（检测技术与自动化装置专业论文）基于can总线服装吊挂流水线通信系统的研究.pdf

武汉理i 人学硕士论文 摘要 随着我国经济的迅猛发展，服装企业正在经历着深刻的变革。以捆包分包 方式为代表传统生产体系，由于生产效率低、市场应变能力不足，逐步被灵活 性高、适应能力强的服装吊挂生产系统所替代。本课题以服装生产为研究背景， 在保留业已存在的流水线传动设备的基础上，引入现场总线技术构建了一套完 整的通信系统，包括生产车间现场总线网络、总线节点设备和监控室工控机的 总线适配设备。扩展了服装流水线的应用，具有良好的应用前景。 论文首先介绍了服装吊挂流水线的结构，按照组成部件逐一叙述了各自的 功能，并着重强调了通信系统对于流水线的决定性作用。在此基础上构建了流 水线通信系统的总体设计方案，包括现场总线类型的选择，通信系统硬件设计 方案等。 接着，对通信系统的硬件进行了详细的设计。确定以c a n 作为系统的传输 总线。在总线设备节点设计上，以a r m 微处理器l p c 2 2 1 2 为核心部件，具有 独立的电源模块、复位模块、显示模块、时钟电路、j t a g 调试电路和c a n 总 线接口电路。其中，c a n 总线接口电路是设计的重点，除了常规的c a n 总线 控制器件和c a n 收发器件外，还针对生产车间复杂的电气环境设计了信号隔离 电路和静电放电防护电路，增强了设备的适应能力和稳定性。在监控室工控机 的总线适配设备的设计上，采用p c i 接口与c a n 总线相连，分别设计了p c i 接口电路、c a n 接口电路和p c i 与c a n 总线的互连电路。此外，对适配卡的 p c i 空间参数和局部空间参数进行了详细的配置。 在通信系统的软件设计方面，针对总线节点设备开发了通信模块程序，主 要有c a n 控制器的初始化程序、c a n 报文发送和接收程序。针对工控机总线 适配设备开发了w d m 驱动程序和功能函数动态链接库程序。主要包括：设备 打开函数、关闭函数、初始化函数、总线校时函数和工作站计划产量分派函数。 然后对设备驱动程序进行了调试。 随后，结合通信系统的功能分析了服装吊挂流水线的运转流程，并编写了 上位机界面通过调用动态链接库程序实现对适配设备的操作。 最后对全文进行了归纳和总结，提出了在设计过程中遇到的问题和解决办 法，并就进一步对通信系统进行优化提出了建议。 关键词：通信系统，服装吊挂流水线，工作站智能终端机，c a n 总线，p c i 武汉理1 人学硕十论文 a b s t r a c t r e c e n t l y , w i t ht h ed e v e l o p m e n to fn a t i o n a le c o n o m y , t h ec l o t h i n gi n d u s t r yi s u n e x c e p t i o n a l l ye x p e r i e n c i n gm a j o rv a r i a t i o n t h em o d eo fc l o t h i n gp r o d u c t i o nh a s s h i f t e df r o mv o l u m e p r o d u c et os m a l ls c a l eo r d e rf o r ma n dt h ep r o d u c t i o nc y c l ei s s h a r p l ys h o r t e n e d t h et r a d i t i o n a lm e t h o dh a sg r a d u a l l ys h o w ni t si n f e r i o r i t yi n e f f i c i e n c y , a d m i n i s t r a t i o na n dt h ea b i l i t yt oa p p l yt om a r k e t ，a sar e s u l ti sr e p l a c e db y c l o t h i n g - h a n g i n gp i p e l i n ew h i c hi sm o r ea d a p t i v ea n df l e x i b l e t h es u b j e c tp r e s e r v e st h et r a n s m i s s i o nd e v i c eo fc l o t h i n gh a n g i n gp i p e l i n ea n d p r o p o s e sac o m p l e t ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mi n c l u d i n gs p o tf i e l db u sn e t w o r k ，f i e l d b u sn o d ed e v i c ea n dt h ea d a p t e rf o rm o n i t o rp c t h i sd i s s e r t a t i o nf i r s ti n t r o