精益生產看板系統用SPI/CAN雙向數傳模塊的設計

周洪強，陳 超，盧學偉

（麗水學院工學院，浙江麗水323000）

精益生產看板系統用SPI/CAN雙向數傳模塊的設計

周洪強，陳 超，盧學偉

（麗水學院工學院，浙江麗水323000）

針對現有采用RS485雙向數傳組網的精益生產看板系統通訊不穩定、實時性差等不足，基于STC51單片機設計了一種SPI/CAN雙向數據傳輸模塊。根據工業現場的應用特點，對硬件電路與軟件流程設計進行詳細敘述，對數據傳輸的接口透明與抗干擾等方面進行處理，通過SPI與CAN的數據轉換，實現了精益生產的現場數據與服務器端數據的雙向傳輸，完成了基于CAN接口的看板系統的透明化組網。最后通過通信測試和現場的實際使用驗證了本設計的實效性。

看板系統；雙向數傳；SPI接口；CAN總線

0 引言

起源于日本豐田公司的精益生產管理是當今世界先進的管理方法[1]，在全球范圍內被越來越多的企業采用。其中準時生產是精益生產的三大理論支柱之一，而要實現準時生產，需要一個與之配套的信息手段，通常采用看板管理系統實現，采用看板管理系統的生產線實現了生產任務、調度的一體化。

國內早期的看板管理系統主要采用大尺寸LED顯示作為生產線看板，每條生產線配置一個塊看板，再經過RS485聯網的方式與服務器相聯，進行生產任務的調度與信息化管理[2-3]。但在實際使用過程中，由于工作環境復雜導致出現通訊不穩定，同時隨著工廠生產規模、生產線數量的擴大，對實時數據量的采集也有了更高要求，這種看板管理系統的聯網方式已經難以滿足用戶的需求。

控制器局部網CAN（Controller Area Network，簡稱CAN）總線是一種有效支持分布式控制或實時控制的串行通信網絡，在惡劣的環境中仍具有極高的可靠性和魯棒性，同時還具有安全可靠性高、實時性好、傳輸距離遠等特點，其已在工業控制系統等方面得到了廣泛的應用[4-5]。隨著CAN模塊集成度的提高和成本降低，采用CAN組網通信替換看板管理系統的RS485組網通信，可提高看板管理系統的可靠性和實時性。

本文從精益生產現場管理系統的現場組網需求出發，對某廠車間原有采用RS485雙向數傳組網的精益生產看板系統進行改進替換，設計了一款基于微控制器的雙向數傳模塊，實現了SPI（Serial Peripheral Interface，簡稱 SPI）接口與 CAN現場總線的雙向數據傳輸，在硬件設計與軟件控制上完成了CAN組網的透明化，最后對本設計進行了通信測試和現場使用驗證。

1 工作原理

某工廠車間的原精益生產系統主要由服務器端和生產線上的LED看板組成。服務器端進行報表處理與生產任務的下達，LED看板主要進行實時信息顯示，系統框架如圖1所示。

圖1 精益生產LED看板系統框圖

該LED看板系統中，計算機主控芯片將生產線上的各種信號，如光電開關信號（可用于產量計數）、腳踏開關信號、繼電器信號（用于緊急故障等）等進行采集，在LED顯示屏上進行顯示，同時通過RS485通訊模塊與上位的系統服務器進行雙向通信傳輸，上傳實時的生產數據、接收新的生產定單與任務顯示。由于工業現場的環境干擾和生產過程中對各種信息的實時性要求，采用RS485現場組網的方式在實踐過程中易出現數據傳輸失敗、誤碼率高等故障，影響生產系統的正常運行。

為了提高系統可靠性并滿足實時性要求，將RS485換成通訊速率更高，抗干擾能力更強的CAN總線進行現場組網與數據的通信。通過SPI與CAN的透明數據轉換，實現精益生產的現場數據與服務器端數據的雙向傳輸。該雙向數轉模塊主要分為兩大部分：第一部分為SPI信號轉換為CAN通訊信號；第二部分為CAN通訊信號轉換為SPI接口信號。

