基于PIC18F8680单片机和CAN总线实现墨斗控制系统的设计

作者：苏宇刚，张跃明，吕艳辉

引言

随着科技的发展，印刷行业开始从传统的模拟生产转向数字化生产，墨斗作为胶印机的核心着色装置，其控制精度对胶印机的生产质量和自动化水平起着非常重要的作用。传统的墨斗采用手动调整的方式，使得胶印机的生产质量较差，生产准备时间长，资源浪费严重。一种由墨斗操作台控制系统、电机控制系统和上位机系统组成的墨斗控制系统在国外印刷行业得到了广泛应用，这种新的墨斗控制系统能大大提高墨斗的控制精度，并缩短生产准备时间、降低生产成本。本文所描述的墨斗操作台控制系统就是在跟踪国际先进技术的基础上，设计符合国内行情的产品，对提高国产胶印机的印刷质量和自动化水平有着重要意义。

1 墨斗操作台控制系统介绍

一台胶印机的墨斗系统通常由 2～4个墨斗（一个墨斗称为一单元）、一个操作台和一台上位机组成，每个墨斗有一定数量的用于调节墨量的墨键，本系统中每个墨斗的墨键个数为 21。墨斗操作台控制系统是整个墨斗控制系统中的一部分，是人和机器交互的接口，操作人员通过墨斗操作台控制系统对墨斗的各个墨键进行控制，同时墨斗操作台将墨斗各个墨键的位置信息、通讯状态信息和各种故障信息显示出来，墨斗操作台控制系统结构图如图 1所示。显示驱动与键盘扫描模块由显示驱动与键盘扫描电路和三组按键与显示单元组成。每个墨键对应一组按键与显示单元，如图 2所示，下调按键用于调节墨键向墨量减少的方向移动，上调按键用于调节墨键向墨量增加的方向移动，锁定按键用于锁定墨键的位置，锁定指示灯用于指示当前的锁定状态，数码管和光柱用于指示当前墨键的位置（墨键的位置可为 0～99）。

系统中数码管为 7段数码管，光柱由 20个 LED灯组成。整个操作台有 21组按键与显示单元，加上一些其它的总体控制按键，本系统需要控制 796个 LED（每个数码管相当于 8个 LED）和 70个按键。

2按键与显示单元墨斗操作台控制系统工作时，需要与电机驱动系统和上位机系统配合才能调节各个墨键的位置，墨斗操作台控制系统与其他系统之间通过 CAN总线进行通讯。

2 墨斗操作台控制系统硬件结构

2.1 主控制芯片

墨斗操作台控制系统采用微芯（Microchip）公司生产的 PIC18F8680单片机作为主控制芯片，PIC单片机采用哈佛总线结构和精简指令集（RISC），其代码压缩率高、运行速度快、品种丰富，有高达 2MB的程序存储器和 4KB的数据存储器，高达 10MIPS的执行速度，带优先级的中断和 8×8单周期硬件乘法器 。其中的 PIC18F8680单片机具有如下特点：

1 ）内部资源高度集成。PIC18F8680芯片内部集成了许多外围模块，SPI（串行外围接口）通讯模块，I2C（内部集成电路总线接口）模块，符合国际标准ISO CAN的CAN模块等，这些功能大大简化了墨斗操作台控制系统的外围电路设计和软件设计。

2 ）驱动能力强。最大拉电流/灌电流可达 25mA。

3 ）PIC18F8680芯片具有上电复位电路（POR）、上电延时定时器（PWRT）和看门狗电路（WDT）。这些电路大大提高了墨斗操作台控制系统在复杂工业环境中的可靠性和稳定性。

4 ）PIC18F8680芯片有 80个管脚，其中用户 I/O口为 64个，这么多的用户 I/O口便于主控制模块控制大量的显示驱动与键盘扫描模块，从而方便墨斗操作台控制系统以后的升级和扩展。

2.2 CAN总线通讯电路

CAN总线是控制器局域网的简称，主要用于过程检测和控制，最早是在 20世纪 80年代提出，CAN总线是目前国际上应用最为广泛的现场总线之一，目前已在汽车、航空，工业控制，测控系统、分布式系统等领域获得了广泛的应用。

CAN 总线采用多主站工作方式，根据优先权进行总线访问仲裁。 CAN总线信号传输为 广播式，所有节点都可以*到总线上的信号，信号内部包含传输地址，即标识符（Identifier），各个节点借助接收滤波器可以实现自动接收本节点的信息。错误检测和自动隔离性能确保了总线正常工作。CAN总线传输数度快，可以达到 1M的波特率 。