d u c e st h es t r u c t u r eo fc l o t h i n gh a n g i n gp i p e l i n e ，t h e n d i s c r i b e st h ef u n c t i o no fe a c hc o m p o n e n ta n dt h er o l et h a tc o m m u n i c a t i o ns y s t e m p a l y s a f t e r w a r d s ，m a k e s d e t a i l e d d e s c r i p t i o n o nd e s i g no fh a r d w a r ea n d i m p l e m e n t a t i o no fs y s t e ms o f t w a r e o nd e s i g no fw o r ks t a t i o ni n t e l l i g e n tt e r m i n a l ，c h o o s e sc a na sc o m m u n i c a t i o n n e t w o r k , a d o p t st h eh i g hp e r f o r m a n c ea r mc o r em i c r o p r o c e s s o rl p c 2 2 12a n d d e v e l o p sp o w e ru n i t ，r e s e tu n i t ，d i s p l a yu n i ta n dc a n i n t e r f a c ec i r c u i t a d d ss i g n a l i s o l a t i o nd e v i c et od e c r e a s et h ei n f l u e n c eo fc o m m o nm o d ev o l t a g e m e a n w i l eu s e s f e a s i b l eb i d i r e c t i o n a lp r o t e c t i o ne q u i p m e n tt or e d u c ev a s ts c a l ev o l t a g ef l u c t u a t i o n s u c ha sl i g h t n i n gs h o c ka n de s d o nd e s i g no fa d a p t e rf o rm o n i t o rp c ，a p p l i e sp c i 舔t h ei n t e r f a c eb u sb e t w e e np ca n dc a na n dm a k e su s eo ft h ep c ib u st or e a l i z e t h ep c ii n t e r f a c ec i r c u i ta n dd e v e l o p st h ei n t e rc o n n e c t i o no ft w od i f f e r e n tb u s i m p l e m e n t st h ef r a m e w o r ko fi n t e l l i g e n tt e r m i n a lc o m m u n i c a t i o np r o g r a m ， d e v e l o p st h ed r i v e ra n df u c t i o np r o g r a md l l f o rm o n i t o rp ca d a p t e r d i s c r i b e st h e f l o wo fp i p e l i n eo p e r a t i o ni nc o m b i a n t i o nw i t hc o m m u n i c a t i o ns y s y t e m f i n a l l y , s u m m a r i z et h e w h o l ed i s s e r t a t i o na n di s t sas e r i e so fp r o b l e ma n d s o l u t i o nw em e ti nt h ed e s i g na n dp r o p o s e ss o m es u g g e s t i o no ns y s t e mo p t i m i z a t i o n k e yw o r d ：c o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，c l o t h i n g - h a n g i n gp i p e l i n e ，w o r k s t a t i o n i n t e l l i g e n tt e r m i n a l ，c a nb u s ，p c i i 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 