SPI/CAN雙向數傳模塊系統框圖如圖2所示，數據流有兩個流向：

（1）SPI接口信號轉換成CAN通訊信號：控制器接收SPI接口數據，并且判斷出轉換CAN信號的模式以及地址，然后通過CAN控制器轉換，轉換成相應的CAN通訊信號。

（2）CAN通訊信號轉換為SPI接口信號：CAN數據首先通過CAN物理轉換電路，然后傳送到控制器，控制器讀取相應的數據位，最后將CAN通訊信號轉換成SPI接口信號，中間的數據交換主要使用數據緩沖區進行。

圖2 數傳模塊系統框圖

2 硬件電路設計

2.1 SPI通信接口的設計

采用STC公司的12C5608AD芯片作為主控制器，STC12C5608AD是一個1T速率的單片機，其運行速度是12T單片機的4～12倍，并且內部集成了SPI接口、8K片內系統存儲器、768字節片內RAM。在晶振小于20M時，無需采用外部復位電路，這不但可以節約硬件成本，而且可以簡化其PCB布局。768字節的片內RAM使得大批量數據轉換時更加輕松，軟件更容易操作。

圖3所示為12C5608AD芯片的SPI通信接口電路，實現了模塊與外部CMOS信號的SPI通信鏈路的建立。

圖3 SPI通信接口電路

2.2 CAN通訊控制模塊的設計

2.2.1 CAN獨立控制器設計

采用SJA1000芯片實現CAN的協議解析，這是一款獨立的CAN控制器，主要由接口管理邏輯器（IML）、發送緩沖器（TXB）、接收緩沖器（RXB）、驗收濾波器（ACF）、位流處理器（BSP）、位時序邏輯（BTL）、錯誤管理邏輯器（EML）七大部分組成。該芯片提供了MCU的命令接口，可根據MCU命令進行CAN網絡協議的解析并提供了錯誤檢測與標識功能[6-8]。

圖4所示為SJA1000控制端口連接圖，AD0-AD7是SJA1000的地址、數據復用端口，AD0-AD7端口與主控制器的P2端口相連接，以實現對SJA1000 CAN控制器的地址內數據讀與寫操作；RD、WR、ALE 端口分別與 STC12C5608AD中的P1.1、P1.2、P3.5相連接，以實現地址、數據讀寫的時序控制；RX0與CAN通訊物理傳輸芯片ADM3053中的RXD相連接，以實現CAN控制芯片的CAN數據接收功能；TX0與CAN通訊物理傳輸芯片ADM3053中的TXD相連接，以實現CAN控制芯片的CAN數據發送功能。

圖4 SJA1000控制端口連接圖

2.2.2 CAN物理通訊電路設計

為了簡化CAN物理驅動電路設計并提高系統的抗干擾能力，選用ADM3053芯片進行CAN信號的物理隔離設計。ADM3053是一款隔離式CAN物理層收發器，集成了隔離DC/DC轉換器，完全符合ISO11898標準。該器件將ADI公司的雙通道隔離器、收發器與ADI公司的DC-DC轉換器完美結合，為CAN通訊提供了一個完全隔離的解決方案。ADM3053芯片同時具有限流和熱關斷特性，可防止輸出短路，對于硬件電路的保護起到了相當大的作用。

圖5為ADM3053的外圍電路圖，RXD信號端口與SJA1000中的RX0信號端口相連接，以實現CAN通訊數據的接收功能，TXD信號端口與SJA1000中的TXD信號端口相連接，以實現CAN通訊數據的發送功能，CANL以及CANH端口為CAN數據通訊的信號端口。

