（机械制造及其自动化专业论文）遥控墨斗控制系统的设计开发.pdf

摘要 摘要 墨斗是胶印机控制着色的核心部件之一，主要用于控制印刷时各个墨区的 墨量，其控制精度在很大程度上决定了最终印刷品的质量。目前国内生产的墨 斗主要依靠手动调节墨斗的墨量，很难实现对墨量的精确控制，并且具有生产 准备时间长、自动化水平低、难以实现数字化印刷等缺点。国产高档胶印机一 般采用进口的遥控墨斗，通过操作台对墨斗的墨量进行精确控制，但是进口墨 斗的价格昂贵。 论文根据国产墨斗的不足和国际先进墨斗的发展趋势，提出一种由p c 机 控制系统、操作台控制系统和电机控制系统组成的遥控墨斗控制系统。遥控墨 斗的墨键采用电机驱动，代替了传统的手工调节使墨斗墨量的控制精度得到大 幅提高，墨量控制的重复性也得到了保障。 操作台控制系统和电机控制系统都是以p i c l 8 f 8 6 8 0 单片机作为核心控制 芯片，各个系统间的通讯采用c a n 总线通讯方式。操作台控制系统接收到工作 人员的操作指令后，将新的墨键位置信息通过c a n 总线发送给电机控制系统和 p c 机控制系统，并及时显示墨键的位置和故障等信息；电机控制系统接收到墨 键的位置信息后，通过控制电机的转动实现墨键位置的精确定位，并实时检测 电机发生的各种故障。 论文详细介绍了操作台控制系统的硬件电路与软件设计、电机控制系统的 硬件电路与软件设计以及c a n 总线接口设计，并对遥控墨斗控制系统进行了测 试和评价。测试结果表明遥控墨斗控制系统的控制精度达到预期的要求，并具 有稳定可靠、抗干扰能力强的特点。 关键词遥控墨斗；c a n 总线；p i c l 8 f 8 6 8 0 单片机 北京t 业人学t 学硕f j 学位论文 a b s t r a c t i n kf o u n t a i n ，a so n eo ft h ec o r ec o m p o n e n t st oc o n t r o lc o l o ri no f f s e tp r e s s ，i s m a i n l yu s e dt oc o n t r o lt h eq u a n t i t yo fp r i n t i n gi n ki nd i f f e r e n ti n kr e g i o n 1 1 1 e c o n t r o lp r e c i s i o nd e t e r m i n e st h ef i n a lq u a l i t yo fp r o d u c ti nag r e a te x t e n t c u r r e n t l y , t h ed o m e s t i ci n kf o u n t a i n , w h i c hm a i n l yr e l i e so nm a n u a la d j u s t m e n t ，i sh a r dt o r e a l i z et h ee x a c tc o n t r o lt ot h eq u a n t i t yo fp r i n t i n gi n k t h ed o m e s t i ci n kf o u n t a i n a l s op r e s e n c es o m es h o r t a g e ，s u c ha sl o n gp r o d u c tt i m e ，p o o ra u t o m a t i z a t i o nl e v e l ， h a r dt or e a l i z ed i g i t a lp r i n t i n g h i 曲一g r a d ed o m e s t i co f f s e tp r e s sa d o p t si m p o r ti n k f o u n t a i n ，w h i c hc o n t r o l st h eq u a n t i t yo fp r i n t i n gi n kb yt h ec o n s o l e b u tt h ep r i c eo f t h ei m p o r ti n kf o u n t a i ni se x p e n s i v e b a s e do nt h el a c ko fd o m e s t i ci n kf o u n t a i na n di n t e m a t i o n a lt r e n d so fa d v a n c e d p r o d u c t s ，an o v e lr e m o t ec o n t r o ls y s t e mf o ri n kf o u n t a i nw a sd e v e l o p e di nt h i s d i s s e r t a t i o n t h er e m o t ec o n t r o ls y s t e r nw a sc o m p o s e do fc o m p u t e rc o n t r o ls y s t e m , c o n s o l ec o n t r o ls y s t e ma n dm o t o rc o n t r o ls y s t e m i n s t e a do ft h et r a d i t i o n a lm a n u a l o p e r a t i o n 。