（机械制造及其自动化专业论文）数字化印刷设备接口技术开发.pdf

摘要 摘要 印刷数字化工作流程将印前处理、印刷、印后加工工艺过程中的多种控制信 息纳入计算机管理，用数字化控制信息流将整个印刷生产过程联系成一体。印刷 数字化生产流程的应用，简化了传统的印刷工艺流程，缩短了生产周期，提高了 产品质量。胶印机和折页机作为重要的印刷设备，是印刷工作流程的关键环节， 实现胶印机和折页机的数字化是数字化工作流程的基础。为了实现印刷数字化工 作流程和数字化印刷，本文以胶印机和折页机的数字化改造为目标研究印刷设备 的数字化控制。 首先，开发了墨斗控制数据通讯动态库。墨斗是胶印机的核心部件，完成对 胶印机墨区墨量的控制，对印品质量具有至关重要的作用。遥控墨斗的出现使得 墨量调整更加快速准确。本文研究了遥控墨斗的控制系统，介绍了遥控墨斗的 c a n 网络，制定了基于c a n 总线网络的通讯协议。为了增加遥控墨斗控制系统 的可扩展性，使用m i c r o s o f tv i s u a lc + + 6 0 开发了遥控墨斗数据通讯动态库，动 态库对系统与硬件间的数据通讯功能进行了封装，保证数据传输的正确和数据的 安全，动态库根据系统提供的参数完成墨斗墨键开度的控制和反馈，使用户能够 集中精力开发适合自己的界面而不必过多考虑遥控墨斗的控制细节。 其次，设计了具有人机交互功能的遥控墨斗控制系统，方便操作人员对墨键 位置控制或查询。开发了数据管理模块，能够读写符合j d f 格式的墨量数据 文件，针对不同的墨斗墨键进行设置。开发了数据监控模块，实时捕捉网络信息， 将墨斗位置信息及时的显示出来。 另外，数字化折页机是印后加工中的一环，国内生产的折页机还是以人工预 置为主，本课题对北人集团的型号为z y h 6 7 0 c 对开混合式折页机进行数字化改 造。对机械部分进行了改造，增加了步进电机、传感器等执行单元，以完成栅栏、 挡规的位置调整。根据实际需要选择三菱公司型号为f x l s 的可编程逻辑控制器 做为预置系统控制器。编写了预置系统程序，通讯模块可以接收上位机的位置数 据并完成预置工作，还可以根据实际情况及时上传当前电机数据。改造后的数字 化折页机能够适应数字化印后的需要。 关键词数字化；墨斗；数字化折页机 北京t 业大学t 学硕卜论文 a b s t r a c t d i g i t a lp r i n t i n gw o r k f l o wm a n a g e sm a n yk i n d so fc o n t r o li n f o r m a t i o ni nt h e p r e p r e s s ，p r e s sa n dp o s t p r e s st h r o u g h ，a n di n t e g r a t e st h ep r e s sp r o c e s s e sa saw h o l eb y d i g i t a lc o n t r o li n f o r m a t i o n t h ea p p l i c a t i o no fd i g i t a lp r i n t i n gw o r k f l o ws i m p l i f i e st h e t r a d i t i o n a lp r i n t i n gp o l y t e c h n i cf l o w , r e d u c e st h ep r o d u c t i o nc y c l e , a n di n c r e a s e s p r o d u c tq u a l i t y o f f s e tp r e s sa n df o l d e rw h i c ha r ei m p o r t a n tp r i n t i n ge q u i p m e n ta r e v i t a lp a r to fp r i n t i n gw o r k f l o w t h ea p p l i c a t i o no fd i g i t a lo f f s e tp r i n ta n df o l d e ri s b a s eo fd i g i t a lw o r k f l o w i no r d e rt or e a l i z et h ed i g i t a lp r i n t i n gw o r k f l o wa n dd i g i t a l p r i n t i n g , t h ec h a n g eo fd i g i t a lc o n t r o lo fp r i n t i n ge q u i p m e n tw a sd o n e f i r s t l y , d y n a m i cl i n kl i b r a r i e s ( d l l ) f o rt h e i n kf o u n d a t i o nc o n t r o ld a t a c o m m u n i c a t i o nw a sd e v e l o p e d t h ei n kf o u n