他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 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：日期： 关于论文使用授权的说明 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、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：导师签名：日期： 武汉理【大产硕士论文 第1 章绪论 1 1 课题来源及研究意义 随着我国经济发展的脚步不断加快，我国国民在服装消费方面，无论是消费 结构还是消费方式都有了很大的变化。消费者穿衣更注重个性表现，时尚在消 费者心中的分量越来越重，对服装的质量要求也越来越高。服装消费的这种变 化也直接影响了服装生产模式的变化，其主要表现如下：服装的花色、款式向着 多品种方向发展；i 厂订单的批量一再减少，形成小批量生产趋势；服装流行 周期的缩短，迫使服装生产周期也相应缩短。如此的市场变化要求服装生产企 业具有快速反应能力和现代化的管理水平，要提高服装生产效率，除人的因素 以外，设备的功能是保质保量及时完成生产任务的重要条件。现存的服装生产 方式或多或少地不能够适应我国服装市场的变化，逐渐在市场竞争中被淘汰。 现存的生产方式主要有以下几种： ( 1 ) 线型传送带生产方式 此种方式是将整个加工过程分为若干个简单工序，根据各工序的作业时间， 合理配备人员和机台，使各工序间基本达到平衡。 其特点是：生产过程具有较高的连续性、平行性、比例性、节奏性；不用捆 叠，简化了运输；缩短产品的生产循环周期。减少在制品的积压，节省了工作 地面积；工序平衡严格，便于管理，工作效率高。然而工作效率较低的工人会 使生产流水线出现堵塞现象，系统容易失去生产平衡。另外，如果产品的缝制 工艺出现少许变动，就需要将整条流水线重新布置，耗时耗力，灵活性低，只 适用于大批量的较固定的产品生产。 ( 2 ) 捆扎式生产系统 此种方式是将服装裁片按一定数量分成捆，一般2 0 件左右为一捆，分发到 各个工位上，每个工位将一捆加工完后，再送往下一个工序。 其特点是：减少了裁片的传递次数；各工位排列较灵活，且由于每个工位 都各自独立进行，并不受其他工序限制，则不易发生堵塞现象，适用于款式品 种的变换，目前我国大部分服装企业均采用此种生产方式。但在管理方式上， 采用捆扎式系统进行生产的企业，大多数是按经验安排生产，整条流水线的作 武汉理| 大学：硕十论文 业平衡完全通过人工在现场进行调控，生产信息和人员管理信息均由工票( 或 其它手工方式) 进行统计。资料整理、编制表格都由专人负责，因此企业内部 生产计划往往不合理，调度混乱，生产数据不准确，处理时效低，对市场应变 能力差。此外，由于采用捆包堆放的暂存方式，在每一个作业人员的四周都堆 放着待车缝或已车缝完毕的裁片，生产现场比较拥挤、杂乱、生产品质不易控 制，容易出现裁片配对错误、遗漏等情况。车缝人员劳动强度大、有压迫感， 心情不舒畅。总体来说工序平衡不严格，生产周期长，工作效率低。 ( 3 ) 模块式生产系统 此生产系统是将工人组成一个独立的组别，负责完成整件服装的加工或一 个完整体系的缝制作业。此系统的工位设置较少，一般1 0 个工位左右，围成一 个u 形或半圆形的工作站，每个工位称为一个模块，模块通常由2 3 台加工 设备组成，一个模块由一个工人以站立或坐式操作。 其特点是：具有较高的灵活性和可变性，能够对不同款式服装的生产作出 快速反应，很方便地变换模块结构及模块的机台组合，有利于产品品种和批量 的转换；减少传统的“捆扎”和“解捆”的工作，工时平衡简单容易，工位时间利 用率高，缩短了生产周期，提高了工作效率；强调群体的互助性生产，实行包 产到组，责任到人，每个工人均是质检员，大大降低产品返修率，提高了产品 质量；采用即时生产原则，降低了生产线在制品负荷量，简化了生产管理工作。 模块式生产系统适用于任何款式服装的生产。由于它具有生产周期短、产品质 量高，同时又具有高度灵活性和快速反应性的特点，更适合高质量短周期服装 的生产。模块式生产系统根据工人的操作方式分为站立式和坐式操作，而对于 多工序操作来说，站立式更能快速变换机台，工作效率高。然而要适合站立式 操作需要有特殊的工作台，传统缝纫机台已不适用，因此自动化程度高，实现 多功能、多工序组合的新型缝纫设备更加适应生产系统。另外，此种生产系统 的一个模块的设备费用大约为l 万美元，对于我国的企业来说，也不符合实际 情况【1 枷。 由此，具有更多优势的自动吊挂流水式生产系统便逐渐占据行业主导地位， 这种生产系统从结构上看是一套裁片传输系统。它给服装行业的生产方式带来 了巨大的变革，有效地解决了制作过程中作业比例时间大、生产周期长、成衣 产量和质量难以有序控制等问题，对服装企业小批量、多品种、短周期的市场 需求，形成快速反应能力具有十分重要的作用。自动吊挂流水线生产系统适用 2 武汉理1 ：人学硕七论文 于任何款式服装的生产。该系统将裁片单件配套传输，避免了传输过程中的折 皱、污损、错号，保证了服装的加工质量，同时工艺编排方便灵活，非常适用 于多品种小批量的生产1 4 】。