专利名称：纸箱印刷成套设备送纸部嵌入式数字控制装置的制作方法
技术领域：
本发明是一种用于高速高精度纸箱印刷成套设备中送纸部的嵌入式 数字控制装置，属于装备制造业中用于印刷机械送纸部的嵌入式数字控制 装置。
背景技术：
传统纸箱印刷成套设备的控制装置釆用PLC作为其主控器，具有成本 高，速度慢等缺点。从整机的控制系统来说，PLC控制系统朝着嵌入式数 字控制系统发展，嵌入式数字控制系统避免了 PLC控制系统开发成本高、 实时性差的缺点，同时也具有PLC控制系统可靠性高、开发周期短的优点， 并且其软硬件资源丰富、具有RTLinux、 HC/OS-II 、 VxWorks 、 Nucleus 等嵌入式实时操作系统和友好的人机界面，可实现软件系统的可重构，从 而开放式数字控制系统得以真正实现。
数字控制系统已在工业控制领域得到广泛应用，其幵放性便于主机厂 进行二次开发，以发挥其技术特色，其技术上的成熟度使其可靠性大大超 过了以往的封闭式数字控制系统，并为用户提供了强大的联网能力，使DNC (直接数控)和单元控制功能得以实现，促进系统集成化和信息综合化。 发明内容
本发明的目的在于为上述背景技术所提出问题而提供一种结构简单， 性能优良，性价比高，方便实用且适用于不同型号的全电脑印刷机送纸部 的双CPU分布式嵌入式数字控制装置。本发明控制功能层次明确，设计巧
妙，人机界面漂亮，控制功能层次明确，适用于不同型号的全电脑印刷机
送纸部的控制装置，具有很强的通用性。本控制器采用ARM和C8051F嵌入 式处理器作为主CPU，以其高主频和完善的功能最大限度的提高控制器的速度与精度，全面的提升了印刷成套设备的整机性能，弥补了传统PLC控 制器引起的速度低与成本高的不足。本发明是一种设计巧妙，性能优良， 性价比高，人机界面漂亮，方便实用的全电脑纸箱印刷设备送纸部嵌入式 数字控制装置。
本发明的技术方案是釆用双CPU相结合的ARM和C8051F嵌入式处理 器(1)作为装置的主控制器;通过使用LCD触摸屏模块(2)作为人机交 互的手段；通过键盘模块(3 )用于输入送纸部各辊简间隙参数和GUI功能 选择的；LED模块(4)用于显示CPU输入输出接口的状态；使用编码器测 速控速模块(5)用于控制电机的转速，从而调整辊简间隙；模块(6)用 于各接近开关和行程开关信号的采集和输入；继电器光电隔离模块(7 )用 于控制电机通断的驱动与隔离；RS485通信模块(8 )用于双CPU间的通信， 实现双CPU的协调工作与数据共享；现场总线CAN通信模块(9 )用于高速
高精度纸箱印刷成套设备各部件数据的共享的和控制的协调；其中处理器
模块(l)中的ARM处理器负责GUI人机交互LCD触摸屏接口模块(2)、键 盘模块(3)、状态显示LED模块(4)、接近开关和行程开关信号采集和输 入模块(6 )、双CPU通信的RS485通信模块(8 );处理器模块(1 )中的 C8051F处理器负责状态显示LED模块(4)、用于控制电机的编码器测速控 速模块(5)、继电器的驱动与光电隔离模块(7)、双CPU通信的RS485通 信模块(8 )、现场总线CAN通信模块(9 )。
上述嵌入式处理器(1)采用双级控制构成分布式控制系统，其中一 级处理器ARM最高主频达到533MHZ， CPU内置LCD控制器，支持24bpp图像 显示，采用TFT屏16b卯显示模式，且内置触摸屏控制器，支持四线制电 阻式触摸屏，ARM处理器输出直接连接负责GUI人机交互的LCD触摸屏接 口模块(2); 二级CPU釆用C8051F处理器，其特征在于由C8051F处理器 内置的CAN控制器构成高速高精度纸箱印刷成套设备各部件间数据通信互联的CAN2. 0B协议的现场总线网路，提高了整机各分机间数据通信的高速 稳定性，其带宽为1Mbps。双CPU各部功能分布明确，结构简单，控制功 能层次明确，适用于不同型号的全电脑印刷机送纸部的控制系统，具有很 强的通用性。