d a t i o ni st h ec o r ep a r to ft h eo f f s e t p r i n t i n ga n dc a r r i e so u tt h ec o n t r o lo fi n kz o n ei nt h eo f f s e tp r i n t i n g , w h i c hp l a y s i m p o r t a n tr o l et ot h ep r i n t i n gq u a l i t y t h ed i g i t a li n kf o u n d a t i o nc o u l da d j u s tt h e q u a n t i t yo fi n km o r eq u i c k l ya n de x a c t l y t h ec o n t r o ls y s t e mf o rd i g i t a li n k f o u n d a t i o nw a sr e s e a r c h e d c a n b u sn e tf o r t h er e m o t ei n kf o u n d a t i o nw a s i n t r o d u c e d c o m m u n i c a t i o np r o t o c o lb a s e do nt h ec a n - b u sw a sm a d e i no r d e rt o i m p r o v et h ee x t e n s i b l ea b i l i t yo ft h ei n kf o u n d a t i o nc o n t r o ls o f t w a r e d y n a m i cl i l l l 【 l i b r a r i e s ( d l l ) f o rt h ei n kf o u n d a t i o nc o n t r o ld a t ac o m m u n i c a t i o nw a sd e v e l o p e db y m i c r o s o f tv i s u a lc + + 6 0 t h ec o m m u n i c a t i o nf u n c t i o n sb e t w e e ns y s t e ma n d h a r d w a r ew e r ep a c k a g e dt oa s s u r et h ec o r r e c ta n ds a f e t yo fd a t a t h ed l lf o ri n k f o u n d a t i o nc o u l db eu s e dt oc o n t r o lt h eq u a n t i t yo fi n ki nc o n t r o lr e g i o na n da c c e p t t h ei n f o r m a t i o no nt h ep o s i t i o no ft h ei n kz o n e t h ec u s t o m e rc o u l df o c u so nt h e o p e r a t i o ni n t e r f a c eb u tn o tt h ed e t a i l so f t h e i n kf o u n d a t i o nc o n t r 0 1 s e c o n d l y , c o n t r o ls y s t e mw i t ht h em a n - m a c h i n ec o m m u n i o nf u n c t i o nf o rt h e d i g i t a li n kr o u n d i o nw a sd e v e l o p e d t h eo p e r a t o rc o u l dd e m a n do rc h a n g eq u a n t i t y o ft h ei n ke a s i l y r e a d i n g w r i t i n gf u n c t i o n sw e r ed e s i g n e d ，s ot h a tt h ei n kd a t af i l e a c c o r dw i t ht h ej d ff o r m a tc o u l db er e a d w r i t t e n t h ec o n t r o ls y s t e mi n s p e c t st h e o p e r a t o r so p e r a t i o no nt h eo p e r a t i o nt a b l ea n dd i s p l a y si n f o r m a t i o ns y n c h r o n o u s l y - i na d d i t i o n ，f o l d e ri so n ep a r to fp o s tp r e s s ，w h i l ed o m e s