t h ei n kk e y sw e r ed r i v e nb ym o t o r s i tc o u l di m p r o v et h ec o n t r o lp r e c i s i o n f o rt h eq u a n t i t yo fp r i n t i n gi n ka n dg u a r a n t e e dt h er e p e a t a b i l i t yo ft h ep r i n t i n gi n k c o n t r 0 1 p i cl8 f 8 6 8 0m i c r o c o n t r o l l e rw a su s e da st h ek e yp r o c e s s o r sf o rc o n s o l ec o n t r o l s y s t e ma n dm o t o rc o n t r o ls y s t e m c a nb u sw a sa d o p t e dt oc o m m u n i c a t eb e t w e e n d i f f e r e n tc o n t r o ls y s t e m s 、h e l lt h ec o n s o l es y s t e mr e c e i v e dan e wo p e r a t i o n c o m m a n d ，t h en e wi n kk e y sp o s i t i o ni n f o r m a t i o nw a ss e n tt ot h em o t o rc o n t r o l s y s t e r na n dp cc o n t r o ls y s t e mb yc a nb u s ，a n dt h en e wp o s i t i o ni n f o r m a t i o na n d f a u l ti n f o r m a t i o nw e r es h o w e di nt h ec o n s o l ei nr e a l - t i m e ；朋e nt h em o t o rc o n t r o l s y s t e mr e c e i v e dan e wi n kk e y sp o s i t i o n , m o t o rw a sc o n t r o l l e dt ol o c a t et h ei n k k e y sp o s i t i o np r e c i s e l y , a n dt h ef a u l ti n f o r m a t i o no fm o t o rw a sm o n i t o r e da n y t i m e t h es o l t - w a r e ，h a r d w a r e ，c a nm o d u l ef o rc o n s o l ec o n t r o ls y s t e ma n dm o t o r c o n t r o ls y s t e r nw e r ed e s i g n e dr e s p e c t i v e l 髟t h er e m o t ec o n t r o ls y s t e mo fi n k f o u n t a i nw a st e s t e da n de v a l u a t e d t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h er e m o t ec o n t r o l s y s t e mo fi n kf o u n t a i nd e s i g n e ds a t i s f yt h ed e s i r e dr e q u i r e m e n t s ，a n dh a sh i i 曲 s t a b i l i t y , r e l i a b i l i t ya n ds t r o n ga n t i i n t e r f e r e n c ec a p a b i l i t y k e y w o r d sr e m o t ei n kf o u n t a i n ；c a nb u s ；p i c18 f 8 6 8 0m i c r o c o n t r o l l e r 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：著孚赳日期：z 趟：皇。