精益生产看板系统用SPI/CAN双向数传模块的设计

周洪强，陈 超，卢学伟

（丽水学院工学院，浙江丽水323000）

精益生产看板系统用SPI/CAN双向数传模块的设计

周洪强，陈 超，卢学伟

（丽水学院工学院，浙江丽水323000）

针对现有采用RS485双向数传组网的精益生产看板系统通讯不稳定、实时性差等不足，基于STC51单片机设计了一种SPI/CAN双向数据传输模块。根据工业现场的应用特点，对硬件电路与软件流程设计进行详细叙述，对数据传输的接口透明与抗干扰等方面进行处理，通过SPI与CAN的数据转换，实现了精益生产的现场数据与服务器端数据的双向传输，完成了基于CAN接口的看板系统的透明化组网。最后通过通信测试和现场的实际使用验证了本设计的实效性。

看板系统；双向数传；SPI接口；CAN总线

0 引言

起源于日本丰田公司的精益生产管理是当今世界先进的管理方法[1]，在全球范围内被越来越多的企业采用。其中准时生产是精益生产的三大理论支柱之一，而要实现准时生产，需要一个与之配套的信息手段，通常采用看板管理系统实现，采用看板管理系统的生产线实现了生产任务、调度的一体化。

国内早期的看板管理系统主要采用大尺寸LED显示作为生产线看板，每条生产线配置一个块看板，再经过RS485联网的方式与服务器相联，进行生产任务的调度与信息化管理[2-3]。但在实际使用过程中，由于工作环境复杂导致出现通讯不稳定，同时随着工厂生产规模、生产线数量的扩大，对实时数据量的采集也有了更高要求，这种看板管理系统的联网方式已经难以满足用户的需求。

控制器局部网CAN（Controller Area Network，简称CAN）总线是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络，在恶劣的环境中仍具有极高的可靠性和鲁棒性，同时还具有安全可靠性高、实时性好、传输距离远等特点，其已在工业控制系统等方面得到了广泛的应用[4-5]。随着CAN模块集成度的提高和成本降低，采用CAN组网通信替换看板管理系统的RS485组网通信，可提高看板管理系统的可靠性和实时性。

本文从精益生产现场管理系统的现场组网需求出发，对某厂车间原有采用RS485双向数传组网的精益生产看板系统进行改进替换，设计了一款基于微控制器的双向数传模块，实现了SPI（Serial Peripheral Interface，简称 SPI）接口与 CAN现场总线的双向数据传输，在硬件设计与软件控制上完成了CAN组网的透明化，最后对本设计进行了通信测试和现场使用验证。

1 工作原理

某工厂车间的原精益生产系统主要由服务器端和生产线上的LED看板组成。服务器端进行报表处理与生产任务的下达，LED看板主要进行实时信息显示，系统框架如图1所示。

图1 精益生产LED看板系统框图

该LED看板系统中，计算机主控芯片将生产线上的各种信号，如光电开关信号（可用于产量计数）、脚踏开关信号、继电器信号（用于紧急故障等）等进行采集，在LED显示屏上进行显示，同时通过RS485通讯模块与上位的系统服务器进行双向通信传输，上传实时的生产数据、接收新的生产定单与任务显示。由于工业现场的环境干扰和生产过程中对各种信息的实时性要求，采用RS485现场组网的方式在实践过程中易出现数据传输失败、误码率高等故障，影响生产系统的正常运行。

为了提高系统可靠性并满足实时性要求，将RS485换成通讯速率更高，抗干扰能力更强的CAN总线进行现场组网与数据的通信。通过SPI与CAN的透明数据转换，实现精益生产的现场数据与服务器端数据的双向传输。该双向数转模块主要分为两大部分：第一部分为SPI信号转换为CAN通讯信号；第二部分为CAN通讯信号转换为SPI接口信号。

SPI/CAN双向数传模块系统框图如图2所示，数据流有两个流向：

（1）SPI接口信号转换成CAN通讯信号：控制器接收SPI接口数据，并且判断出转换CAN信号的模式以及地址，然后通过CAN控制器转换，转换成相应的CAN通讯信号。

（2）CAN通讯信号转换为SPI接口信号：CAN数据首先通过CAN物理转换电路，然后传送到控制器，控制器读取相应的数据位，最后将CAN通讯信号转换成SPI接口信号，中间的数据交换主要使用数据缓冲区进行。

图2 数传模块系统框图

2 硬件电路设计

2.1 SPI通信接口的设计

采用STC公司的12C5608AD芯片作为主控制器，STC12C5608AD是一个1T速率的单片机，其运行速度是12T单片机的4～12倍，并且内部集成了SPI接口、8K片内系统存储器、768字节片内RAM。在晶振小于20M时，无需采用外部复位电路，这不但可以节约硬件成本，而且可以简化其PCB布局。768字节的片内RAM使得大批量数据转换时更加轻松，软件更容易操作。

图3所示为12C5608AD芯片的SPI通信接口电路，实现了模块与外部CMOS信号的SPI通信链路的建立。

图3 SPI通信接口电路

2.2 CAN通讯控制模块的设计

2.2.1 CAN独立控制器设计

采用SJA1000芯片实现CAN的协议解析，这是一款独立的CAN控制器，主要由接口管理逻辑器（IML）、发送缓冲器（TXB）、接收缓冲器（RXB）、验收滤波器（ACF）、位流处理器（BSP）、位时序逻辑（BTL）、错误管理逻辑器（EML）七大部分组成。该芯片提供了MCU的命令接口，可根据MCU命令进行CAN网络协议的解析并提供了错误检测与标识功能[6-8]。