t i cf o l d e ri sp r e s e t t e d m a n u a l l y t h ed i g i t a lc h a n g ef o rt h eb e i r e nc o r p o r a t i o nz y h 6 7 0 ( m o d e l ) w a sd o n e t h em e c h a n i c a lp a r tw a sc h o s e n s t e p p e rm o t o r , s e n s o ra n ds oo nw e r ea d o p t e da s e x e c u t i o nu n i t t h ep l c ( f x lso fm i t s u b i s h i ) a st h ep r e s e ts y s t e mc o n t r o l l e rw a s c h o s e na c c o r d i n gt ot h ep r a c t i c a ls i t u a t i o n t h ep r e s e ts y s t e mw a sp r o g r a m m e d ，a n d t h ec o m m u n i c a t i o nm o d u l ew a sd e s i g n e d 。t h ep r e s e ts y s t e mc a na c c o m p l i s ht h e i i 摘要 量舅曼皇曼鼍曼曼舅寡i i i| i i i 曼曼曼曼曼皇曼曼皇曼舅 m i s s i o na c c o r d i n gt ot h ed a t ao fm a i ns y s t e m ，t r a n s m i td a t ao fs t e p p e rm o t o rt ot h e m a i ns y s t e m t h ec h a n g e df o l d i n gm a c h i n ec o u l da d a p tt ot h ed e m a n do fd i g i t a lp o s t p r e s s k e yw o r d sd i g i t a l ；i n kf o u n d a t i o n ；d i g i t a lf o l d e r i i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个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，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业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 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：丝日期：五塾经妇坦f j 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：至皇! 垒 导师签名： 第l 章绪论 第1 章绪论 1 1 印刷数字化工作流程 印刷数字化工作流程是以数字化的生产控制信息和管理信息，将印前、印刷、 印后加工3 个过程整合成一个不可分割的全自动化系统，使数字化的图文信息完 整、准确地流通，并最终加工制作成印刷成品【l 】【2 】。其核心就是一种贯穿整体协 调运作，实现图文信息流和生产控制信息流，非技术性管理信息流的一体整合。 目前推广的c i p 4 j d f 格式就是起这样作用的与设备无关的标准格式 3 1 。 j d f 包含的信息有：印前一拼版折手、补漏白、色彩管理、r i p 、制版等； 印刷印刷机各墨区的油墨量刷控制条的密度色度数据、裁切线及套准线的 位置；印后一裁切、折页配页、装订、制书壳等【】。除此之外，印刷的油墨预 置、套准预设、印后的折页预设、裁切预设、装订预设也都可以在印前制版完成 后以数据的形式直接传递给后端设备，还有如客户信息、交货日期等也都可以用 数字信息的方式进行传送【7 】i 引。 数字化的工作流程的应用，使印刷生产更高效，更优质，在很大程度上减少 了时间、财力、物力、人力的浪费。同时减少了印刷产品生产过程中对印刷品质 量产生影响的多种因素，使印刷生产更加顺畅，产品质量更加稳赳p j 。 1 2 研究现状与发展趋势 1 2 1 墨控技术的现状 中国印刷市场的发展速度很快，市场竞争日趋激烈。客户对印刷的要求越来 越高。为满足发展的要求，印刷厂都投入了大量人力、物力，采购大型高速轮转 印刷设备，增加c t p 系统，扩充生产能力。 在印刷的不同阶段，有相当多的信息需要重复输入、重复计算，其中墨键控 制最明显，在不断试印中，消耗掉大量纸张，对印刷生产周期有很大影响【l2 1 。随 着数字化工作流程、c t p 技术的应用，逐步实现了印前数字化，特别是墨控技 术的发展有效的缩短了印刷周期、提高了印刷质量、减少生产浪费【l 引。