圖5ADM3053外圍電路圖

2.2.3 斷電保護電路設計

工業生產現場應用環境復雜，經常會碰到不同原因的非正常斷電，為了保證雙向數傳模塊在各種非正常斷電情況下的信息保存，設計了圖6所示的斷電保存電路。圖6中，+5V端接模塊供電電源，VCC端接CPU電源端，INT0接CPU的中斷管腳。正常工作時，由+5V端經二極管D1為VCC供電，同時對電池BT1充電，Q1不導通；當外接電源斷電時，VCC由BT1供電，Q1導通，INT0產生一個下降沿中斷信號給CPU，CPU進入中斷服務程序進行斷電保護處理。

圖6 斷電保護電路

圖7所示為SPI/CAN雙向數傳模塊實物圖，由 SPI接口、SJA1000、ADM3053、微控制器、CAN接口等組成，精益生產系統LED看板控制通過SPI接口與模塊相連，模塊系統完成SPI通信信號與CAN聯網信號的識別和雙向透明傳輸。

圖7 數傳模塊實物圖

3 軟件設計

SPI/CAN雙向數傳模塊采用協議解析、拆包、重組的方式，實現了通信數據的雙向傳輸與模塊地址的在線識別更新。本模塊控制軟件系統主要包括SJA1000讀寫子程序、CAN通訊模塊初始化子程序、CAN數據接收子程序、CAN數據發送子程序和SPI通訊子程序。

圖8所示為系統的總流程框圖，系統上電初始化過程中將完成模塊地址、數據的恢復等操作，然后一直進行CAN數據與SPI數據的通信偵測，當判斷有合格的CAN數據通信輸入時，進行拆包，分解成有效數據后送SPI進行傳輸。當檢測到有SPI端數據通信輸入時，進行數據組包，并添加當前模塊地址，送SJA1000進行CAN數據的傳輸。

圖8 系統軟件流程圖

3.1 CAN通訊程序設計

圖9所示為當SJA1000接到CAN數據，產生一個中斷信號后給MCU，MCU的后續中斷接收處理流程。

為了更好地控制CAN數據接收，減少誤碼率的產生，本系統采用中斷的方式進行處理。將STC12C5608AD中的外部中斷1端口與SJA1000芯片的INT端口相連接，當CAN控制器從外部接收到CAN數據信號時，即刻產生中斷，通知單片機做出處理。當單片機接收到中斷后，單片機首先會發出指令，判斷SJA1000中IR寄存器當前的狀態。當檢測到IR寄存器的第零位置位后，單片機STC12C5608AD開始讀取SJA1000中數據和接收寄存器中的數據，并將其存入緩沖區。

圖9CAN中斷接收程序

3.2 SPI通訊程序設計

圖10所示為控制器的SPI模塊接收到LED看板面發送數據，產生SPI中斷后的處理流程。要求將SPI數據送入接收緩沖區，且具有超時判斷功能，超過設定接收數據設定時間后，立刻將緩沖區內的數據發出。

圖10 SPI中斷接收程序

需要注意的是，在實際使用過程中，SPI端的通信速率與CAN端的速率是不一致的。為了解決通信過程中由于速率不同步帶來的數據丟失，在微控制器內部開辟了500 Byte的緩沖區進行通信數據暫存。

4 應用

圖11為某廠采用SPI/CAN雙向數傳模塊后的精益生產的現場看板圖，面板通過LED顯示各種生產過程數據，如計劃產量、節拍時間、呼叫信息等。

圖11 精益生產LED看板圖

圖12所示為本數據雙傳模塊的現場軟件測試圖，測試數據中CAN速率采用50 KBps，SPI速率采用9 600 Bps，由圖12可知，SPI/CAN雙向數傳模塊可靠地完成了數據的雙向傳輸。