z 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：j ：重趟 导师签名： 第1 章绪论 1 1 课题研究目的和意义 第1 章绪论 1 1 1 墨斗相关知识介绍 墨斗是胶印机控制墨色的核心部件之一，主要用于控制印刷时各个墨区的墨 量，其控制精度在很大程度上决定了最终印刷品的质量。下面以四色机为例来介 绍墨斗在胶印机上的功能。 四色胶印机上装有四个墨斗，在工作时，彩色印刷品被分为黑、红、蓝、黄 四种单色图形，纸张通过胶印机时，四种单色图形依次印在纸张上，叠加后就得 到所需要的印刷品，印刷过程如图1 1 所示： 圈+ 圈+ 圈+ 圈一囝 图1 - 1 印刷过程示意图 f i g 1 1s k e t c hm a p o fp r i n t i n gp r o c e s s 四色胶印机上的每个墨斗负责控制一种颜色的墨量，根据不同的墨斗型号， 单色图形又被分为不同个数的墨区，如图1 2 所示，每个墨区所需的墨量与印刷 品有关。 墨区 图l - 2 墨区示意图 f i g 1 - 2s k e t c hm a p o fi n kr e g i o n 2 1 北京工业 学i 学砸l ：学位论文 目前使用的墨斗主要有两种：传统墨斗和遥控墨斗。传统墨斗主要依靠手工 调节墨斗体上的螺丝来控制墨斗各个墨区的墨量，很难实现对墨量的精确控制。 遥控墨斗的墨斗体上排列着数十个墨键，如图l - 3 所示，每个墨键用于控制一个 墨区的墨量。每个墨键都可以来回移动，墨键的移动是通过电机驱动来实现。当 墨键与胶印机墨辊之间的问隙较大时，流过的墨量较大反之则流过的墨量较小。 操作人员通过遥控墨斗控制系统即可实现对墨键位置的精确定位和墨量的精确 控制。 图l o 遥控墨斗示意图 f i g1 - 3s k e t c h m 叩o f r e m o t e n k f o 皿t a i n l1 2 课题研究目的与意义 胶印机是目前市场上用于印刷高挡次商业印刷品、包装印刷品的重要印刷机 型，是极具发展特点的印刷机。近年来，胶印机正向高速度、高质量、高自动化 程度，多色组、多功能，缩短转换时间、准备时间和停机时间等方向发展。 采用传统墨斗的四色胶印机里有四个璺斗，每个墨斗有数十个璺区，在印刷 前操作人员需对每个墨区的墨量进行调节，调节完成后进行试印刷，为了得到稳 定的印刷品，每次试印刷至少需要印刷1 0 0 张印刷品，操作人员将印刷品与原来 的样品对照后，继续对各个墨区的墨量进行调节，然后再次试印刷，再调节，直 到印刷品与样品非常接近为止。由此可见，采用传统墨斗的胶印机具有如下缺点： ( 1 ) 对操作人员要求高，需要非常有经验的操作人员依据经验凭着主观感 觉来反复调节墨区的墨量。 第1 章绪论 ( 2 ) 印刷品质量难以保证，不同的人或不同的时间调出来的墨区的墨量很 难保证一致，从而使得印刷品的质量不稳定。 ( 3 ) 在印前需要对墨区的墨量反复调节，使得生产准备时间长。 ( 4 ) 浪费严重，印前需要反复进行试印刷，使得纸张浪费非常严重。 ( 5 ) 难以实现数字化印刷，目前数字化印刷应用越来越广泛，显然采用手 动调节的墨斗很难实现数字化印刷。 目前国内印刷设备厂商生产的高档胶印机主要采用进口的遥控墨斗，但是进 口的墨斗价格昂贵，且没有自己的知识产权。 针对以上问题，本课题提出一种遥控墨斗的控制系统。这个控制系统由p c 机控制系统、操作台控制系统和电机控制系统组成，通过遥控墨斗控制系统可以 实现对墨键的精确定位，从而有利于缩短胶印机的生产准备时间、提高胶印机的 产品质量和自动化水平、降低对操作人员的技术要求、减少资源浪费，对实现数 字化胶印机也具有重要意义。 1 2 国内外研究现状与趋势 1 2 1 国外墨斗现状与趋势 目前国外生产高档胶印机和遥控墨斗的企业很多，如海德堡、小森、曼罗兰 等。海德堡2 0 年前就已经开发出遥控墨斗，并取得国际专利，这种墨斗的特点 就是取消了传统的刮墨刀，而能够精确的分别再现各墨区的调定值，无任何区间 互涉现象，各墨区的调定值可以通过三种方式在操纵台输入：按键、光笔和数据 预存磁带【2 j 。现在国外生产的遥控墨斗一般由墨斗体、控制电机用的电机驱动系 统、调节墨键位置用的操作台控制系统和具备网络通讯功能的计算机系统等组 成。 由于遥控墨斗是胶印机的一部分，胶印机的发展趋势对遥控墨斗有很大的影 响，因此遥控墨斗的发展趋势将通过讨论胶印机的发展趋势来分析。 长期以来，印刷业自动化在印前、印刷与印后加工3 个领域各自发展。随着 全球进入数字网络经济时代，印刷技术与其它技术不断融合，印刷流程的高度信 息化及数字化，使得数字化印刷流程能贯穿印前、印刷和印后加工的全过程。随 着短版印刷、个性化印刷和按需印刷需求的迅猛发展，集印前、印刷和印后加工 于一体的理念得到印刷业界的广泛认同。1 9 9 5 年由国际上四十多家著名印刷机械 制造企业和经销商发起成立了c i p 3 组织( 印前、印刷及印后集成化国际合作组 织) 。该组织致力于推动整个印刷行业朝着交工期更紧、作业周期更短的方向发 展，其目标是通过数字化印刷工作流程实现印前、印刷及印后加工的一体化集成 【3 ，4 】。