墨控技术 的主体是一个可以对印刷机墨键进行预置的c i p 3 c i p 4 油墨控制软件，它直接 读取r i p 后的图文数据，根据印版大小及墨键数量分析得出机台控制信息，并 在文件中记录或者打印到纸张上，然后用于印刷机的墨键预置，这就确保了更高 的精确度，大大提高了印刷机墨区分配的合理性和准确性【1 4 】【1 5 】。采用这种高效 北京t 业大学t 学硕f ：论文 的信息传递模式，可以规范工作人员的操作，节省印刷准备时间，减少耗材浪费、 提高印刷质量【1 6 】【1 7 】。改变了传统的由印刷机领机根据工作经验对印品色彩进行 油墨预调的工作方式。墨控技术为企业采用数字化生产及管理流程提供了保障。 无论印刷机是否有c i p 3 c i p 4 信息接口，都可享用墨控技术的结果【硌】。 目前世界上诸多公司如海德堡、小森、罗兰等都拥有自己的墨控系统。有效 的提高了印刷机墨区分配的合理性和准确性，节省调墨时间，减少开印废品率， 减少纸张浪费，提高印刷质量。随着印刷数字化工作流程的推广应用，墨控技术 必将得到更广泛的应用【1 9 1 1 2 0 1 。 1 2 2 折页机现状与发展趋势 国产折页机近1 5 年来的发展很快。在自动控制方面，国产折页机大都采用 p l c 加单片机控制技术。传动控制、纸张长度测量、吸纸周期控制、吸纸长度控 制、纸张间距自动控制、纸张堵塞、故障显示和计数功能等都基本具备。机器的 速度、稳定性和可靠性都有了很大的提高。但稳定性与可靠性和国外先进折页机 相比仍有一定的差距，主要是国内折页机受到了很多方面的制约，如加工工艺、 材料和设备等，国产原材料质量问题、国产配套件质量问题、国产电器元件质量 问题等等这些都直接影响了折页机的质量【2 。 随着科学技术的不断发展。折页机速度的不断提高是必然的，但发展进程必 将趋缓，其发展之焦点应在全自动折页机的研发领域【2 2 】【2 3 】。而我国在这方面的 研发工作明显落后于国外同行。 现在国外市场上，数字化折页机已大量出现。如m b o 的t o p l i n e 栅栏式折页 机在印前设定及印后加工程序，可以通过c i p 3 文件传输，通过预定程序控制直接 完成各种折页。海德堡的d c t 2 0 0 0 控制器采用的c o m p u f o l d 软件，储存了8 1 种预 先编好的内置折页方案，操作员只需选定折页方案，输入纸张规格，其余工作均 由控制器代劳【矧。s f s 公司的a f c 5 4 4 舢汀折页机储存有1 0 0 种不同的折页方案， 用户可选择标准方案，也可自定义折页方案，并且还可通过触摸屏对选定数据进 行修改并保存。g b r 公司的s e t m a t i c 折页机有7 种预置折页方案，另外还可容纳 6 0 种自定义折页方梨2 5 1 。 随着印刷数字化工作流程深入人心，数字化折页机发展也逐渐呈现以下趋 势： ( 1 ) 继续向着高速、稳定发展折页速度越来越快，生产效率进一步提高。 ( 2 ) 自动化程度越来越高随着计算机、步进电机等的应用，折页机内部自 带多种折页模式，操作人员输入纸张长度、宽度，折页机控制系统便可完成预置 任务，人工干预环节越来越少。 第l 章绪论 ( 3 ) 符合c i p 3 c i p 4 许多新型折页机正在逐步适应这项标准。c i p 3 c i p 4 标 准被广泛应用在印后加工流程中，使印前、印刷、印后三大环节得到最大程度的 整合。 1 3 本课题来源及研究意义 课题来源于国家科技支撑项目中印刷数字化工作流程项目。 目前印刷机正向着高速、平稳、多色的方向发展，对印刷机墨控系统的要求 也越来越高。在传统印刷领域，印刷机的操作人员往往见不到原稿，只能凭借领 机对样张的观察和经验调整印刷机墨量；另一方面，印刷开始后，操作人员根据 实际印张的墨色变化情况，再逐个调整并确定墨斗螺丝的最佳位置【2 6 1 。随着印刷 速度的提高，手动调节方式造成很大的时间浪费，而且墨键的调校费时费力，通 常需要调试数次才能达到要求，影响到劳动生产率的提高。由于印刷机的速度相 当高，墨色调整过程中会产生大量的废品，又会浪费宝贵的时间。 随着技术的发展，人们可以通过专门的印版扫描仪扫描分色印版，得到不同 墨区的墨量，并将扫描得到的参数送到印刷机( 如海德堡的c p c 、c p t r o n i c 、 c p z 0 0 0 系统) 进行预设【2 7 2 9 。但实际上，在印前过程中，图文合成后完成大版 的拼接，在印版输出前即可根据制版信息统计出印版不同区域用墨量的大小，如 果能把这一参数直接送给印刷机，则可实现印前和印刷过程的信息共享，也即实 现了控制信息的传递【3 0 】【3 1 】。 遥控墨斗控制系统很好的解决上述问题，墨斗分成若干区域( 墨键) ，由电 机带动墨键块运动，电位器反馈墨键当前位置。控制系统通过读取分析软件生成 的墨区信息，传送给下位控制系统，通过电机带动墨键完成预置，这就避免了人 为因素的干扰，确保了更高的精确度，大大提高了印刷机墨区分配的合理性和准 确性。采用这种预置模式，可以节省印刷准备时间，减少耗材浪费、提高印刷质 量。改变了传统的由印刷机领机根据工作经验对油墨预调的工作方式。现在国 内墨斗及控制系统大多由国外进口，价格较高，国内厂家生产的墨斗质量还未达 到先进水平，本课题在墨斗的机械机械方面己取得进展情况下，对控制系统方面 做了进一步研究。