圖12 SPI/CAN雙向傳輸測試圖

使用CAN總線組網，提高了可靠性與通訊速率，使服務器端與生產線LED看板之間的通信更加流暢，生產任務下達時間提高到了6 s，60個工位數據巡檢時間也由10 s提高到了3 s。這表明通過數傳模塊對原通信組網方式的改造，有效改善了精益生產系統整體性能，使企業更好地對生產進行調度，提高生產效率提供了保障。

5 結語

本文針對采用RS485組網的精益生產看板系統通訊不穩定、實時性差等不足，基于STC12C5608AD單片機研制了SPI/CAN雙向數據通信模塊，詳細敘述了硬件電路設計和軟件程序流程設計，基于ADM3053芯片的CAN物理隔離通訊電路的設計，簡化了CAN物理驅動電路設計并提高了系統的抗干擾能力。斷電數據保護電路的設計，保證雙向數傳模塊在各種非正常斷電情況下的信息保存。同時為了解決通信過程中由于SPI和CAN端口的速率不同步帶來的數據丟失，在微控制器內部開辟了通信數據緩沖區。

本文的SPI/CAN雙向數據通信模塊設計，實現了對RS485雙向數據通信模塊的替換，完成了基于CAN接口的看板系統透明化組網，對其它類似系統聯入CAN工業網絡亦具有參考價值。

［1］牛占文，荊樹偉.基于精益生產的制造業企業管理創新模式探討［J］.天津大學學報（社會科學版），2014（6）：481.

［2］張根保，付興林，朱瑜慶，等.汽車制造企業精益生產系統模型［J］.機械工程學報，2010，46（2）：93.

［3］黃斌，周婉婷.精益生產技術在汽車制造業的應用［J］.工業工程與管理，2004（5）：126.

［4］侯明，杜奕.基于CAN總線的接口電路設計［J］.通信技術，2008（7）：138.

［5］楊建軍.CAN總線技術在汽車中的應用［J］．上海汽車，2007（6）：32．

［6］王振華，朱國力，郭長旺，等.基于DSP和CAN總線的CNC多軸運動控制器研究［J］.制造業自動化，2000（3）：10.

［7］吳坎，趙薇，李封.基于SJA1000和PCA82C250的CAN總線接口設計［J］.機械設計與制造，2010（7）：55.

［8］賈長春.基于SJA1000的CAN總線智能節點設計［J］．工業控制計算機，2015（2）：5．

Design of SPI/CAN Bidirectional Data Transmission Module for Kanban System of Lean Production

ZHOUHongqiang，CHENChao，LUXuewei
（FacultyofEngineering，Lishui University，Lishui 323000，Zhejiang）

The existing Kanban system of the lean production based on RS485 bidirectional data transmission has some defects，such as unstable communications，bad real time capability，and so on.A SPI/CAN bidirectional data transmission module is designed based on STC51 MCU，and the design of the hardware circuit and control software is described in detail.The bidirectional data transmission between the field devices and the service ends of the Kanban system of the lean production is achieved and the transparent networking based on CAN interface is completed by the SPI/CAN data conversion.The effectiveness of the SPI/CAN bidirectional data transmission module is verified by the communication tests and the practical use in the production field.

Kanban System；bidirectional data transmission；SPI interface；CANbus

10.3969/j.issn.2095-3801.2017.05.014

TP29

A

2095-3801（2017）05-0082-06

2017-03-28；

2017-05-23

浙江省教育廳科研項目“基于BLDC的無繩智能扳手研制”（Y201636941）；浙江省高校實驗室工作研究項目“基于TMS320F28335的交流電機控制實驗平臺研制”（ZD201604）；麗水市高層次人才培養資助項目“電動汽車驅動用新型SRM的電磁設計及轉矩控制研究”（2014RC07）；浙江省高等教育教學改革項目“學為導向教學模式構建的研究與實踐——以‘電力拖動自動控制系統’課程為例”（JG20160188）；浙江省大學生科技創新項目“基于DSP無刷直流電機控制系統的推廣應用研究”（2016R431025）

周洪強，男，浙江海寧人，實驗師。