上述GUI人机交互LCD触摸屏模块(2 )，其釆用TFT屏构成64K色图 像显示GUI人机交互界面，模块(2 )的LCD数据接口 VDO ~ VD23作为图像 显示数据的输出总线；LCD控制器与LCD驱动器之间的帧同步信号VFRAME, 通知LCD刷新的一帧显示；LCD控制器与LCD驱动器之间的同步脉冲信号 VLINE，将水平位移寄存器中的数据显示到LCD屏上；LCD控制器与LCD驱 动器之间的像素时钟信号VCLK，LCD控制器在VCLK的上升沿发送数据，.在 其下降沿釆样数据。LCD控制器使用的交流信号VM, VM信号改变用于打开
或关闭像素的行和列电压的极性，控制像素点的显示与熄灭。驱动器 7札VTH162245增加LCD连接线的线长,提高LCD显示数据的稳定性，保证 GUI显示的良好效果。模块(2)的触摸屏采用四线制电阻式触摸屏，模块 (1)中的ARM处理器内置触摸屏数据转换接口，外接于4个引脚XM、 XP、 YM、 YP，通过处理器内置的IO位AD转换器采样触摸屏的模拟信号。
上述输入送纸部各辊简间隙参数和GUI功能选择的键盘模块(3 )，包 括有光电隔离器JK1~ JK8,隔离24V电源与3.3V电源，隔离干扰信号流 入下一级控制电路；隔离器K1 JK8的限流电阻RK1 RK8，控制光电隔 离器电流的大小，使隔离器稳定工作，隔离器JK1 JK8的输出引脚与嵌入 式处理器模块(1)连接。
上述显示CPU输入输出接口状态的LED模块(4),包括有LED的限流 电阻R1 R8，控制发光二极管电流的大小，使LED稳定工作，其输出引脚 与光电隔离器相连。
上述控制电机的编码器测速控速模块(5)，包括有光电隔离器，隔离 24V电源与3. 3V电源，隔离干扰信号流入下一级控制电路，使系统釆集到未受干扰的纯编码器信号，防止处理器对电机位置的误判，达到高速高精
度的目的；光电隔离器的输出端上拉电阻RA1 RA8与处理器相连，使处理 器方便的釆集到光电编码器的脉冲信号。
上述用于各接近开关和行程开关信号采集和输入模块(6),通过光电 隔离器构成各种接近开关与行程开关的一般通用输入接口。
上述用于驱动控制电机通断继电器的驱动与光电隔离模块(7)，包括 有光电隔离器；驱动器输入端的限流电阻RU1 RU8，限制驱动器输入端的 电流大小，且使继电器低电平有效，从而使系统开机时状态处于不变，保证
印刷机送纸部的初始工作状态稳定。
上述双CPU通信的RS485通信模块(8),使两级CPU互联，完成控制
系统数据的共享，构成分布式控制系统。
上述高速高精度纸箱印刷成套设备各部协调工作的现场总线CAN通信 模块(9),使高速高精度纸箱印刷成套设备各部件间的数据共享，构成 CAN2.0B协议的现场总线网路，提高了整机各分机间数据通信的高速稳定 性，带宽高达lMbps。
本发明的有益效果在于中央控制器釆用双CPU结构一一ARM和 C8051F嵌入式处理器作为主控制器，是控制任务分级处理，提高了控制系 统的实时性和稳定性；各印刷辊简间距离的调整利用电机与光电编码器构 成的高精度测速与控速运动系统完成，实现了印刷成套设备高速高性能的 特点；本发明是一种设计巧妙，结构简单，性能优良，性价比高，人机界 面漂亮，方便实用的全电脑纸箱印刷成套设备送纸部嵌入式数字控制装置。
图1为本发明的双CPU结构原理框图2为本发明人机交互的LCD触摸屏模块接口电路图；图3为本发明GUI功能选择的键盘模块电路图4为本发明CPU输入输出接口状态的LED模块电路图5为本发明编码器测速控速模块接口电路图6为本发明接近开关和行程开关信号采集和输入模块原理框图;