以期使其能够达到国外同类产品水平，有效降低印刷机的生产 成本，进一步增强国产印刷机的竞争力。 在印后设备中折页机是比较常见的一种，折页机是一种将印刷后的纸张按照 印刷排版秩序、开本的大小进行机械折页的设备【3 2 】f 3 3 】。现在国内的折页预置方 式还是以人工预置为主，对操作人员的经验要求很高。熟练的操作工人也需要大 量的时间反复调节以得到满意的折页效果，调节的过程中会浪费的大量的印品。 而且做的工作不具备可重复性，也就是说当有与以前的印品相同的折页要求时还 北京i 业 学i 学砸论女 需要再次调节机器。同时人工预置的方式也无法适应印刷数字化 作流程的需要 0 4 1 1 3 s 。 本课题的任务就是以北人集蜘型号为z y h 6 7 0 c 的对丌混合式折页机为基 础，对其进行数字化改造。包括预置控制系统和具有人机交互功能的控制系统。 自动化改造后，可以根据j d f 工作传票完成折页的预置工作，能很大程度的提 高折：豇机的工作效率。可以使操作人员在没有较多专业经验时也能进行调节工 作，减轻专业人员的负担。同时自动预置的准确性、可重复性、调节工作的合理 性检验、印张运行监控的故障诊断，有助于降低废品数从而降低成本。折页机 数字化系统改造在国内尚属首例填补了国内空白，具有重要的现实意义。 1 4 本课题研究的内容 本课题的数字化印刷工作流程项目基于国际印刷企业联盟( c i p 4 ) 的印刷活 件定义规范( j d f ) ，设计国产印刷设备的通信兼容性标准、印刷作业电子传票 标准和网络接口程序，实现印刷作业信息在国产印前图文制作系统、计算机直接 制版机、数字化控制胶印机和数字化控制印后设备间的网络传递，使国产印前、 印刷和印后设备实现网络化集成控制。在此基础上，开发数字化印刷工作流程的 集成监控管理系统，实现了网络化的客户订单填写、自动化的印刷工艺制定、印 刷计划调度和_ _ 序电子传票制订，网结化的印刷设备工艺参数和工序任务调度信 息的远程下达，可以对印刷设备运行状态和印刷任务执行状态进行远程监控与跟 踪。主要的管理系统职能流程图如图1 - l 所示。 蚓1 - 1 管理采统职能流样图 f i gl _ 1fl o w c h a r i o f m i s 第1 章绪论 本课题主要涉及印刷及印后的接口部分的设计： ( 1 ) 遥控墨斗通讯系统动态库开发设计印刷数字化工作流程软件中遥控墨 斗控制动态库。定制c a n 网络通讯协议，用于与墨斗控制系统的通讯连接，及 时监测网络上数据传输情况，接收墨键当前位置反馈信息。 ( 2 ) 墨斗上位机控制系统开发设计具有人机交互功能的遥控墨斗控制系 统，在屏幕上直观的显示当前墨斗中墨键位置，改变墨键当前位置，及时保存或 调用墨键位置。 ( 3 ) 折页机预置系统开发设计折页机预置控制系统，改造设备，安装步进 电机、传感器等设备；选择合适的可编程逻辑控制器；定制网络通讯协议，开发 上位机控制系统中通讯模块。 1 4 2 设计方案 在系统通讯d l l 开发与墨斗上位机控制系统开发中选择m i c r o s o f tv i s u a l c + + 6 0 可视化开发工具，它改善了传统的编程手段，使得程序员可以直接在用 户界面良好的可视化开发环境中进行工作。利用a p pw i z a r d 开发m f cd l l 简 单有效，可节省大量的时间。利用v c 6 0 软件自带的控件，w i n d o w s 下的菜单、 控件、工具栏、状态栏、对话框都可以方便的制作出来。 折页机预置系统以个人计算机做为上位机，多个p l c 做下位机。p c 机主要 完成预置管理、监控、显示等操作，p l c 完成对多个步进电机的过程控制。上下 位机的通信联络，依靠串口通信来实现。 1 5 本章小结 本章介绍了印刷数字化工作流程在国内外的应用情况，墨控系统的发展情 况，数字化折页机的现状与发展。明确了本课题的研究内容。 北京t 业夫学下学硕 ? 论文 第2 章遥控墨斗通讯系统设计 2 1 系统总体构架介绍 遥控墨斗控制软件主要功能处理墨键位置数据，与下位机通讯，监控网络上 数据，从中获取与位置调整有关的数据。软件主要由监控、调整、通讯、数据处 理等模块组成。其结构图如图2 1 所示。 图2 - 1 墨斗控制软件结构图 f i g 2 - 1s t r u c t u r em a p o f c o n t r o ls y s t e mf o ri n kf o u n t a i n 墨斗控制软件与墨斗执行系统间通过现场总路线连接在一起，为保证墨键数 据能够被上位机和执行系统系统解读，还需要根据实际情况制定通讯协议。 2 2 现场总线技术 现场总线是当今自动化领域技术发展的热点之一，被誉为自动化领域的计算 机局域网。它的出现，标志着工业控制技术领域又一个新时代的开始，并将对该 领域的发展产生重要影响【3 6 】。现场总线是应用在控制现场、在微机化测量控制设 备之间实现双向串行多节点数字通讯的系统，也被称为开放式、数字化、多点通 讯的底层控制网络。它在制造业、流程工业、交通、楼宇等方面的自动化系统中 具有广泛的应用范斟3 7 3 圳。 随着科技的发展，已经出现了多种现场总线，其中的一部分已经成熟并被吸 收为国际标准，在工业界得到逐步的推广和应用。