最早的自动吊挂流水式生产系统只是在车缝工位的 附近架设悬空的轨道，将待加工的裁片循环传送，对应工序的车缝工人在取得 裁片后对其进行加工，完毕后再将其送到主轨道上，以便下一工序的工人进行 加工。主要的目的是减轻用人力进行物料搬运的负担。 早期的服装吊挂流水线完全采用机械部件完成加工裁片的传输和生产数据 的记录，在生产管理和信息共享方面基本处于很低的水平，生产效率低下，存 在着严重的资源浪费和作无用功现象。本课题的研究意义就是在于将现场总线 技术与服装吊挂流水线系统结合起来，将其数字化、智能化，使得生产车间的 各工作站之间能够信息互通，工控室监控机能够适时实时检测控制流水线并进 行远程数据传输。最终改善服装生产企业的管理水平，提高生产效犁5 1 。 1 2 国内外发展现状 1 2 1 国外发展现状 服装吊挂流水线的研究最早在国外开始。1 9 6 7 年，瑞典一家生产衬衫的服 装厂经营者，同时也是一位机械工程师i n g e rd a v i s o n ，凭借他对服装流水线的熟 悉，以及在机械方面的专业经验，率先利用机械传动的方法实现了流水线上裁 片的传动和有关生产信息的记录，这就是全世界第一套服装流水吊挂系统 e t o n 2 0 0 0 吊挂系统，d a v i s o n 也由此创建了专业生产服装吊挂系统的e t o n 公司。作为服装流水线领域的先驱者e t o n 公司在1 9 8 3 年推出了第二代 e t o n 2 0 0 1 系统，1 9 8 7 年又研制成功第三代e t o n 2 0 0 2 系统，9 0 年代后期又推 出了e t o n 4 0 0 0 系统。继e t o n 公司之后，日本的兄弟公司、三菱公司、重机 公司，美国的格伯公司，德国的杜克普爱华公司和艾斯特系统公司，法国的力 克公司、西班牙的艾维公司也先后研制出各自的吊挂系统，并不断地进行机械 传动部件的改进。但随着服装企业规模的壮大和对于生产管理水平的要求，缝 制车间不单单只存在车缝设备，一些高效的传感器设备和监控设备也被引入车 间当中，如：红外测温设备、视频摄像装置、r f i d 设备等，这些设备的传输信 息均为数字信号，原有的服装流水线不可能将这些设备纳入到同一体系中来， 武汉理工人学i 61 十论文 生产企业势必需要投入资金组建新的数据传输网络。而且即便这样还不能做到 工作站与其它设备的数据共享。所以如何在不增加过多成本的条件下，将工作 站和各种管理设备纳入同一个管理网络当中，成了服装企业的首要目标。现场 总线技术的发展正好填补了这一空白，它提供了一个有着良好适应性和较快传 输速度的数字网络，将所有的设备连接起来。现阶段出现了很多高速的总线类 型，如：p r o f i b u s 、p r o f i n e t 、c cl i n k 、e t h e m e tp o w e rl i n k 、s e r c o s i i i 、m o d b u s r t p 等等。上述专业生产服装吊挂流水线的企业也适时地将这些总线引入其中，满 足不同生产规模和要求的服装企业，取得了良好的经济效益。 1 2 2 国内发展现状 服装吊挂系统早期只是在欧美的一部分国家和地区得到使用，但随着越来 越多的服装企业认识到使用服装吊挂系统的优越性，该技术正在愈来愈多地被 世界各国服装企业所采用。我国于1 9 8 7 年2 月引进了第一套服装吊挂生产系统 ( e t o n2 0 0 1 系统) ，到目前为止已有2 0 年左右的时间。经过这2 0 年的发展， 全国已有一些大型企业配备了吊挂系统，像e t o n 系统在我国较大的客户就有： 汉帛( 国际) 、雅戈尔、香港t a l 等，他们已在充分地利用吊挂系统进行大规 模生产，并一直处于较好的使用状态。但对于服装吊挂流水线的生产制造直到9 0 年代末都很少有企业问津。 进入2 1 世纪后，随着我国服装行业的快速发展，国内也出现了一系列服装 吊挂系统的制造厂家，如：广州银寰科技发展有限公司、杭州爱科电脑技术有 限公司、北京日升天辰有限责任公司、中国人民解放军第五七二零工厂、三禾 公司、奥乃实集团等。这些厂家紧随着欧美、日本等发达国家制造商的步伐， 不断改进和完善产品设备，弥补了国内同类产品的空白。 1 3 本文的主要工作和安排 1 3 1 本文主要工作 本课题旨在研究设计一种适用于现代服装吊挂流水线的通信系统。设计难 点在于主控机与工作站信息交换的实现，因此，设计了一块基于p c i 总线的数 据适配卡，将生产车间现场总线引入主控机，实现缝制车间现场总线网络与主 4 武汉理。f ：大学硕卜论文 控机p c 总线的连通。 论文完成的主要工作包括： ( 1 ) 研究了服装吊挂流水线的系统结构、模块功能、工作流程等内容； ( 2 ) 介绍了服装吊挂流水线系统的现场总线基础知识，设计了完整的通信 方案，包括总线类型选择，硬件软件具体设计细节。 ( 3 ) 根据系统设计方案设计了工作站智能终端机通信模块的硬件电路，主 要包括微处理器电路、现场总线接口电路及电源电路、显示电路等外围功能电 路。