大学硕士学位论文 图2 - 4 外设板结构示意框图 板传递来的包括打印状态、出错状态等信息，并控制着l c d 显示；同时接收操 作人员的操作指令( 如进退纸、移动小车、清洗、压墨等) ，翻译并封装命令发 送给主板。 外设板根据主板传递过来的动作命令还控制着诸如压纸杆、墨泵、进退纸 用的步进电机等机电部件；控制着打印机上诸多传感器( 如气瓶压力、墨量、 检测压纸杆压力等传感器) ，接收主板查询，随时准备把传感器状态递交主板。 外设板m c u 负责搜集传感器状态、获取按键事件、l e d 上显示界面绘制， 同时作为从设备，随时接收主板传递过来的命令、事件，同时响应主板的按键 事件和传感器状态的查询请求。 主板与外设板r s 2 3 2 总线逻辑结构如图2 5 所示： 图2 5 主板与外设板r s 2 3 2 总线逻辑结构 r s 2 3 2 为点到点串行总线，主板配置成r s 2 3 2 主设备，外设板配置成从设 备。任何方向的数据交互都是由主板发起，外设板响应。 9 武汉理工大学硕士学位论文 2 5 运动板 运动板主要的用途是接收主板发来的小车( 其上载有一组若干个打印头) 运 动过程控制相关信息，精确的控制小车运动。包括控n d , 车在进入打印区域前的 加速运动、进入打印区后的匀速运动与位置校准、推出打印区的减速过程等。 运动板还负责获取小车的即时位置、加速度。比较精确的方法是光栅法， 需要获取小车运动过程中的光脉冲数，并依此算出加速度、即时速度、和小车 在工作台上的位置，周期性的或必要时把相关参数递交主板。 2 6 命令、数据流 打印机主板是整个系统的中枢，负责接收上位机传递来的作业数据、接收上 位机或外设板采集的操作指令、分解命令并分别控制各卫星板动作、接收卫星 板的工作状态、采集各卫星板的异常情况、并对非致命异常自主处理。 图2 - 6 是以主板为中心视角的打印机系统的命令数据流示意图，黑色箭头代 表待打印图像数据的流向，灰色箭头代表着打印过程中命令流向。 待打印的图像，在上位机经过颜色空间转换、分割等处理一遍符合打印头、 打印方式等要求。经过处理后的图像数据块，由上位机通过u s b 或以太网递交 给主板，主板接收到数据后立即转发头板。此过程中主板不对图像数据做任何 处理，仅相当于数据代理的角色。 主板接收上位机伴随图像数据的关联控制信息、各卫星板打印过程的执行 进度与状态，同时协调各卫星板的动作匹配。 对于图像数据，要求稳定速率大于2 0 m b p s ，峰值速率可以达到3 0 m b p s 。 所以图像数据从p c 传递到主板一般采用u s b 2 0 或是e t h e r n e t 方式，主板m c u 接收到数据后一般把相关接口配置成旁路输出方式( 如c y 7 c 6 8 0 1 3 的g p i f 接 口) ，不经过m c u 核直接转递到头板。 打印机内其他命令、状态数据，对数据率的要求并不高，但要求较高的通 讯实时性、抗干扰性。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 图2 - 6 打印机命令、数据流示意图( 主板视角) 2 7 多总线拓扑结构 为了适应2 3 节中描述的命令流要求，目前打印机多采用以主板为中心、多 总线、星型拓扑的结构，如图2 7 所示。 武汉理工大学硕士学位论文 图2 7 打印机多总线拓扑结构 多总线拓扑结构的优点在于，其可以充分利用选型m c u 上已有的各种接 口，但其同是会产生以下各种问题： ( 1 ) 开发成本高 ( 2 ) 不同类型、不同公司的板子难以集成 ( 3 ) 主板位于星型拓扑的中心，很多时候频繁的在各卫星板和p c 间简单 的传递信息，任务繁重。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章打印机板间c a n 总线设计及实现 3 1 总线拓扑结构 根据c a n 协议【4 】的定义，c a n b u s 具有以下典型特点： ( 1 ) 多主竞争：每个节点均可在总线空闲期，主动发送消息或请求数据。 当有多个总线节点同时发送，发送高优先级i d 消息的节点会赢取总线总裁， 并且不会破会发送过程( c s m a c a 方式、载波监听多点接入冲突避免) 。 ( 2 ) 实时性：总线节点发送的报文格式固定，且报文长度短小。这样既可 避免总线独占增强总线实时性，还能降低c a n 收发器的实现复杂度。 ( 3 ) 良好的扩充性：c a n 节点没有类似节点“地址 属性。