比较著名的现场总线有以下几 种： ( 1 ) f f 基金会现场总线 1 9 9 4 年，迫于用户的压力，支持i s p 和w o r l d f i p 协议的两大集团成立了基金会现场总线f f ( f i e l df o u n d a t i o n ) 。f f 以i s o o s i 参 考模型为基础，取其物理层、链路层和应用层为f f 通信模型的相应层次，并在 第2 章遥拧墨斗通讯系统设计 此基础上增加了用户层。f f 分低速h 1 和高速h 2 两种通信速率。h 1 的传输速 率为3 1 2 5 k b p s ，通信距离可达1 9 0 0 m 。高速h 2 的传输速率有l m b p s 和2 5 m b p s 两种，通信距离分别为7 5 0 m 米和5 0 0 m 。f f 物理媒介的传输信号采用曼彻斯特 编码。另外，传输速率为1 0 0 m b p s 的h s e ( 高速以太网) 正在发展中【柏1 。 ( 2 ) l o n w o r k s 现场总线l o n w o r k s 是由美国e c h e l o n 公司研制，于 1 9 9 0 年正式公布的现场总线网络。它采用了i s o o s i 模型的全部七层通信协议 和面向对象的设计方法，通过网络变量把网络通信设计简化为参数设置。 l o n w o r k s 通信速率从3 0 0 b p s 至1 s m b p s 不等，直接通信距离可达2 7 0 0 0 m 。 ( 3 ) p r o f i b u s 过程现场总线p r o f i b u s 是德国国家标准d i n l 9 2 4 5 和欧 洲标准e n 5 0 1 7 0 的现场总线标准，由p r o f i b u s d p 、p r o f i b u s f m s 、 p r o f i b u s p a 三个兼容部分组成。近年来，多家公司联合开发p r o f i b u s 通信 系统的专用集成电路芯片，目前已经能够将p r o f i b u s d p 协议全部集成在一块 芯片中。 ( 4 ) c a n - b u s 现场总线c a n ( c o n t r o l l e r a r e an e t w o r k ) ，即控制器局域网，是 由德国公司推出，最早用于汽车内部检测部件于控制部件的数据通信系统，在车 载控制系统各电子控制装置之间交换信息，形成汽车电子控制网络。比如发动机 管理系统、变速箱控制器、仪表装备电子主干系统中，均嵌入以总线控制装置 4 h 4 2 1 o 后来c a n 获得了国际标准化组织的认可及许多半导体器件制造商、网络系 统开发商的支持。现在它已经被广泛地应用于汽车、工程机械和工业现场控制1 4 习 4 4 1 o c a n 总线网络，成本低廉而且可进行可靠而高速的通信。c a n 总线可采用 双绞线、同轴电缆或光纤作为传输介质。它的直接通信距离最远可达1 0 k m ，通 信速率可高达lm b s ( 此时通信距离为4 0 m ) 。总线上可挂设备数主要取决于总线 驱动电路，最多可达11 0 个一7 1 。鉴于c a n 的以上优点本课题中采用了c a n 总线技术。 2 3 上位控制系统与c a n 网络的连接 在上位机中我们使用的是普通个人计算机，只有r s 2 3 2 标准通讯接口，为 了实现r s 2 3 2 与c a n 网络的连接，配置了广州致远电子有限公司的c a n 2 3 2 m b 智能协议转换器。 2 3 1 产品简介 c a n 2 3 2 m b 智能协议转换器是用于c a n b u s 现场总线和r s 2 3 2 总线之间 北京t 业人学t 学硕十论文 数据交换的智能型协议转换器。 c a n 2 3 2 m b 智能协议转换器集成有1 个r s 2 3 2 通道、1 个c a n b u s 通道， 可以很方便地嵌入使用r s 2 3 2 接口进行通讯的节点中，在不需改变原有硬件结 构的前提下使设备获得c a n - b u s 通讯接口，实现r s 2 3 2 设备和c a n - b u s 网络 之间的连接、数据通讯。 c a n 2 3 2 m b 的r s 2 3 2 通道支持多种通讯波特率，范围是6 0 0 b p s 11 5 2 0 0 b p s 。c a n - b u s 通道支持c i a 推荐的1 5 种标准通讯波特率和用户自定义 波特率，通讯速率范围为5 k b p s 1 m b p s 。 c a n 2 3 2 m b 智能协议转换器提供三种数据转换方式一透明转换、透明带标 示转换和m o d b u s 协议转换。透明转换适用于串行数据流的转换，透明带标识转 换适用于用户自定义协议的串行数据转换，m o d b u s 协议转换适用于采用标准 m o d b u s 协议串行数据转换。 c a n 2 3 2 m b 智能协议转换器适合c a n - b u s 低速数据传输应用，最高传输速 率为4 0 0 帧秒。 转换器采用表面安装工艺，板上自带光电隔离模块，完全电气隔离控制电路 与c a n - b u s 通讯电路，使c a n 2 3 2 m b 转换器具有很强的抗干扰能力，大大提高 了系统在恶劣环境中使用的可靠性【4 8 1 。 