基于PIC18F8680單片機和CAN總線實現(xiàn)墨斗控制系統(tǒng)的設(shè)計

作者：蘇宇剛，張躍明，呂艷輝

引言

隨著科技的發(fā)展，印刷行業(yè)開始從傳統(tǒng)的模擬生產(chǎn)轉(zhuǎn)向數(shù)字化生產(chǎn)，墨斗作為膠印機的核心著色裝置，其控制精度對膠印機的生產(chǎn)質(zhì)量和自動化水平起著非常重要的作用。傳統(tǒng)的墨斗采用手動調(diào)整的方式，使得膠印機的生產(chǎn)質(zhì)量較差，生產(chǎn)準(zhǔn)備時間長，資源浪費嚴(yán)重。一種由墨斗操作臺控制系統(tǒng)、電機控制系統(tǒng)和上位機系統(tǒng)組成的墨斗控制系統(tǒng)在國外印刷行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用，這種新的墨斗控制系統(tǒng)能大大提高墨斗的控制精度，并縮短生產(chǎn)準(zhǔn)備時間、降低生產(chǎn)成本。本文所描述的墨斗操作臺控制系統(tǒng)就是在跟蹤國際先進技術(shù)的基礎(chǔ)上，設(shè)計符合國內(nèi)行情的產(chǎn)品，對提高國產(chǎn)膠印機的印刷質(zhì)量和自動化水平有著重要意義。

1 墨斗操作臺控制系統(tǒng)介紹

一臺膠印機的墨斗系統(tǒng)通常由 2～4個墨斗（一個墨斗稱為一單元）、一個操作臺和一臺上位機組成，每個墨斗有一定數(shù)量的用于調(diào)節(jié)墨量的墨鍵，本系統(tǒng)中每個墨斗的墨鍵個數(shù)為 21。墨斗操作臺控制系統(tǒng)是整個墨斗控制系統(tǒng)中的一部分，是人和機器交互的接口，操作人員通過墨斗操作臺控制系統(tǒng)對墨斗的各個墨鍵進行控制，同時墨斗操作臺將墨斗各個墨鍵的位置信息、通訊狀態(tài)信息和各種故障信息顯示出來，墨斗操作臺控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖 1所示。顯示驅(qū)動與鍵盤掃描模塊由顯示驅(qū)動與鍵盤掃描電路和三組按鍵與顯示單元組成。每個墨鍵對應(yīng)一組按鍵與顯示單元，如圖 2所示，下調(diào)按鍵用于調(diào)節(jié)墨鍵向墨量減少的方向移動，上調(diào)按鍵用于調(diào)節(jié)墨鍵向墨量增加的方向移動，鎖定按鍵用于鎖定墨鍵的位置，鎖定指示燈用于指示當(dāng)前的鎖定狀態(tài)，數(shù)碼管和光柱用于指示當(dāng)前墨鍵的位置（墨鍵的位置可為 0～99）。

系統(tǒng)中數(shù)碼管為 7段數(shù)碼管，光柱由 20個 LED燈組成。整個操作臺有 21組按鍵與顯示單元，加上一些其它的總體控制按鍵，本系統(tǒng)需要控制 796個 LED（每個數(shù)碼管相當(dāng)于 8個 LED）和 70個按鍵。

2按鍵與顯示單元墨斗操作臺控制系統(tǒng)工作時，需要與電機驅(qū)動系統(tǒng)和上位機系統(tǒng)配合才能調(diào)節(jié)各個墨鍵的位置，墨斗操作臺控制系統(tǒng)與其他系統(tǒng)之間通過 CAN總線進行通訊。

2 墨斗操作臺控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

2.1 主控制芯片

墨斗操作臺控制系統(tǒng)采用微芯（Microchip）公司生產(chǎn)的 PIC18F8680單片機作為主控制芯片，PIC單片機采用哈佛總線結(jié)構(gòu)和精簡指令集（RISC），其代碼壓縮率高、運行速度快、品種豐富，有高達 2MB的程序存儲器和 4KB的數(shù)據(jù)存儲器，高達 10MIPS的執(zhí)行速度，帶優(yōu)先級的中斷和 8×8單周期硬件乘法器 。其中的 PIC18F8680單片機具有如下特點：