墨斗操作台控制系统的 CAN通讯电路由 PIC18F8680单片机内部集成的 CAN总线控制器、CAN总线驱动器 PCA82C250和高速光电耦合器 6N137构成，在 CAN总线控制器和总线驱动芯片之间加入高速光电耦合，可以提高系统的可靠性和抗干扰性。

CAN驱动电路如图 3所示，图中标号为 CANTX和 CANRX的线分别与 PIC单片机的 CANTX管脚和 CANRX管脚相连。

2.3显示驱动与键盘扫描电路

墨斗操作台控制系统采用 BC7281芯片来扫描键盘和驱动数码管等显示， BC7281是 16位 LED数码管显示及 64键键盘接口专用控制芯片。通过外接移位寄存器 74LS164或 74LS595，BC7281最多可以控制 16位数码管或 128只独立的 LED显示，其驱动输出极性及输出时序均为软件可控，可与各种外部电路配合，适用于任何尺寸的数码管。BC7281的各位数码管还可独立按不同的译码或不译码方式显示，因其内部具有闪烁开关控制寄存器及闪烁速度控制寄存器，可独立控制各位数码管的闪烁属性及闪烁频率。BC7281最多可连接 64键（8x8）的矩阵键盘，内部具有去抖动功能，并有 2种键盘工作模式可供选择。 BC7281采用高速 2线接口与 MCU进行通信，只占用很少的 I／0口资源和主机时间 。

在本系统中每个显示驱动与键盘扫描模块由一个BC7281芯片与两个 74LS174移位寄存器配合，控制三组按键与显示单元，系统中一共用到 8个显示驱动与键盘扫描模块。 BC7281与 PIC单片机之间的通讯是采用 2线高速串行接口，这两个连线分别是数据线 DAT和同步时钟线 CLK，其中 DAT为双向数据传输线，BC7281既用该线从 PIC单片机接收数据，也用该线向 PIC单片机发送数据。BC7281的 DAT引脚为漏极开路输出结构，使用时须在该线上加 20K？左右的上拉电阻［5］。CLK引脚为串行时钟接口的同步时钟，由 PIC单片机控制，下降沿有效。

BC7281芯片的按键指示线 KEY与 PIC单片机的管脚直接相连，正常工作时，如果有按键发生则 KEY线输出低电平，PIC单片机检测到 KEY线为低电平时，从 BC7281内的键值锁存器读出数值即可判断发生的按键。

3 系统软件设计

墨斗操作台控制系统中 PIC单片机与 BC7281芯片之间的串行通讯采用软件模拟的方式，对 BC7281芯片的写数据操作是一次写入 2个字节，第一个字节是地址信息，第二个字节是数据信息。对 BC7281读取数据操作由一个字节的写入操作和一个字节的数据读取操作两部分组成，字节写入时写入地址信息，数据读取时读取相应地址内的数据。BC7281芯片在驱动数码管显示和监测按键前需要进行初始化，即对 BC7281芯片的工作模式控制寄存器（地址 12H）进行设置，本系统根据需要，在初始化时把 BC7281的工作模式控制寄存器设置为 0X8C，即移位寄存器模式设置为普通移位寄存器模式；键盘扫描模式设置为 KEY电平随按键情况变化，有按键时 KEY为低电平，无按键时 KEY为高电平；闪烁模式设置为扩展模式；显示关闭模式设置为打开；扫描使能模式设置为扫描使能。

墨斗操作台控制系统的主程序控制流程图如图 4所示：

系统上电后，首先进行系统初始化，系统初始化包括各个 I/O端口的初始化、中断初始化、CAN总线初始化、BC7281芯片的初始化、与其他系统的通讯测试及向电机控制系统读取各个墨键的位置并显示等，然后系统进入循环等待，如果有按键发生，则 PIC单片机从 BC7281的键值锁存器中读取按键信息，根据按键信息判断按键种类并进行相应的处理，将新的墨键位置信息显示于操作台面板上，并通过 CAN总线传递给其他系统，系统继续进入循环等待状态。

4 总结

由墨斗操作台控制系统、上位机系统和电机控制系统组成的墨斗控制系统已经成功应用到北人集团生产的胶印机上，实际工作表明，胶印机的生产效率和生产质量等得到了很大提高，墨斗操作台控制系统表现出较好的性能。整个系统成本较低，具有很好的市场应用前景。

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