图7为本发明继电器的驱动与光电隔离模块电路图8为本发双CPU通信的RS485通信模块原理框图9为本发明现场总线CAN通信模块互联电路图IO为本发明编码器正反转时状态转换具体实施方式
本发明结构框图和电路图如图1~9所示，包括有双CPU的ARM和 C8051F嵌入式处理器(1)、人机交互的LCD触摸屏模块(2)、送纸部各辊 简间隙参数输入和GUI功能选择的键盘模块(3)、 CPU输入输出接口状态 显示的LED模块(4)、编码器测速控速模块(5 )、各接近开关和行程开关 信号釆集和输入模块(6)、继电器的驱动与光电隔离模块(7)、用于双CPU 通信的RS485通信模块(8 )、现场总线CAN通信模块(9 ),其中处理器模 块(l)中的ARM处理器负责GUI人机交互LCD触摸屏接口模块(2)、键盘 模块(3)、状态显示LED模块(4)、接近开关和行程开关信号釆集和输入 模块(6 )、双CPU通信的RS485通信模块(8 );处理器模块(1)中的C8051F 处理器负责状态显示LED模块(4)、用于控制电机的编码器测速控速模块
(5)、继电器的驱动与光电隔离模块(7)、双CPU通信的RS485通信模块
(8 )、现场总线CAN通信模块(9 )。
实施例
1、嵌入式处理器(1)釆用双CPU的双级控制，构成分布式控制系统, 其中一级处理器ARM最高主频达到533MHZ,本实施例中所使用ARM芯片S3C2440釆用400MHZ主频；同时ARM芯片具有内置LCD控制器，支持24bpp 图像显示，本实施例中釆用TFT屏16bpp显示模式，且内置触摸屏控制器， 支持四线制电阻式触摸屏，ARM处理器输出直接连接负责GUI人机交互的 LCD触摸屏接口模块(2); 二级CPU釆用C8051F处理器，其特征在于由 C8051F处理器内置的CAN控制器构成高速高精度纸箱印刷成套设备各部件 间数据通信互联的CAN2. OB协议的现场总线网路，提高了整机各分机间数 据通信的高速稳定性，其带宽为1Mbps。双CPU各部功能分布明确，结构 简单，控制功能层次明确，适用于不同型号的全电脑印刷机送纸部的控制 系统，具有很强的通用性。
2、 上述GUI人机交互LCD触摸屏模块(2),其釆用TFT屏构成64K 色图像显示GUI人机交互界面，模块(2)的LCD数据接口 VD0 VD23作为 图像显示数据的输出总线，本实施例中釆用16bpp显示模式，界面颜色过 渡自然，GUI界面简洁、美观；LCD控制器与LCD驱动器之间的帧同步信号 VFRAME，通知LCD刷新的一帧显示；LCD控制器与LCD驱动器之间的同步 脉冲信号VLINE，将水平位移寄存器中的数据显示到LCD屏上；LCD控制器 与LCD驱动器之间的像素时钟信号VCLK，LCD控制器在VCLK的上升沿发送 数据，在其下降沿釆样数据。LCD控制器使用的交流信号VM， VM信号改变 用于打开或关闭像素的行和列电压的极性，控制像素点的显示与熄灭。驱 动器74LVTH162245增加LCD连接线的线长，提高LCD显示数据的稳定性， 保证GUI显示的良好效果。人机交互界面是印刷机成套设备各种参数输入 的媒介，是装置具有很强的可操作性。模块(2)的触摸屏采用四线制电阻 式触摸屏，模块U)中的ARM处理器内置触摸屏数据转换接口，外接于4 个引脚XM、 XP、 YM、 YP,通过处理器内置的IO位AD转换器釆样触摸屏的 模拟信号。
3、 上述输入送纸部各辊简间隙参数和GUI功能选择的键盘模块(3)， 包括有光电隔离器JK1 K8，隔离24V电源与3. 3V电源，隔离干扰信号流入下一级控制电路；隔离器JK1~ JK8的限流电阻RK1 RK8，控制光电 隔离器电流的大小，使隔离器稳定工作，隔离器JK1 JK8的输出引脚与嵌 入式处理器模块(1 )连接。上述显示CPU输入输出接口状态的LED模块(4 ), 包括有LED的限流电阻R1-R8,控制发光二极管电流的大小，使LED稳定 工作，其输出引脚与光电隔离器相连。