在数字化印刷的印前过程中，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，把这一参数直接传送给 北京丁业人学t 学硕i j 学位论文 胶印机，实现印前和印刷过程的信息共享，胶印机通过遥控墨斗对墨量进行预设 即可大大缩短印刷准备时间、降低资源浪费等【5 1 。 2 0 世纪9 0 年代中期以来，国外各大印刷机械制造企业纷纷加大研发投入以率 先生产出高性价比的数字化印刷机械产品并占领和拓展市场。经过近十年的发 展，数字化印刷设备及数字化印刷工作流程已发展成熟并进入实用化阶段。在国 外，主流印刷企业已开始选用具有数字化功能的印前、印刷和印后加工设备，并 通过数字化流程及相应的网络化环境实现了印前、印刷及印后加工的一体化集 成。印刷数字化已成为印刷行业发展的必然趋势【6 】。 印刷机在这些年除了提升速度及印量外，朝向自动化与数字化的发展也是不 遗余力，如目前国际上先进的印刷机已普遍包含自动换版，自动洗车、增加校准 的方便性及精密度，在朝向减少印刷机准备时间迈进，而印刷机准备时，除了十 字线套印准确度之外，油墨的控制及水墨平衡也是最需要经验及耗费时间和材料 附7 1 。通过采用c i p 4 标准及符合j d f 规范的数字化工艺流程接口技术后，可通过 网络及数字化工艺流程与印前和印中设备集成，在高自动化基础上实现墨斗的网 络化数字控制和管理【8 ，9 】。在采用相关标准和接口后，能实现基于网络的远程全 机自动设定和在线调整【l o j 。 由此可见，遥控墨斗已经成为国外生产胶印机上的标准配置，随着数字化印 刷的普及，遥控墨斗将在数字化胶印机墨色控制领域得到广泛应用，遥控墨斗的 发展在一段时间内将主要体现在功能的完善方面，如符合国际c i p 4 j d f 标准接口 的各种应用软件的开发和与其它印前数字化设备的集成等。 1 2 2 国内墨斗现状与趋势 目前国内生产的墨斗主要是传统墨斗，对墨量的控制采用手工调节的方式， 缺点有难以实现墨量的精确控制、自动化水平低、难以实现数字化印刷等。国内 目前有三家企业生产先进的遥控墨斗，其中北京的莫尼公司和国外印刷设备企业 合作，莫尼采用国外先进的遥控墨斗技术，但是生产的遥控墨斗没有自己的知识 产权，价格也较高。另外两家企业自己研发遥控墨斗，遥控墨斗的控制系统采用 p l c 控制，成本较高，可靠性和稳定性等还有待验证，目前应用的较少。 目前国内市场，由于经济发展不平衡，区域需求差异很大，特别是印刷生产 的城镇化、乡村化，导致高质量、高速度、高度智能化和自动化的印刷机市场需 求在不断扩大，而相对落后的中档、低档印刷机仍然在继续生产。长期以来，国 产印刷机基本上一直走着“跟踪”发展的道路。而且由于种种原因，我们只能在国 外已经生产多年、甚至已经渐显落后的机型上做文章，最先进的印刷机我们基本 上无暇或没有机会跟踪，因此落后的境况没有太大改变，与国际上一流印刷机仍 然存在很大差距【l l 】。目前国内生产的胶印机特点如下【1 2 , 1 3 】： ( 1 ) 速度上难以突破。国产单张纸胶印机的印刷运行速度，长期以来不能 第1 章绪论 突破1 0 0 0 0 印时，而进口胶印机的速度目前已超过1 5 0 0 0 印时，差距十分明显。 ( 2 ) 质量上徘徊不前。困扰业内的印刷质量问题，长期得不到根本解决， 这也是进口印刷机备受青睐的根本所在。目前在很多印刷企业，高质量的印刷产 品只能依赖进口印刷机来生产。 ( 3 ) 档次上少有进步。早在上世纪80 年代，国外就开发了数字化、联机检 测控制的多色胶印机。而国内因为经济发展制度和格局的制约，加上相对其他制 造行业当时印刷机制造行业仍保持的高利润回报、企业各自为政的局面，一时还 难以改变，信息资源共享还需时日。因此在高档次单张纸印刷机研发方面的人力、 资金等社会资源综合投入还很有限，跟踪发展的模式还在继续。在印刷机上独立 的知识产权虽然也有一些，但是无关痛痒，真正核心的技术掌握不多。 ( 4 ) 数字化水平还有待提高。目前国内的印刷设备企业生产的印刷设备很 少具有数字化功能，国产胶印机主要是采用手动调节方式的墨斗，也有个别厂商 生产的胶印机配备了遥控墨斗，但由于遥控墨斗是从国外进口，价格昂贵，而且 没有自己的知识产权。 随着国民经济的发展，人民生活水平有了很大提高，人民大众的消费大幅增 长，对外贸易不断扩大，促进我国包装装潢印刷业突飞猛进的发展，从而给印刷 制造业提供了广阔的市场。近年来，国家为印刷机行业的发展制定了一些鼓励措 施，2 0 0 5 年国家发改委制订的产业结构调整指导目录中把“自动化高速多色 成套印刷设备制造”列为鼓励类发展项目；2 0 0 6 年1 1 月关税税则委员会关于 调整部分商品进出口暂定税率的通知( 税委会【2 0 0 6 】3 0 号文件) 中，将“计 算机直接制版机器”和胶印机用“墨量遥控装置”( 包括墨色控制装置、墨量调节 装置、墨斗体等组成部分) 的进口关税分别从7 、6 调整为0 。这样做有利于 引进先进技术和高质量的零配件【i 鲥。 随着国家政策的鼓励和数字化印刷流程在国内的发展与应用，遥控墨斗最终 将成为国产胶印机标准配置。随着国内印刷技术的进步，遥控墨斗的功能将更加 完善，实现和其它数字化印刷设备集成，在印前即可完成对墨键位置的预置，在 印刷过程中使用装在操作台上的自动测色装置( p d c s ) ，把测得的数据反馈给 印刷机的遥控墨斗，由遥控墨斗根据所设定的标准进行自动调节。 