2 3 2c a n 2 3 2 m b 智能协议转换器的使用 c a n 2 3 2 m b c a n 4 8 5 m b 智能协议转换器适合硬件工作环境： 工作电源：+ 9 v - 一+ 2 4 vd c ； 工作温度：_ 4 09 c + 8 5 ； 2 4 网络通讯中需遵循的c a n 2 0 b 标准协议 总线的网络协议规定了参考模型的最低两层，即物理层和数据链路层的通讯 协议。具体的实现由专用集成芯片完成，使用者无需过多考虑底层信号的传输问 题，极大方便了总线的应用。用户仅需设置应用层的数据协议，即可完成总线的 设计。但是用户设计的通讯协议必须遵循c a n 的标准协议，在此我们遵循 c a n 2 0 标准协议。c a n 2 0 b 标准帧帧信息是11 个字节，包括帧的信息和帧数 据两部分。前3 字节为帧的信息部分。格式如下表2 1 ； 第2 审遥摔墨，? 通汛系统设汁 表2 - 1c a n 2 0 标准帧 l a b l e 2 1c a n 2 0s t a n d a r df r a m e 765432lo 字节1帧信息 f fmxx d l c ( 数据长度) 字节2帧i d ix x xxxd 1 0i d 9 i d 8 字节3帧压坦 i d 7 比 o 字节4数据1数据 字节5数据2数据 字节6数据3 数据 字节7数据4数据 字节8数据5数据 字节9数据6数据 字节l o数据7 数据 字节1 1数据8数据 字节1 为帧信息，第7 位( f f ) 表示帧格式，在标准帧中f f = o ；第6 位 ( r 1 限) 表示帧的类型，r t r = 0 表示为数据帧，r t r = i 表示为远程帧。d l c 表 示在数据帧时实际的数据长度。 字节2 3 为报文识别码，其低1 l 位有效，高5 位无效。 字节4 1 1 为数据帧的实际数据，远程帧时无效。 2 5c a n 报文与串行帧转换 2 5 1 转换模式的选择 在c a n 网络中通讯协议需要遵循c a n 2 0 标准协议，在计算机中通过串口 发送数据串，经由c a n 2 3 2 m b 智能协议转换器自动转换，转换器有三种转换模 式：透明转换、透明带标识转换、m o d b u s 转换。在对转换器进行配置时可以进 行参数的选择和设置。 “透明转换”的含义是转换器仅仅是将一种格式的总线数据原样转换成另一 种总线的数据格式，而不附加数据和对数据做修改。这样既实现了数据格式的交 换又没有改变数据内容，对于两端的总线来说转换器如同透明的一样。 这种方式下不会增加用户通讯负担，而能够实时的将数据原样转换，能承担 较大流量的数据的传输。 “透明带标识转换是透明转换的一种特殊的用法，也不附加协议。这种转 北京t 业大学t 学硕 ：论文 换方式是根据通常的串行帧和c a n 报文的共有特性，使这两种不同的总线类型 也能轻松的组建同一个通信网络。 该方式能将串行帧中的“地址”转换到c a n 报文的标识域中，其中串行帧 “地址 在串行帧中的起始位置和长度均可配置，所以在这种方式下，转换器能 最大限度地适应用户的自定义协议。 “m o d b u s 协议转换 是为了支持标准的m o d b u s 协议而建立的，在串口侧 使用的是标准的m o d b u sr t u 协议，可以和其他标准的m o d b u sr t u 设备接口。 在c a n 总线侧使用的是一个简单易用的分段协议来传输m o d b u s 协议。这样就 能轻松的在串行网络和c a n 网络之间来实现m o d b u s 协议的通讯。 为方便区分信息来源及以后c a n 网络的扩展，本课题选择“透明带标识转 换 。 2 5 2 透明带标志转换 透明带标识转换有利于用户通过转换器更方便的组建自己的网络，使用自定 的应用协议。该方式把串行帧中的地址信息自动转换成c a n 总线的帧i d 。只 要在配置中告诉转换器该地址在串行帧的起始位置和长度，转换器在转换时提取 出这个帧i d 填充在c a n 报文的帧i d 域里，作为该串行帧的转发时的c a n 报 文的i d 。在c a n 报文转换成串行帧的时候也把c a n 报文的i d 转换在串行帧 的相应位置。 ( 1 ) 帧格式串行总线帧带标识转换时，必须取得完整的串行数据帧，转换 器以两帧间的时间间隔作为帧的划分。并且该闻隔可由用户设定。串行帧最大长 度为缓冲区的长度：2 5 5 字节。 转换器在串行总线空闲状态下检测到的首个数据作为接收帧的首个字符。传 输中该帧内字符间的时间间隔必须小于或等于传输n 个字符( n 的值由上位机事 先配置) 的时间( 传输一个字符的时间是用该字符包含的位数来除以相应的波特 率) 。 如果转换器在接收到一个字符后小于等于n 个字符的传输时间内没有字符 再被接收到，转换器就认为此帧传输结束，将该字符作为此帧的最后一个字符； n 个字符时间之后的字符不属于该帧，而是下一帧的内容。帧格式如图2 2 所示 t o l 獍l帧2 。 