4、 上述控制电机的编码器测速控速模块(5)，包括有光电隔离器，隔 离24V电源与3. 3V电源，隔离干扰信号流入下一级控制电路，使系统采集 到未受千扰的纯编码器信号，防止处理器对电机位置的误判，达到高速高 精度的目的；光电隔离器的输出端上拉电阻RA1-RA8与处理器相连，使处 理器方便的采集到光电编码器的脉冲信号。用于各接近开关和行程开关信 号采集和输入模块(6)，通过光电隔离器构成各种接近开关与行程开关的 一般通用输入接口。用于驱动控制电机通断继电器的驱动与光电隔离模块
(7)，包括有光电隔离器；驱动器输入端的限流电阻RU1 RU8，限制驱动 器输入端的电流.大小，且使继电器低电平有效，从而使系统开机时状态处于 不变，保证印刷机送纸部的初始工作状态稳定。
5、 双CPU通信的RS485通信模块(8)，使两级CPU互联，完成控制系 统数据的共享，构成分布式控制系统。高速高精度纸箱印刷成套设备各部 协调工作的现场总线CAN通信模块(9),使高速高精度纸箱印刷成套设备 各部件间的数据共享，构成CAN2. OB协议的现场总线网路，提高了整机各 分机间数据通信的高速稳定性，带宽高达lMbps。
权利要求1、一种用于高速高精度纸箱印刷成套设备中送纸部的嵌入式数字控制装置，其特征在于包括有双CPU的ARM和C8051F嵌入式处理器(1)、用于人机交互的LCD触摸屏模块(2)、用于输入送纸部各辊筒间隙参数和GUI功能选择的键盘模块(3)、用于显示CPU输入输出接口状态的LED模块(4)、用于控制电机的编码器测速控速模块(5)、用于各接近开关和行程开关信号采集和输入模块(6)、用于驱动控制电机通断继电器的驱动与光电隔离模块(7)、用于双CPU通信的RS485通信模块(8)、用于高速高精度纸箱印刷成套设备各部协调工作的现场总线CAN通信模块(9)，其中处理器模块(1)中的ARM处理器负责GUI人机交互LCD触摸屏接口模块(2)、键盘模块(3)、状态显示LED模块(4)、接近开关和行程开关信号采集和输入模块(6)、双CPU通信的RS485通信模块(8)；处理器模块(1)中的C8051F处理器负责状态显示LED模块(4)、用于控制电机的编码器测速控速模块(5)、继电器的驱动与光电隔离模块(7)、双CPU通信的RS485通信模块(8)、现场总线CAN通信模块(9)。
2、 根据权利要求1所述的高速高精度纸箱印刷成套设备中送纸部的 嵌入式数字控制装置，其特征在于上述嵌入式处理器(1 )采用双级控制构 成分布式控制系统，其中一级处理器ARM最高主频达到533MHZ,CPU内置 LCD控制器，支持24bpp图像显示，釆用TFT屏16bpp显示模式，且内置 触摸屏控制器，支持四线制电阻式触摸屏，ARM处理器输出直接连接负责 GUI人机交互的LCD触摸屏接口模块(2); 二级CPU釆用C8051F处理器， 其特征在于由C8051F处理器内置的CAN控制器构成高速高精度纸箱印刷成 套设备各部件间数据通信互联的CAN2. OB协议的现场总线网路，提高了整 机各分机间数据通信的高速稳定性，其带宽为1Mbps。
3、 根据权利要求1所述的高速高精度纸箱印刷成套设备中送纸部的嵌 入式数字控制装置，其特征在于上述GUI人机交互LCD触摸屏模块(2 )，其采用TFT屏构成64K色图像显示GUI人机交互界面，模块(2)的LCD 数据接口 VD0 VD23作为图像显示数据的输出总线，驱动器74LVTH162245 增加LCD连接线的线长，提高LCD显示数据的稳定性，保证GUI显示的良 好效果；模块(2)的触摸屏釆用四线制电阻式触摸屏，模块(1)中的ARM 处理器内置触摸屏数据转换接口，外接于4个引脚XM、 XP、 YM、 YP，通过 处理器内置的IO位AD转换器釆样触摸屏的模拟信号。