1 3 课题来源与研究内容 本课题来源于北京市科委“数字化控制多色胶印机设计与制造”项目，本课题 研制的数字化遥控墨斗的技术水平将达到国际二十一世纪初同类产品先进水平， 与国际上同类产品在价格方面具有一定的竞争优势。 根据项目分工，本文主要研究操作台控制系统和电机控制系统两个系统设 计，而不介绍p c 机控制系统的设计，本课题的研究内容如下： 北京t 业人学t 学硕i j 学位论文 ( 1 ) 遥控墨斗操作台控制系统的硬件设计与软件设计； ( 2 ) 遥控墨斗电机控制系统的硬件设计与软件设计； ( 3 ) c a n 总线接口设计与通讯协议设计； ( 4 ) 遥控墨斗控制系统的测试与分析。 1 4本章小结 本章首先简单介绍墨斗控制墨量的相关知识和墨斗在胶印机中的作用，提出 课题的研究目的和现实意义，然后分析了遥控墨斗在国内外的胶印机上的应用现 状和发展趋势，以及国产墨斗的落后状态，接着简单介绍了课题的来源以及本课 题需要完成的研究内容。 第2 章遥控墨斗控制系统的整体设计 第2 章遥控墨斗控制系统整体设计 2 1 遥控墨斗控制系统整体方案设计 墨斗是胶印机的核心部件之一，根据型号每台胶印机配有不同个数的墨斗， 如四色胶印机有4 个墨斗。每个墨斗用于调节一种墨色的墨量，墨斗体上排列着 数十个墨键( 本文研究的墨斗上墨键个数为2 1 个) ，墨键通过来回移动来调节不 同墨区的墨量。每个墨键的移动是通过一个直流减速电机驱动一套传动装置来实 现，因此墨斗上有多少个墨键就需要多少个电机。 本文研究的遥控墨斗控制系统由p c 机控制系统、操作台控制系统和数个电 机控制系统组成，各个系统之间的通讯采用c a n 总线通讯方式。p c 机控制系统 具有计算机网络功能，能从其它地方读取相关的印刷所需数据，并通过c a n 总 线传递给操作台控制系统和电机控制系统；操作台控制系统用于调节和实时显示 各个墨键的位置以及一些故障信息，并将相关墨键位置信息发送给电机控制系统 和p c 机控制系统；电机控制系统用于根据p c 机控制系统或操作台控制系统的 信息控制各个电机的转动，从而实现墨键的精确定位，同时检测电机发生的各种 故障并将故障信息实时反馈给操作台控制系统和p c 机系统。整个遥控墨斗控制 系统的结构如图2 1 所示，每个电机控制系统控制的电机数量最大为1 2 ，因此一 个墨斗需要2 个电机控制系统。 r 算机。 p c 机操作台 网络 r 控制系统控制系统 r a n 总缘 一号墨斗二号墨斗 电机电机电机电机 控制控制控制控制 系统1系统2系统3系统4 图2 1 遥控墨斗控制系统结构图 f i g 2 - ls t r u c t u r eo fc o n t r o ls y s t e mf o ri n kf o u n t a i n 遥控墨斗工作时有两种工作方式：一种是操作人员通过操作台输入每个墨键 的位置，操作台将相关的位置传递给p c 机和相应的电机控制系统，p c 机更新 显示相关墨键的位置，电机控制系统则控制相应电机的转动，实现墨键的精确定 北京t 业大学t 学硕i ：学位论文 位；另一种工作方式是p c 机系统从存储器或其它设备读取印刷数据，并根据数 据将各个墨键的位置传递给电机控制系统和操作台控制系统，操作台控制系统更 新显示墨键位置，电机控制系统则控制电机转动实现墨键的精确定位。 综合考虑墨斗电机控制系统的功能要求和工作环境等，选用美国微芯 ( m i c r o c h i p ) 公司生产的p i c l 8 f 8 6 8 0 芯片作为操作台控制系统和电机控制系统 的主控制芯片。调试工具采用m i c r o c h i p 公司的m p l a bi c d 2 工具和m p l a bc 1 8 编译器。m p l a b 是一个完整的p i c 单片机集成开发环境，也是目前最流行、最 优秀的p i c 单片机开发软件，m p l a b 具有如下功能：集成可视化编程环境，可 直接编写c 、汇编的程序；集成代码生产工具；支持断点调试的调试工具等【1 5 】。 m p l a bc 1 8 编译器是适用于p i c l 8 系列单片机的独立而优化的a n s ic 编译 器，与a n s i 8 9 兼容；与由m p a s m 汇编器生成的目标模块兼容，允许在同 一个项目中自由地进行汇编语言和c 语言的混合编程；拥有广泛的库支持，包 括p w m 、s p i 、1 2 c 、u a r t 、u s a r t 、字符串操作和数学函数库等，在遥控墨 斗控制系统中将用到大量的现存函数库【1 6 r n 。 遥控墨斗控制系统设计参数有：每个墨斗的墨键个数为2 1 个，墨键的总行 程约0 6 m m ，墨键细分位置有0 9 9 共1 0 0 个位置，绝对定位精度误差小于6 微米。 2 2 p i c 单片机介绍 2 2 1p i c 系列单片机性能与特点 p i c 单片机是美国微芯( m i c r o c h i pt e c h n o l o g yi n c ) 公司推出的c m o s8 位 单片机，采用精简指令集( 融s c ) 、哈佛总线结构、流水线取指令方式，具有实 用、低价、低功耗、高速度、功能强及抗干扰能力强等特点。