小_ 二n 个t 弘霜r rt 1 再i 两巧f t 图2 - 2 串行帧时间格式( 透明带标志转换) f i g 2 - 2f o r m a to fs e r i a lf r a m e ( t r a n s p a r e n c et r a n s f o r mw i t hs i g n ) 第2 苹遥控墨斗通1 f l 系统设汁 c a n 报文的格式不变，只是c a n 相应的帧i d 也会被转换到串行帧中串行 帧中。 ( 2 ) 串行帧转c a n 报文串行帧中所带有的c a n 的标识在串行帧中的起始 地址和长度可由配置设定。起始地址的范围是0 7 ，长度范围分别是l 2 ( 标 准帧) 或i - 4 ( 扩展帧) 。 转换时根据事先的配置将串行帧中的c a n 帧i d 对应全部转换到c a n 报 文的帧m 域中( 如果所带帧d 个数少于c a n 报文的帧i d 个数，那么在c a n 报文的填充顺序是帧i d i 一i i m ，并将余下的i d 填为o ) ，其它的数据依序转换， 如图2 3 所示。 如果一帧c a n 报文未将串行帧数据转换完，则仍然用相同的i d 作为c a n 报文的帧i d 继续转换直到将串行帧转换完成。 串行帧 地址0数据i 地址i数据2 地址2数据3 地址3数据4 ( c a n 帧i d l ) 地址4数据5 地址5数据6 地址6数据7 地址7数据8 地址数据n ( n 1 ) c a nc a n c a n 报文l 报文报文x 帧信息用户配置用户配置用户配置 帧i d l 0 0 0 00 0 帧i d 2数据4数据4数据4 ( c a n 帧( c a n 帧( c a n 帧 i d l ) i d l )i d l ) 数数据1 数据数据n _ 4 据数据2数据数据n 3 域 数据3数据 数据n - 2 数据5数据数据n i 数据6数据 数据n 数据7数据 数据8数据 数据9数据 图2 3 串行帧转c a n 报文( 透明带标志转换) f i g 2 - 3t r a n s f o r m i n gs e r i a lf r a m ei n t oc a nm e s s a g e ( t r a n s p a r e n c ew i t hs i g nt r a n s f o r m ) ( 3 ) c a n 报文转串行帧对于c a n 报文，收到一帧就立即转发一帧，每次 转发的时候也根据事先配置的c a n 帧i d 在串行帧中的位置和长度把接收到的 c a n 报文中的i d 作相应的转换4 9 1 。其它数据依序转发，如图2 4 所示。 串行帧 数据1 数据2 数据3 帧i d 2 数据4 数据5 数据6 数据7 北京t 业大学t 学硕 论文 c a n 报文( 标准帧) 帧信息 帧信息 帧i d帧d 1 帧d 2 数据l 数据2 数据3 数据4 数据5 数据6 数据7 图2 _ 4c a n 报文转串行帧( 透明带标志转换) f i g 2 - 4t r a n s f o r m i n gc a nm e s s a g ei n t os e r i a lf r a m e ( t r a n s p a r e n c ew i t hs i g nt r a n s f o r m ) 2 6 遥控墨斗中通讯协议设计 在遥控墨斗操作系统中，由上位机( 普通个人计算机) 、操作面板和电机控 制系统组成，控制网络示意图如图2 5 所示。 1 2 图2 5 遥控墨斗控制网络示意图 f i g ，2 - 5s k e t c hm 印o f c o n t r o lo fi n kf o u n d a t i o n 1 2 第2 章迢撺墨斗通讯系统 歧计 上位机和操作面板方便操作人员对当前墨键位置查询和改变；电机控制板是 墨键中步进电机驱动设备，直接驱动电机运动。 每个墨斗有2 1 个待控制墨键，每个电机驱动板能控制的最大电机( 或墨键) 数为1 2 ，因此每个墨斗需要2 个电机驱动板，其中第一个电机驱动板控制1 1 个 电机，第二个电机驱动板控制1 0 个电机，共有电机控制板8 个。 上位机和控制面板都能单独控制墨斗执行系统执行相应的定位操作，但任一 时刻只能有一方处于主控模式，另一方被锁定，但显示保持同步。 c a n 可以由用户定制适合自己的协议，因此我们制定协议基本格式见表2 2 所示： 表2 - 2 c a n 2 0 标准帧 l a b l e 2 2s t a n d a r df r a m eo fc a n 2 0 标识符字节l字节2字节3字：宵4字节5字节6字节7字节8 0 x 1 0命令字数据1数据2数据3数据4数据5数据6数据7 基本格式第一位为标识符，是为了简化系统对协议的处理，引入c a n 总线 的过滤器，每个数据帧都有一个标识符( i d ) ，各个系统只能接收到与本系统过滤 器标识符有相同标识符的数据帧。c a n 数据帧的标识符定义为：操作台为0 x 1 0 ； 电机控制板为0 x 0 1 一0 x 0 8 ；但是标识符不占用数据帧的位置，是在c a n 2 3 2 m b 智能协议转换器中设置。 字节1 到字节8 为c a n 报文数据帧内容。数据帧的第l 字节为命令字，表 示控制命令的种类，如预置、单键控制等；协议如下： ( 1