并设计了通信模块的软件程序，包括现场总线控制器的参数配置程序、总 线数据的传输和接收程序： ( 4 ) 设计了工控机现场总线适配卡的硬件电路，包括p c i 总线接口设计， 现场总线的接口设计以及两种总线的互连电路，开发了适配卡设备的驱动程序 及应用程序动态链接库程序； ( 5 ) 编写了上位机操作界面，对现场总线适配设备进行了调试。 1 3 2 本文的内容安排 第一章绪论。首先提出课题的现实背景和来源，并在此基础上提出本课题 的研究意义，接下来讨论其国内外发展现状，最后总结了本文的主要工作。 第二章通信系统总体设计。介绍了服装吊挂流水线结构，然后提出了通信 系统的总体设计方案，包括现场总线的选择和硬件设备功能芯片的选型。 第三章通信系统硬件设计。构建了工作站智能终端机现场总线通信模块硬 件电路，包括微处理器电路、现场总线接口电路及外围功能电路，此外还设计 并实现了监控室工控机使用的现场总线适配卡硬件电路。 第四章通信系统软件设计。设计了工作站智能终端机现场总线通信模块软 件，包括总线控制器初始化程序模块及报文发送接收模块。然后详细设计了现 场总线适配卡设备的驱动程序及应用程序动态链接库程序。 第五章服装吊挂流水线运作流程和监控软件的实现。结合通信系统分析了 流水线运转流程，介绍了监控软件的细节，包括实现功能、流程等，最后说明 了监控软件与应用程序动态链接库的通信方法。 第六章总结与展望。对全文进行了总结，结合自己所做的工作和系统本身 的特点，对存在的不足提出了一些建议和完善的思路，并对服装吊挂流水线的 发展作出了一些展望。 武汉理1 人学硕i 沦文 第2 章系统总钵设计 2 1 服装吊挂流水线的结构 _ 、一一- 、，- 、一一、一- 蠹一。 。 图2 - i服装吊挂流水线结构图 如图2 一l 所示为服装吊挂流水线结构图，它主要由主轨道和工作站组成。 主轨道负责将夹持裁片或半成品的吊架循环送至各个工作站进行加工，它的长 短以及是否需要转弯可灵活地由工作站的数量和生产场地决定，不论是在个 楼面或在不同楼面的流水线，各主轨道可以通过架柝得以延伸和连接。主轨道 上有马达配合运输链带动吊带作循环传送，当中央控制器决定吊带应进入某一 工作站进行工序处理时该吊架就从主轨道流入此工作站的内轨。经各工作站 处理完的吊架会回流到主轨道流向下一道工序工作站。工作站位于工人的生产 工位附近，包含有内轨、上架盒、下架盒、喂入喂出传动链、吊架、智能终端 机甚至读码器等设备。车缝人员在各工作站内完成整条流水线的各道工序。每 个工作站均由数字表明站号，无论此工作站的用途是装货、车缝、品检等，控 武汉理r 大学硕十沦文 制系统只根据这些站号来识别各工作站。有些吊挂流水线的传送吊架有条码标 志，配备有读码器的工作站可对喂入喂出传动链处理的每一个吊架进行辨识， 并将资料回馈给监控室主控机。内轨可以是单轨、双轨或多轨，主要视工序安 排和生产场地而定。喂入喂出传动链上有一裁片夹持位置，它指的是当下工序 车缝工要处理的那个夹持裁片或半成品的吊架位置。吊挂系统的目的之一就是 让每一个车缝工以最舒适简洁的动作，最大限度的发挥功效，夹持位置的设置 必须符合人体工学和作业需要，方便操作员拿取。可以通过工作站内的智能终 端机进行调节。智能终端机的功能十分强大，可对所有与工作站相关的参数进 行设置，并可通过显示界面了解工作站的运行情况和生产有关信息。但要实现 上述的裁片传动、信息流通共享、数据存储等功能通信系统是必不可少的。通 信系统使孤立的工作站智能终端机才能形成网络，实现流水线的有效运转【6 】。 2 2 课题设计内容 本课题的目的是在保留原有服装流水线主轨道和工作站传动装置的情况 下，设计一套适合于该吊挂系统的通信系统。通信系统以现场总线作为传输介 质，以工作站智能终端机为总线节点、监控室工控机作为通信终端监控现场总 线。本文的设计任务主要是组建服装生产现场总线网络，设计智能终端机设备 以及工控机现场总线适配卡设备，保证各个工作站之间以及工控机与工作站之 间即时准确的信息交换。 2 3 系统总体方案概述 2 。3 1 现场总线的选择 现场总线( f i e l db u s ) 是安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的 自动控制装置之间的数字式、串行、多点通信数据总线，可将所有的现场设备 ( 传感器、执行机构、驱动器等) 与控制器用一根电缆( 光缆或无线) 连接在 一起，形成现场设备级的数字化通信网络，完成现场状态监测控制、远程传输 等功能。 现阶段几种较有影响的工业现场总线主要包括：( a ) h a r t 协议，由美国 7 武汉理：大学硕士论丈 r o s e m o u n t 公司于1 9 8 6 年推出，是一种兼容4 2 0 m a 的模拟信号和数字调制信 号的总线协议；( b ) b i t b u s 总线，是由i n t e l 公司推出的一种低成本的串行控制总 线，物理层使用e i a 4 8 5 标准，数据链路层采用i b m 的同步数据链路控制标准 s d l c ；( c ) p r o f i b u s ，由欧洲i s p 组织推出，它是一种多主多从的令牌网络，物 理层采用e i a 4 8 5 标准，数据链路层采用分布式令牌协议；( d ) l o n w o r k s ，由美 国e c h e l o n 公司推出，采用l o n t a l k 通信协议，该协议遵循i s o o s i 参考模型， 提供了o s i 所定义的全部层服务；( e ) c a n 总线，是一种对等的总线网，其物 理层符合i s od i s11 8 9 8 标准，数据链路层采用了载波监听冲突检测机制，并 增加了优先级控制，最高传输速率为1 m b p s ，最大传输距离为1 0 k m 。 