现在已经广泛用于 汽车电子、低功耗仪表设计等方面，可以说p i c 系列单片机代表着单片机发展的 新动向【1 8 - 2 0 1 。下面分几个方面来介绍p i c 系列单片机的优越之处： ( 1 ) 哈佛总线结构 p i c 系列单片机在架构上采用哈佛体系结构，哈佛体系结构是指程序存储器 和数据存储器独立编址，即两者位于不同的物理空间。与之相对的是冯诺依曼 结构( 又称普林斯顿结构) ，其程序存储器和数据存储器位于同一物理空间。冯 诺依曼结构的单片机指令和数据在同一存储空间，限制了工作的带宽，同时数据 读取的可靠性也得不到很好的保障。i n t e r 公司的m c s 5 1 系列单片机采用了 哈佛结构，但是程序和数据仍共用一条总线，在总线上仍然有类似冯诺依曼结 构的瓶颈效应，不能充分体现哈佛结构的优越性。而p i c 系列单片机不仅采用了 哈佛体系结构，还采用了哈佛总线结构，就是在芯片内部将数据总线和指令总线 分离，取指令时使用指令总线，取数据时则使用数据总线，并且指令总线和数据 第2 章遥控墨斗控制系统的整体设计 总线可以采用不同的宽度，这样做的好处是，便于实现指令提取的流水作业，也 就是在执行一条指令的同时对下一条指令进行读取操作；便于实现全部指令的单 字节化、单周期化，从而提高c p u 执行指令的速度【2 1 捌。p i c 单片机结构的示 意图如图2 2 所示。 图2 2 p i c 单片机结构 f i g 2 - 2t h es c t u r eo fp i cm i c r o c o n t r o l l e r ( 2 ) 精简指令集( r i s c ) 传统的单片机采用复杂指令集( c i s c ) ，在设计上带有p c 机c p u 的痕迹，采 用复杂指令集的单片机通常有5 0 1 0 0 条指令，且多数为多周期指令。p i c 系列 单片机的指令系统则力求每一条指令达到更高的效率，减少指令功能的重复。高 中低档的p i c 系列单片机的指令位数分别为1 6 位、1 4 位和1 2 位。指令的位数 越多，每条指令包含的信息量越大，指令的功能越强，一条1 2 位、1 4 位或1 6 位的指令可能会具有两条8 位指令的功能，因此p i c 系列单片机的指令与复杂指 令集c i s c 结构的单片机指令相比，总数要少的多，这给指令的学习和理解带来 很大好处，也给程序的编写、阅读、调试带来极大的便利。p i c 系列单片机不仅 全部指令均为单字节指令，且绝大多数指令为单周期指令，以利于提高执行速度 【2 3 】 0 ( 3 ) 指令单字节化 采用普林斯顿结构的单片机数据存储器和程序存储器统一编址，共用总线， 故8 位单片机的指令总线必然也是8 位，使得一条指令内包含的信息较少，不利 于指令单字节化。而p i c 系列单片机采用哈佛总线结构，由于数据总线和指令总 线的分离，8 位p i c 系列单片机的指令总线宽度可以不再是8 位，高中低档的 p i c 单片机的指令位数分别为1 6 位、1 4 位、1 2 位。程序存取器和数据存取器的 寻址相对独立，不仅使数据的存取更加安全，还能提高单片机的运行速度和使得 所有的指令实现单字节化。 ( 4 ) 寻址方式和寻址空间简单 寻址方式就是寻找操作数的方法，p i c 系列单片机只有4 种寻址方式，比较 北京t 业人学t 学硕l j 学位论文 容易掌握。而m c s 5 1 单片机有7 种寻址方式，6 8 h c 0 5 单片机有6 种寻址方式。 p i c 系列单片机的程序、堆栈、数据三者各自采用相互独立的寻址空间，而 且前两者的地址安排不需要用户操心。而6 8 h c 0 5 单片机的寻址空间只有一个， 编程时需要用户对程序区、堆栈区、数据区和i o 端口所占用的地址空间作精心 安排，给程序设计带来很大的麻烦【冽。 ( 5 ) 两级流水线指令结构 由于采用了哈佛总线结构，在芯片内部将数据总线和指令总线分离，并且采 用了不同的总线宽度，这样一来，在处理一条指令的同时可以对下一条要执行的 指令进行预处理，而不必担心与数据读取产生冲突，这样就可以避免瓶颈效应， 从而产生了p i c 单片机的两级流水线结构。如图2 3 所示： 周期0周期1周期2周期3周期4 图2 3 流水线结构工作示意图 f i g 2 - 3s k e t c hm a po fp i p e l i n ew o r k i n g 当一条指令被取出后，随即进入执行阶段，这时可能会从某寄存器取数并送 至另一寄存器，或从端口向寄存器传送数等等，但数据不会流经程序总线，而只 是在数据总线中流动，因此，在这段时间内，程序总线总有空，可以同时取出第 二条指令。当第一条指令执行完毕，就可以执行第二条指令，同时取出第三条指 令。这样，除了第一条指令，其余各条指令的执行和下一条指令的取出是同时进 行的，因此在每个时钟周期可以获得最高效率【2 5 1 。由于采用了哈佛结构和指令 的流水作业方式，p i c 系列单片机的运行速度远远高于同档次的其它单片机，p i c 系列单片机与其它单片机运行速度的比较如图2 - 4 所示。 