4、 根据权利要求1所述的高速高精度纸箱印刷成套设备中送纸部的嵌 入式数字控制装置，其特征在于上述输入送纸部各辊简间隙参数和GUI功 能选择的键盘模块(3 ),包括有光电隔离器JK1 ~ JK8，隔离24V电源与3. 3V 电源，隔离干扰信号流入下一级控制电路；隔离器JK1 JK8的限流电阻 RK1-RK8，控制光电隔离器电流的大小，使隔离器稳定工作，隔离器Kl~ K8的输出引脚与嵌入式处理器模块(1)连接。
5、 根据权利要求1所述的高速高精度纸箱印刷成套设备中送纸部的嵌 入式数字控制装置，其特征在于上述显示CPU输入输出接口状态的LED模 块U),包括有LED的限流电阻R1 R8，控制发光二极管电流的大小，使 LED稳定工作，其输出引脚与光电隔离器相连。
6、 根据权利要求1所述的高速高精度纸箱印刷成套设备中送纸部的嵌 入式数字控制装置，其特征在于上述控制电机的编码器测速控速模块(5 )， 包括有光电隔离器，隔离24V电源与3. 3V电源，隔离干扰信号流入下一级 控制电路，使系统采集到未受干扰的纯编码器信号，防止处理器对电机位 置的误判，达到高速高精度的目的；光电隔离器的输出端上拉电阻M1-RA8与处理器相连，使处理器方便的釆集到光电编码器的脉冲信号。
7、 根据权利要求1所述的高速高精度纸箱印刷成套设备中送纸部的嵌 入式数字控制装置，其特征在于上述用于各接近开关和行程开关信号采集 和输入模块(6),通过光电隔离器构成各种接近开关与行程开关的一般通 用输入接口。
8、 根据权利要求1所述的高速高精度纸箱印刷成套设备中送纸部的 嵌入式数字控制装置，其特征在于上述用于驱动控制电机通断继电器的驱 动与光电隔离模块(7)，包括有光电隔离器；驱动器输入端的限流电阻RU1-RU8，限制驱动器输入端的电流大小，且使继电器低电平有效，从而使 系统开机时状态处于不变，保证印刷机送纸部的初始工作状态稳定。
9、 根据权利要求1所述的高速高精度纸箱印刷成套设备中送纸部的嵌 入式数字控制装置，其特征在于双CPU通信的RS485通信模块(8)，使两 级CPU互联，完成控制系统数据的共享，构成分布式控制系统。
10、 根据权利要求1所述的高速高精度纸箱印刷成套设备中送纸部的 嵌入式数字控制装置，其特征在于高速高精度纸箱印刷成套设备各部协调 工作的现场总线CAN通信模块(9),使高速高精度纸箱印刷成套设备各部 件间的数据共享，构成CAN2.0B协议的现场总线网路，提高了整机各分机 间数据通信的高速稳定性，带宽高达lMbps。
专利摘要本实用新型是一种用于高速高精度纸箱印刷成套设备中送纸部的嵌入式数字控制装置。本实用新型采用双级控制构成分布式控制系统，结构简单，控制功能层次明确，适用于不同型号的全电脑印刷机送纸部的控制系统，具有很强的通用性。本控制器采用ARM和C8051F嵌入式处理器作为主CPU，以其高主频和完善的功能能最大限度的提高控制器的速度与精度，全面的提升了印刷成套设备的整机性能，弥补了传统PLC控制器引起的速度低与成本高的不足；采用16K色LCD触摸屏作为人机交互的手段；通过C8051F处理器内置的CAN控制器构成高速高精度纸箱印刷成套设备各部件间数据通信互联的CAN2.0B协议的现场总线网路，采用1Mbps的带宽提高了整机与各分机间高速数据通信的稳定性。本实用新型是一种设计巧妙，性能优良，性价比高，人机界面漂亮，方便实用的全电脑纸箱印刷设备送纸部嵌入式数字控制装置。
文档编号G05B19/414GK201355441SQ200820202628
公开日2009年12月2日 申请日期2008年10月29日 优先权日2008年10月29日
发明者何国胜, 吴黎明, 唐露新, 盼 孙, 汤秀春, 王桂棠, 胡万斌, 赖南辉, 邓耀华, 陈永生 申请人:广东工业大学;广州科盛隆纸箱包装机械有限公司