以上几种总线中，h a r t 数字信号的传输速率有限，不能接入太多的仪表， 一般在1 0 个左右，这限制了它的应用；b i t b u s 总线是多主多从结构的总线形式， 不利于系统的扩展；p r o f i b u s 的最远通信距离只有4 8 k m ，l o n w o r k s 功能强大， 但价格比较昂贵峭】。根据服装吊挂系统的通信要求和各种总线的功能比较，无 论是从距离上看还是多点控制上看，c a n 总线都十分适合，且c a n 总线产品 价格较低，有利于降低成本，符合设计要求，因此采用c a n 总线应用于本系统。 2 3 2 通信系统结构 图2 2服装吊挂系统通信系统结构图 如图2 2 所示，通信系统由c a n 总线适配卡、工作站智能终端机、c a n 总线网络组成。c a n 总线以屏蔽双绞线的形式展开，分别是c a n l 、c a n h ， 采用两条线的差分电压传输信号。将工作站智能终端机通过c a n 收发器挂在 8 武汉理工大学硕士论艾 c a n 总线上，在发生数据交换的时候，由智能终端机c a n 总线控制器内c a n 协议模块将差分电压信号转换成比特流，供微处理器读取并进行有关处理1 9 - 1 0 】。 工控机是整个通信系统的控制主导，它通过总线适配卡，将c a n 总线上的数据 引入p c 机，了解每个工作站智能终端机的运转情况，并可通过人机界面向总 线网络中任一工作站发送控制指令，实现流水调度。 2 3 3 系统硬件方案概述 ( 1 ) 工作站智能终端机设计 图2 3智能终端机结构图 智能终端机结构图如图2 3 所示，由微处理器、电源及复位模块、显示模 块、c a n 总线接口模块组成。选择p h i l i p s 公司的1 6 位r i s c 处理器l p c 2 2 1 2 为处理器、带s p i 接口器件m c p 2 5 1 5 为c a n 总线控制器、a d u m l 2 0 1 为信号 隔离芯片、t j a l 0 5 0 为c a n 总线收发器、n u p 2 1 0 5 l 为c a n 总线浪涌保护芯 片、深圳拓普微科技公司的l m l 2 8 6 4 l 为显示模块。 在设计初期，曾反复考虑过选择什么型号的微处理器。微处理器作为设备 的核心器件，对设备的功能实现、性能优劣有着至关重要的意义。选择微处理 器时本文考虑的主要因素有以下几点： 微处理器的性能及外围功能 选择处理器时并不以速度快、处理位数高为最优考虑，而是要充分分析系 统的功能需求，以最适合系统功能的实现为最优；此外最好能具有较丰富的外 围功能，以便留有对系统进行功能扩展的余地。 开发工具和软件支持 。 9 武汉理t ：大学硕士论文 仅有一个好的微处理器，没有较好的软件开发工具支持，会大大增加开发 的难度，增大设计失败的可能性。 功耗及成本 现在电子行业的趋势是无论设计什么系统都要求高性能、低功耗，相应的， 微处理器和各种功能器件的制造也逐渐按照这个方向发展。而降低成本是任何 一个开发都必须遵循的原则1 引。 目前市场上主流的微处理器有单片机、d s p 、a r m 等。智能终端机设计中 微处理器偏重于实现控制功能，所以将偏重于算法的处理器芯片d s p 排除在外。 从根本上说，单片机足以完成设计功能，且在成本上具有很大优势，但考虑到 其较单调的外围功能和过慢的速度，也将其排除在外。a r m 系列芯片是目前市 场上最为流行的微处理器，己占据了6 0 以上的市场份额。它具有非常高的性 能、极为丰富的外围设备、众多的芯片种类、大量的开发工具和丰富的第三方 资源，更重要的是它的价格比较低，a r m 7 系列的芯片通常都在1 0 0 元左右， 如p h i l i p s 公司的l p c 2 1 3 4 只需要4 0 元，几乎与高性能的单片机不相上下。 最终确定采用p h i l i p s 的l p c 2 2 1 2 为微处理器。虽然它相较l p c 2 1 0 0 系 列芯片价格稍高，但其拥有分开专用的数据和地址总线，能够极其方便地与多 种功能器件接口。l p c 2 1 0 0 系列芯片引脚全为双向i o 口，在某些场合不免涉 及到时序的模拟，设计上稍显麻烦。 ( 2 ) 工控机c a n 总线适配卡的设计 图2 - 4c a n 适配卡结构图 c a n 适配卡结构图如图2 4 所示，由工控机接口模块、c a n 总线接口模块 1 0 武汉理工大学硕十论文 组成。经过再三考虑，决定采用p c i 总线作为工控机的接口总线。选择p l x 公 司的p c i 9 0 5 2 作为p c i 总线的控制芯片，i n t e l 公司的8 2 5 2 7 作为适配卡c a n 总线控制器。此外，信号隔离和防浪涌模块均与智能终端机采用相同方法实现。 