1 ）內(nèi)部資源高度集成。PIC18F8680芯片內(nèi)部集成了許多外圍模塊，SPI（串行外圍接口）通訊模塊，I2C（內(nèi)部集成電路總線接口）模塊，符合國際標(biāo)準(zhǔn)ISO CAN的CAN模塊等，這些功能大大簡化了墨斗操作臺控制系統(tǒng)的外圍電路設(shè)計和軟件設(shè)計。

2 ）驅(qū)動能力強。最大拉電流/灌電流可達 25mA。

3 ）PIC18F8680芯片具有上電復(fù)位電路（POR）、上電延時定時器（PWRT）和看門狗電路（WDT）。這些電路大大提高了墨斗操作臺控制系統(tǒng)在復(fù)雜工業(yè)環(huán)境中的可靠性和穩(wěn)定性。

4 ）PIC18F8680芯片有 80個管腳，其中用戶 I/O口為 64個，這么多的用戶 I/O口便于主控制模塊控制大量的顯示驅(qū)動與鍵盤掃描模塊，從而方便墨斗操作臺控制系統(tǒng)以后的升級和擴展。

2.2 CAN總線通訊電路

CAN總線是控制器局域網(wǎng)的簡稱，主要用于過程檢測和控制，最早是在 20世紀(jì) 80年代提出，CAN總線是目前國際上應(yīng)用最為廣泛的現(xiàn)場總線之一，目前已在汽車、航空，工業(yè)控制，測控系統(tǒng)、分布式系統(tǒng)等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。

CAN 總線采用多主站工作方式，根據(jù)優(yōu)先權(quán)進行總線訪問仲裁。 CAN總線信號傳輸為 廣播式，所有節(jié)點都可以*到總線上的信號，信號內(nèi)部包含傳輸?shù)刂?，即?biāo)識符（Identifier），各個節(jié)點借助接收濾波器可以實現(xiàn)自動接收本節(jié)點的信息。錯誤檢測和自動隔離性能確保了總線正常工作。CAN總線傳輸數(shù)度快，可以達到 1M的波特率 。

墨斗操作臺控制系統(tǒng)的 CAN通訊電路由 PIC18F8680單片機內(nèi)部集成的 CAN總線控制器、CAN總線驅(qū)動器 PCA82C250和高速光電耦合器 6N137構(gòu)成，在 CAN總線控制器和總線驅(qū)動芯片之間加入高速光電耦合，可以提高系統(tǒng)的可靠性和抗干擾性。

CAN驅(qū)動電路如圖 3所示，圖中標(biāo)號為 CANTX和 CANRX的線分別與 PIC單片機的 CANTX管腳和 CANRX管腳相連。

2.3顯示驅(qū)動與鍵盤掃描電路

墨斗操作臺控制系統(tǒng)采用 BC7281芯片來掃描鍵盤和驅(qū)動數(shù)碼管等顯示， BC7281是 16位 LED數(shù)碼管顯示及 64鍵鍵盤接口專用控制芯片。通過外接移位寄存器 74LS164或 74LS595，BC7281最多可以控制 16位數(shù)碼管或 128只獨立的 LED顯示，其驅(qū)動輸出極性及輸出時序均為軟件可控，可與各種外部電路配合，適用于任何尺寸的數(shù)碼管。BC7281的各位數(shù)碼管還可獨立按不同的譯碼或不譯碼方式顯示，因其內(nèi)部具有閃爍開關(guān)控制寄存器及閃爍速度控制寄存器，可獨立控制各位數(shù)碼管的閃爍屬性及閃爍頻率。BC7281最多可連接 64鍵（8x8）的矩陣鍵盤，內(nèi)部具有去抖動功能，并有 2種鍵盤工作模式可供選擇。 BC7281采用高速 2線接口與 MCU進行通信，只占用很少的 I／0口資源和主機時間 。