第2 帝遥控墨斗控制系统的整体设计 相 对 执 行 速 度 l i u u 醪黔群聊弼即辑赣 叫吣气气芦门叫2 锯? t - “ 7 毽一，。尚。 瑟泰l，。l ，m 。，嗣。 图2 _ 4 典型单片机运行速度比较【2 2 1 f i g 2 _ 4s p e e dc o m p a r eo ft y p i c a lm i e r o e o n t r o l l e r 由此可见，p i c 系列单片机是目前世界上速度最快的8 位单片机之一。 2 2 2p i c l 8 f 8 6 8 0 单片机介绍1 2 6 l p i c l 8 f 8 6 8 0 单片机是p i c 单片机1 8 系列中的高端产品，采用8 0 引脚的 t q f p 封装，下面对p i c l 8 f 8 6 8 0 单片机的特性作详细介绍。 ( 1 ) p i c l 8 f 8 6 8 0 单片机内部集成特性 芯片内部具有6 4 kf l a s h 程序存取器( 最大可以扩展到2 m ) 、3 3 2 8 字节的 s r a m 数据存取器和1 0 2 4 字节的e e p r o m 数据存取器；高达1 0 m i p s 的指令执 行速度：1 6 位的指令总线和8 位的数据总线；具有高低优先级中断功能，4 个外 部中断引脚；3 1 级硬件堆栈以及8 x 8 的硬件乘法器等。 ( 2 ) p i c l 8 f 8 6 8 0 单片机外围特性 p i c l 8 f 8 6 8 0 单片机的i o 端口驱动负载能力强，每个i o 引脚的吸入和输出 电流达2 5 m a ；4 个定时器计数器：一个c a p t u r e c o m p a r e p w m ( c c p ) 模块；一 个增强型的c c p 模块；2 种工作方式的主同步串行通讯( m s s p ) ；增强型的可 寻址u s a r t 模块以及串行从动接口( p s p ) 模块。 ( 3 ) p i c l 8 f 8 6 8 0 单片机的模拟特性 p i c l 8 f 8 6 8 0 单片机内部集成1 6 通道1 0 位的高采样率模数( a d ) 转换模 块；可编程的1 6 级低电压检测模块( l a d ) ；可编程的锁定复位( b o r ) 功能； 可编程多路模拟比较模块。 ( 4 ) c a n 总线模块 p i c l 8 f 8 6 8 0 单片机内部还集成增强型c a n 总线模块，c a n 总线模块特点 0 9 8 7 6 5 4 3 2 l l o o o 0 o 0 o 0 o 北京t 业人学t 学硕 ：学位论文 有：符合c a n 2 0 b 标准；通讯速率高达l m b p s ；3 个带优先级的信息发送缓存 器和2 个信息接收缓存器；6 个全2 9 位接收过滤器以及优越的错误处理特性。 ( 5 ) p i c l8 f 8 6 8 0 单片机的特殊特性 。 p i c l 8 f 8 6 8 0 单片机内部有上电复位电路( p o r ) 、上电延时定时器( p w r t ) 和振荡器起振定时器( o s t ) ；带片内r c 振荡器的监视定时器( w d t ) ；可编程 代码保护功能；休眠( s l e e p ) 省电方式；在线串行编程( i c s p ) 以及在线调试 功能等。 总之，p i c l 8 f 8 6 8 0 单片机的功能非常强大，其内部集成的c a n 总线控制器、 1 6 通道l o 位的模数转换模块等在遥控墨斗控制系统中发挥了重要作用，大大简 化了遥控墨斗控制系统的外围电路设计和软件设计。 2 3 本章小结 本章首先介绍了遥控墨斗控制系统的整体方案和设计参数等，然后介绍了 p i c 系统单片机的性能特点，最后介绍了遥控墨斗控制系统的核心控制芯片 p i c l8 f 8 6 8 0 单片机的特点。 第3 章墨斗电机控制系统的” 第3 章遥控墨斗电机控制系统的设计 3 1遥控墨斗电机控制系统介绍 电机控制系统是遥控墨斗控制系统的核心，主要功能有：根据p c 机系统或 操作台控制系统传来的数据控制各个电机转动，实现墨键的高精度定位；检测电 机发生的各种故障，包括电机是否被堵住、电机是否连接、墨键位置是否偏移等， 并将故障信息传递给p c 机系统和操作台控制系统。每个电机控制系统设计的控 制电机数量为1 2 个，每个墨斗拥有由两个电机控制系统。电机控制系统的实物 如图3 - 1 所示： 图3 - i 电机控制板 f i g3 1 m o t o r c o a t r o l b o a r d 3 2 遥控墨斗电机控制系统的硬件设计 3 2 1 电机控制系统整体结构 目前控制系统主要有开环控制系统和闭环控制系统两种，在本系统中由于墨 键移动位移的精度要求高，对电机的位移控制采用闭环控制方式。