工控机接口总线的选择也是极其重要的，其结果直接影响设计的难易程度 和系统的整体性能。一般说来，p c 机的总线接口主要包括机内总线，如：i s a 、 e i s a 、p c i 、a g p ，机外总线，如：i d 眦、s a t a 、s c s i 、u s b 、i e e e l 3 9 4 等，它们各有其优势和特定的外部应用环境。考虑到c a n 适配卡是装载在监控 室内的工控机上，并没有非常苛刻的外部使用环境，故排除机外总线。机内总 线中，i s a 、e i s a 已经完全跟不上c p u 发展的脚步。在使用该总线的计算机系 统中，硬盘、显卡和其他外围设备只能慢速且狭窄的数据瓶颈来发送和接收数 据，造成整机的性能受到严重影响，所以也不在本文的选择范畴内。a g p 总线 有着极高的传输速率同时设备造价也相当高，一套芯片组的价钱已差不多可比 得上一颗p e n t i u mp r oc p u 的价格。由于服装吊挂系统的通信速率不高，采用 a g p 总线反倒是浪费。最终p c i 作为工控机接口总线，其特点如下： 传输速率高：p c i 总线以3 3 m h z 的时钟频率操作，采用3 2 位数据总线， 支持多组外围附件及附加卡，数据传输速率高达1 3 2 m b s ，远远超过i s a 总线 5 m b s 的速率。 全自动配置与资源分配：p c i 设备内有设备信息寄存组为系统提供设备 信息，可实现即插即用。 采用总线主控和同步操作：总线主控是大多数总线都具有的功能，目的 是让任何一个具有微处理器的外围设备暂时接管总线，以加速执行高吞吐量、 高优先级的任务。 不受处理器限制：p c i 独立于处理器的结构，形成一种独特的中间缓冲 器设计方式，将中央处理器子系统与外围设备分开。还可以保证处理器技术的 变化不会使个别系统的设计显得过时。 2 4 本章小结 本章首先介绍- f i 臣装吊挂流水线的结构，在此基础上概述了通信系统的设 计方案，包括现场总线选择和硬件设计方案。 武汉理 火学硕 论文 第3 章系统硬件设计 3 1 工作站智能终端机设计 3 1 1 微处理器简介 l p c 2 2 1 2 是基于一个支持实时仿真和跟踪的1 6 位a r m 7 t d m i s 微处理 器，包含有1 2 8 k b 嵌入的高速f l a s h 存储器、多个3 2 位定时器、8 路l o 位 a d c 、p w m 通道以及多达9 个外部中断等资源，是一款性价比很高的嵌入式 微处理器【1 6 1 。 3 1 2 电源电路 l p c 2 2 1 2 需要双电源供电，分别是标准值为1 8 v 的c p u 操作电源和标准 值为3 3 v 的i o 口操作电压。为此首先使用变压器将服装生产现场提供的2 2 0 v 交流电转换成交流电，采用桥式整流电路进行整流得到2 4 v 直流电后，通过 d c d c 模块b 2 4 0 5 s 得到5 v 直流电源，为l c d 显示屏供电。将5 v 电源通过 s p x l l l 7 m 一3 3 芯片，得到稳定的3 3 v 电源，为l p c 2 2 1 2 的i o 口供电。将5 v 通过s p x l l l 7 m 1 8 得到稳定的1 8 v 电源，作为c p u 操作电压。为了降低噪 声和出错几率，l p c 2 2 1 2 具有独立的模拟电源和数字电源引脚，采用电感作为 电源隔离元件，将数字高频噪声隔离。电源电路原理图如图3 1 所示。 图3 1电源电路原理图 1 2 武汉理工大学珂! 卜论文 s p x l l l 7 是s i p e x 公司出品的低压差( l d o ) 正向电压调节器，其特点是输 出电流大，最高可达0 8 a 稳定输出电流，输出电压精度高，般在4 - 1 以内， 同时还具有电流限制和热保护功能，在消费电子产品中被广泛应用。为了确保 s p x l l l 7 的稳定性，输出端至少需要一个2 2 u f 的钽，陶瓷电容或1 0 u f 的铝电 容。本设计用到该系列当中s p x l l1 7 m 3 3 和s p x l l l 7 m 1 8 两款芯片。 s p x l l l 7 m 1 8 和s p x l l l 7 m 3 3 参数说明如表3 1 所示。 表3 1 s p x l l l 7 m 1 8 和s p x l l l 7 m 3 3 参数说明 型号条件最小典型值最大单位 s p x l l1 7 m 1 810 m a i o u t 8 0 0 m a1 7 6 4 1 8 0 01 8 3 6v 3 2 v v 附12 v s p x l l17 m 3 310 m a 一 i o t r r 8 0 0 m a3 2 3 43 3 0 03 3 6 6v 4 7 v v i n 1 2 v 3 1 3j t a g 调试电路 l p c 2 2 1 2 芯片是基于a r m 7 t d m i s 核的微处理器，因此能够提供符合 i e e e l1 4 9 1 的j t a g 测试接口，主要用于测试装配在印刷电路板或者其它版面 上的集成电路互连性、测试集成电路自身的功能、器件正常工作时观测或修改 引脚状态。j t a g 基本原理是在器件内部定义测试访问口并通过专用的j t a g 测 试工具对内部结点进行测试。