在本系統(tǒng)中每個顯示驅(qū)動與鍵盤掃描模塊由一個BC7281芯片與兩個 74LS174移位寄存器配合，控制三組按鍵與顯示單元，系統(tǒng)中一共用到 8個顯示驅(qū)動與鍵盤掃描模塊。 BC7281與 PIC單片機之間的通訊是采用 2線高速串行接口，這兩個連線分別是數(shù)據(jù)線 DAT和同步時鐘線 CLK，其中 DAT為雙向數(shù)據(jù)傳輸線，BC7281既用該線從 PIC單片機接收數(shù)據(jù)，也用該線向 PIC單片機發(fā)送數(shù)據(jù)。BC7281的 DAT引腳為漏極開路輸出結(jié)構(gòu)，使用時須在該線上加 20K？左右的上拉電阻［5］。CLK引腳為串行時鐘接口的同步時鐘，由 PIC單片機控制，下降沿有效。

BC7281芯片的按鍵指示線 KEY與 PIC單片機的管腳直接相連，正常工作時，如果有按鍵發(fā)生則 KEY線輸出低電平，PIC單片機檢測到 KEY線為低電平時，從 BC7281內(nèi)的鍵值鎖存器讀出數(shù)值即可判斷發(fā)生的按鍵。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

墨斗操作臺控制系統(tǒng)中 PIC單片機與 BC7281芯片之間的串行通訊采用軟件模擬的方式，對 BC7281芯片的寫數(shù)據(jù)操作是一次寫入 2個字節(jié)，第一個字節(jié)是地址信息，第二個字節(jié)是數(shù)據(jù)信息。對 BC7281讀取數(shù)據(jù)操作由一個字節(jié)的寫入操作和一個字節(jié)的數(shù)據(jù)讀取操作兩部分組成，字節(jié)寫入時寫入地址信息，數(shù)據(jù)讀取時讀取相應(yīng)地址內(nèi)的數(shù)據(jù)。BC7281芯片在驅(qū)動數(shù)碼管顯示和監(jiān)測按鍵前需要進行初始化，即對 BC7281芯片的工作模式控制寄存器（地址 12H）進行設(shè)置，本系統(tǒng)根據(jù)需要，在初始化時把 BC7281的工作模式控制寄存器設(shè)置為 0X8C，即移位寄存器模式設(shè)置為普通移位寄存器模式；鍵盤掃描模式設(shè)置為 KEY電平隨按鍵情況變化，有按鍵時 KEY為低電平，無按鍵時 KEY為高電平；閃爍模式設(shè)置為擴展模式；顯示關(guān)閉模式設(shè)置為打開；掃描使能模式設(shè)置為掃描使能。

墨斗操作臺控制系統(tǒng)的主程序控制流程圖如圖 4所示：

系統(tǒng)上電后，首先進行系統(tǒng)初始化，系統(tǒng)初始化包括各個 I/O端口的初始化、中斷初始化、CAN總線初始化、BC7281芯片的初始化、與其他系統(tǒng)的通訊測試及向電機控制系統(tǒng)讀取各個墨鍵的位置并顯示等，然后系統(tǒng)進入循環(huán)等待，如果有按鍵發(fā)生，則 PIC單片機從 BC7281的鍵值鎖存器中讀取按鍵信息，根據(jù)按鍵信息判斷按鍵種類并進行相應(yīng)的處理，將新的墨鍵位置信息顯示于操作臺面板上，并通過 CAN總線傳遞給其他系統(tǒng)，系統(tǒng)繼續(xù)進入循環(huán)等待狀態(tài)。

4 總結(jié)

由墨斗操作臺控制系統(tǒng)、上位機系統(tǒng)和電機控制系統(tǒng)組成的墨斗控制系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用到北人集團生產(chǎn)的膠印機上，實際工作表明，膠印機的生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量等得到了很大提高，墨斗操作臺控制系統(tǒng)表現(xiàn)出較好的性能。整個系統(tǒng)成本較低，具有很好的市場應(yīng)用前景。

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