电机控制系统 结构如图3 - 2 所示： 圈3 - 2 电机控制系统 f i g3 2 m o t o r c o n t r o ls y s t e m 北京t 业人学t 学硕i ：学位论文 p i c 单片机从c a n 总线接收到电机位置信号后，通过电机驱动电路来控制 电机的正反转运动，电机通过一套传动机构驱动墨键移动，同时电机通过另一套 传动机构带动电位器旋转，电机的运动通过电位器转化为电压信号的变化，电压 信号反馈给p i c 单片机，由p i c 单片机的a i d 转换模块将电压信号转换成数字 量。a d 转换得到的数字量a d 值对应着电机的相应位置，p i c 单片机根据数字 量对电机驱动电路进行控制就能实现对电机位移的精确定位。 3 2 2 电机控制系统电源模块设计 电源是系统中一个不可缺少的重要部分。电机控制系统中的电源需求种类 有：直流电机正常工作所需电源，电压为9 v ：数字电路工作所需电源，电压为 5 v ；c a n 总线通讯时为了提高抗干扰能力采用了光电隔离，需要一个5 v 的隔 离电源模块；电机控制系统中a d 转换模块需要一个高精度的5 v 基准电压模块。 综合考虑电机控制系统选用9 v 的大功率直流电源供电，数字电路电源、隔离电 源和基准电源则通过各种电源转换模块实现，下面将详细介绍数字电路电源模 块、隔离电源模块和基准电源模块的电路设计。 ( 1 ) 数字电路电源模块 电机控制系统的主控制芯片p i c l8 f 8 6 8 0 单片机和其它数字电路的工作电压 是5 v ，电机控制系统中需要有个将9 v 转换为5 v 的电源转换电路，如图3 3 所 示，电源转换电路的核心芯片是l m 2 5 9 4 5 v ，l m 2 5 9 4 5 v 芯片是一种能提供5 v 电压和0 5 a 电流的开关转换芯片，它的输入电压范围很大，高达6 0 v ，芯片内 部提供固定的1 5 0 k h z 转换频率，具有非常高的转换效率，另外芯片具有过热和 电流保护功能网。 + 9 v c 5 2 1 0 0 d 7 +5 = 丹 u 2 3 r 一 li n乃 io n | f | 。f fo u t in cn c ig n dn c i。一l m 2 5 9 4 m 5 0一 ! r 厂m 11 圭! i 弛妇t o r! c 5 l 上 妇d id el n 5 4 0 81 0 0 i l f td i o d el n1 “。l 图3 3 电源转换电路 f i g 3 3p o w e rs w i t c h i n gc i r c u i t ( 2 ) a d 转换基准电源模块 电机控制系统中电机的位置由电位器反馈的电压信号经过p i c 单片机的 a d 转换模块转换后得到，为了提高a d 转换的精度，需要给p i c 单片机的a i d 模块提供高精度的基准电源，本系统中的基准电源电路如图3 - 4 所示，电路选用 第3 章墨斗电机控制系统的设计 t i a 3 1 芯片作为基准芯片，t l 4 3 1 的输出电压连续可调达3 6 v ，工作电流宽度达 0 1 - 1 0 0 m a ，动态电阻典型值为o 2 2 欧姆，输出杂波低f 2 引。基准电源的输出一 方面给电位器供电；另一方面接到p i c 单片机的基准电压输入引脚，给b 转 换模块作参考电压。 图3 _ 4 基准电源 f i g 3 - 4r e f e r e n c ep o w e r ( 3 ) 隔离电源模块 电机控制系统与其它系统之间通过c a n 总线进行通讯，为了提高系统的可 靠性和稳定性，在p i c l 8 f 8 6 8 0 单片机与c a n 总线驱动器之间采用高速光电耦 合器进行隔离，因而系统中需要一个d c d c 隔离电源模块，在电机控制系统中 选用i b l 2 0 5 l s 1 w 的隔离电源模块，该模块的转换效率达7 8 ，隔离电压为 1 0 0 0 v d c ，输出电压是5 v ，功率是1 w ，电路如图3 5 所示： 图3 5 隔离电源 f i g 3 - 5i s o l a t e dp o w e r 3 2 3 电机驱动电路设计 在电机控制系统中电机的额定电流约4 0 m a ，而p i c 单片机i o 口输出的电 流最大为2 5 m a ，所以电机控制系统对电机的驱动不能直接用p i c 单片机驱动， 需要一个电机驱动电路，如图3 - 6 所示，电机驱动电路中选用一个直流电机专用 北京丁业火学t 学硕i j 学位论文 驱动芯片b d 6 2 2 1 f ，b d 6 2 2 1 f 芯片的输入控制端f i a 、f i b 直接与p i c 单片机 i o 引脚相连，输出管脚o u t l 、o u t 2 与接头p l 的l 、2 引脚相连，p l 是与电 机相连的5 线接头，p 1 的3 引脚与电位器的信号线相连，4 、5 引脚与电位器的 电源接入端相连给电位器供电。 u 1 v c cg n d v c co u t 2 f i no u t l r i n1 i | ， r e f b d 6 2 2 i f 图3 - 6 电机驱动电路 f i g 3 - 6m o t o rd r i v ec i r c u i t r e s l + 5 vr e f g n dr e p l m o t o r b d 6 2 2 1 f 是为控制和驱动直流有刷电机设计的