因此当需要在 总线上增加c a n 节点时，不会对已经存在的节点造成任何影响。 ( 4 ) 通信速度：根据实际需求，可以对c a n b u s 设置合适通信速度。但在 同一段c a n b u s 总线上，所有节点应以统一速度通信。 ( 5 ) 远程数据请求：c a n 节点通过发送远程帧，来请求其他节点发送指定 数据。 ( 6 ) 错误检测、界定、回复：所有节点都可以检测错误。检测出错误的节 点会立即同时通知总线其他节点发生的错误。正在发送消息的节点一旦检测出 错误，会强制结束当前报文的发送，之后会反复地重新发送，直到此消息成功 发送为止。 ( 7 ) 故障封闭：c a n 节点可以判断错误类型，是总线上暂时的数据错误 ( 如外部噪声干扰) 、还是持续的数据错误( 如节点内部故障、驱动故障、断线 等) 。当c a n 节点检测出持续故障后，会主动脱离总线，以避免对总线其它节 点的干扰。 一个典型的c a n b u s 节点的分层结构如图3 1 所示： 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 应用层 对象层 一报文滤波 报文和状态的处理 数据链路层 一报文分帧 一总线仲裁 一报文校验 故障界定 一错误检测和标定 二应答方式 一传输速率和定时 物理层 一传输电平和数据位表示 一传输媒介 图3 1 典型c a n b u s 节点分层结构 物理层定义实际信号的传输媒介、数据位在传输媒介上的电信号表示、以 及数据在媒介上传输的电器特性。c a n b u s 技术规范没有定义物理层，在实际应 用中，可以根据具体应用对象和环境，对传输媒介和信号电平进行优化。 数据链路层定义了c a n b u s 同构网络中的位定时及同步机制、报文分帧、 仲裁机制、应答方式、错误检测和标定、故障界定。c a n b u s 技术规范详细定义 了数据链路层。 目前已经固化的c a n 控制器( 片内或独立) 、收发器( 片内或独立) 实现 了图3 1 中物理层和数据链路层的功能。 对象层的内容是报文滤波、报文状态、以及报文处理。 应用层包含了各种基于c a n b u s 的应用，它们通过c a n b u s 来实现数据的 通信。 在大型喷绘打印机系统内，主要包含有：主板、主板二部( s u b c p u ，主要 负责与上位机联系，以及驱动上位机传递过来的图像数据通过高速数据总线直 接递交给头板) 、运动板、外设版、以及若干头板。 p c 上把打印图像处理过后的图像数据发送给主板，由主板二部负责转发给 头板。此条打印数据链路要求有较高的带宽，仍采用原有连接方式，即p c 到主 板为u s b 2 0 或e t h e m e t ，主板到头板采用l v d s 。 板间除图像数据外还有控制命令、状态数据、应答反馈。此类数据通信特 点是通信频繁、单次通信数据量少、通信实时性要求高、能够有较强的抗干扰、 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 较好的检错容错能力。c a n b u s 能够满足此类所有的通信需求。 打印机的c a n b u s 总线拓扑结构如图3 2 所示。 图3 2 基于c a n b u s 的打印机单总线拓扑结构 在图3 2 的c a n b u s 总线拓扑结构中，主板一部、主板二部、运动板、外 设板、和各头板均作为各个c a n 节点挂在在总线上。 3 2c a n 节点层次结构 主板俩部、运动板、外设板、和各头板，乃至未来可能挂载在打印系统内 的其其它类型或厂家的子板，在c a n b u s 上，均被当做一个个独立的c a n 节点。 所有c a n 节点统一通过机内c a n 总线进行命令、数据的通信。 一个典型的c a n 节点由硬件层、驱动层、传输层、应用层组成 硬件层包扩了内置或外置的c a n 控制器、c a n 收发器、光电耦合器件等 c a n 总线硬件设计。不同子板根据其选型的m c u 搭接出合适的c a n 硬件电路。 驱动层为硬件相关层，是各子板针对各自的c a n 硬件电路，实现基于c a n 控制器的操作集合和基于c a n 包的标准收发操作。并向上提供统一的接口。 硬件层和驱动层一起完成了c a n 总线的物理层和数据链路层的功能。 传输层是硬件无关层，基于不同驱动层提供的统一接口，提供高层( 应用 层) 与目标对象的数据流通信能力、查询目标对象属性能力。 传输层能够实