同时也可以通过j t a g 接口将多个器件串连在一 起，形成一条链，实现每个器件的分别测试。采用l p c 2 2 1 2 自带的j t a g 引脚 实现测试接口，j t a g 调试电路原理图如图3 2 所示。 图3 - 2j t a g 调试电路原理图 2 4 6 8加挖h m 培加 ，3 ；7 9 n 乃坫仃侈 一l一例一一一喜|一一一啪 武汉理工大学硕 ：论文 3 1 4 复位电路设计 微处理器在上电时状态并不确定，将造成微处理器不能正确工作。为解决 上述问题，所有微处理器均有一个复位逻辑，负责将微处理器初始化为某一确 定状态。这个复位逻辑需要一个复位信号才能工作。一些微处理器在上电时会 自动产生复位信号，但大多数微处理器需要外部输入这个信号。因为微处理器 的初始状态由该信号确定，所以该信号的稳定性和可靠性对微处理器的正常工 作有着重大影响。本文设计手动复位模块。采用专门的复位监控器件s p 7 0 8 s 完成复位功能。s p 7 0 8 s 复位阈值为2 9 3 v ，复位脉冲宽度2 0 0 m s ，m r 引脚电 平低于o 8 v 时触发复位信号。最大电源电流4 0 1 a a ，支持高低电平的复位信号 输出，输入电压范围1 5 5 v ，内嵌v c c 干扰抑制电路，支持对供电失败及低 电池警告进行监控。复位电路原理图如图3 3 所示。 g w r f f l i 1 3 1 5 显示电路设计 图3 3复位电路原理图 为了方便车缝人员及时了解工作站运行情况及生产数据，设计了l c d 显示 模块。采用深圳拓普微科技开发有限公司出品的l m l 2 8 6 4 l 为l c d 显示屏。 l m l 2 8 6 4 l 为1 2 8 6 4 的全点阵图形液晶显示模块l m l 2 8 6 4 中的一个系列。内 置三星公司$ 6 8 0 1 0 8 控制器( 两片) 和$ 6 8 0 1 0 7 驱动器，能完成图形方式的 各种内容的显示。模块硬件电路简单，功能强大，性能稳定，是性价比极高的 一款液晶显示模块。 l m l 2 8 6 4 l 的管脚逻辑高电平为3 7 5 v ，而l p c 2 2 1 2 的i o 管脚逻辑高电 平为3 - - - 3 3 v ，驱动能力显然不够。采用7 4 h c 2 4 5 芯片增强l p c 2 2 1 2 的i o 驱 1 4 动能力，实现与液晶模块的管脚电平匹配，液晶显示电路原理图如图3 4 所示。 其中2 5 k 电位器用于调整显示屏对比度。 、d d 5、。d d ， 乙z rv c cf ：9la l 二 c s 二； ：o e ：8 ，71 e 土 二 j 二b ： ：一p 0s 0 只碡 5 a ；b ： 5 ，f0l 二b 3 irs6：! 咒：3 土jb a ：二p c 1 l s a 6b 5 ：； 9 b 6 ：0 sb g b 8 一l 乙； zr 、，c c粤 ，ld b ： 二 3 b ： 3 a：oe ：s 1 01 3 弓： 二 ：b： ：p 二： 3 b j 5 a3b： ：芒p ： 3 b 二 6 4b3 ：p ：1 3 弓j ? a5勘 ：二茁j： 3 8 5 土s 5b5 ：三? e ： 3 b 一 9 ajb6 ：二p 26 ： 一 i0 sb1 ：lp 1 】 gndbs j 三 、芒三 v d d ，、o l p 0sc s 二y 黝：c ：、。 咒? o b l 。 一 p 26d b l - 咒5o b jy p 2 ：d 马二y 残二o b 二、。 笠二d b 二y 嚣：o b ：、 畿0d b ：1 p 。- 9ey 氍；0r 锅 p 。1 ir sy 、。0 图3 - 4液晶显示电路原理图 3 1 6 时钟电路设计 目前所有的微处理器均为时序电路，需要一个时钟信号源才能工作，大多 数微处理器具有晶体振荡器。基于以上事实，需要设计时钟电路。l p c 2 2 1 2 振 荡器支持晶振范围为1 - 3 0 m h z ，如果不使用片内p l l 功能，则外部晶振频率 范围是l - 3 0 m h z ，如果使用p l l 功能，则只能接受频率在1 0 2 5 m h z 的外 部晶振。采用1 1 0 5 6 9 2 m h z 的外部晶振，时钟电路原理图如图3 5 所示。使用 1 1 0 5 6 9 2 m h z 的晶振可以使串口波特率更精确，同时支持片内p l l 功能。图3 5 中两个3 0 p f 的电容可以帮助晶振起振，但有时候该值并不一定准确，在硬件调 试时，要借助示波器检测信号输出的管脚，并根据实际情况作相应的调整。 武汉理1 大学硕十沦文 3 0 p f 图3 5 时钟电路原理图 3 1 7c a n 接口电路设计 c a n 接口电路由c a n 总线控制器、信号隔离器、c a n 收发器、c a n 总 线浪涌防护芯片组成【l7 1 8 j 。选择m i c r o c h i p 公司出品的m c p 2 5 1 5 作为c a n 总 线控制器，通过其内部的c a n 2 0 b 协议模块完成比特数据流转和c a n l 、c a n h 线上的电平的转换，实现智能终端机与c a n 相