图4所示为SJA1000控制端口连接图，AD0-AD7是SJA1000的地址、数据复用端口，AD0-AD7端口与主控制器的P2端口相连接，以实现对SJA1000 CAN控制器的地址内数据读与写操作；RD、WR、ALE 端口分别与 STC12C5608AD中的P1.1、P1.2、P3.5相连接，以实现地址、数据读写的时序控制；RX0与CAN通讯物理传输芯片ADM3053中的RXD相连接，以实现CAN控制芯片的CAN数据接收功能；TX0与CAN通讯物理传输芯片ADM3053中的TXD相连接，以实现CAN控制芯片的CAN数据发送功能。

图4 SJA1000控制端口连接图

2.2.2 CAN物理通讯电路设计

为了简化CAN物理驱动电路设计并提高系统的抗干扰能力，选用ADM3053芯片进行CAN信号的物理隔离设计。ADM3053是一款隔离式CAN物理层收发器，集成了隔离DC/DC转换器，完全符合ISO11898标准。该器件将ADI公司的双通道隔离器、收发器与ADI公司的DC-DC转换器完美结合，为CAN通讯提供了一个完全隔离的解决方案。ADM3053芯片同时具有限流和热关断特性，可防止输出短路，对于硬件电路的保护起到了相当大的作用。

图5为ADM3053的外围电路图，RXD信号端口与SJA1000中的RX0信号端口相连接，以实现CAN通讯数据的接收功能，TXD信号端口与SJA1000中的TXD信号端口相连接，以实现CAN通讯数据的发送功能，CANL以及CANH端口为CAN数据通讯的信号端口。

图5ADM3053外围电路图

2.2.3 断电保护电路设计

工业生产现场应用环境复杂，经常会碰到不同原因的非正常断电，为了保证双向数传模块在各种非正常断电情况下的信息保存，设计了图6所示的断电保存电路。图6中，+5V端接模块供电电源，VCC端接CPU电源端，INT0接CPU的中断管脚。正常工作时，由+5V端经二极管D1为VCC供电，同时对电池BT1充电，Q1不导通；当外接电源断电时，VCC由BT1供电，Q1导通，INT0产生一个下降沿中断信号给CPU，CPU进入中断服务程序进行断电保护处理。

图6 断电保护电路

图7所示为SPI/CAN双向数传模块实物图，由 SPI接口、SJA1000、ADM3053、微控制器、CAN接口等组成，精益生产系统LED看板控制通过SPI接口与模块相连，模块系统完成SPI通信信号与CAN联网信号的识别和双向透明传输。

图7 数传模块实物图

3 软件设计

SPI/CAN双向数传模块采用协议解析、拆包、重组的方式，实现了通信数据的双向传输与模块地址的在线识别更新。本模块控制软件系统主要包括SJA1000读写子程序、CAN通讯模块初始化子程序、CAN数据接收子程序、CAN数据发送子程序和SPI通讯子程序。

图8所示为系统的总流程框图，系统上电初始化过程中将完成模块地址、数据的恢复等操作，然后一直进行CAN数据与SPI数据的通信侦测，当判断有合格的CAN数据通信输入时，进行拆包，分解成有效数据后送SPI进行传输。当检测到有SPI端数据通信输入时，进行数据组包，并添加当前模块地址，送SJA1000进行CAN数据的传输。

图8 系统软件流程图

3.1 CAN通讯程序设计

图9所示为当SJA1000接到CAN数据，产生一个中断信号后给MCU，MCU的后续中断接收处理流程。

为了更好地控制CAN数据接收，减少误码率的产生，本系统采用中断的方式进行处理。将STC12C5608AD中的外部中断1端口与SJA1000芯片的INT端口相连接，当CAN控制器从外部接收到CAN数据信号时，即刻产生中断，通知单片机做出处理。当单片机接收到中断后，单片机首先会发出指令，判断SJA1000中IR寄存器当前的状态。当检测到IR寄存器的第零位置位后，单片机STC12C5608AD开始读取SJA1000中数据和接收寄存器中的数据，并将其存入缓冲区。

图9CAN中断接收程序

3.2 SPI通讯程序设计

图10所示为控制器的SPI模块接收到LED看板面发送数据，产生SPI中断后的处理流程。要求将SPI数据送入接收缓冲区，且具有超时判断功能，超过设定接收数据设定时间后，立刻将缓冲区内的数据发出。

图10 SPI中断接收程序

需要注意的是，在实际使用过程中，SPI端的通信速率与CAN端的速率是不一致的。为了解决通信过程中由于速率不同步带来的数据丢失，在微控制器内部开辟了500 Byte的缓冲区进行通信数据暂存。

4 应用

图11为某厂采用SPI/CAN双向数传模块后的精益生产的现场看板图，面板通过LED显示各种生产过程数据，如计划产量、节拍时间、呼叫信息等。

图11 精益生产LED看板图

图12所示为本数据双传模块的现场软件测试图，测试数据中CAN速率采用50 KBps，SPI速率采用9 600 Bps，由图12可知，SPI/CAN双向数传模块可靠地完成了数据的双向传输。

图12 SPI/CAN双向传输测试图

使用CAN总线组网，提高了可靠性与通讯速率，使服务器端与生产线LED看板之间的通信更加流畅，生产任务下达时间提高到了6 s，60个工位数据巡检时间也由10 s提高到了3 s。这表明通过数传模块对原通信组网方式的改造，有效改善了精益生产系统整体性能，使企业更好地对生产进行调度，提高生产效率提供了保障。

5 结语

本文针对采用RS485组网的精益生产看板系统通讯不稳定、实时性差等不足，基于STC12C5608AD单片机研制了SPI/CAN双向数据通信模块，详细叙述了硬件电路设计和软件程序流程设计，基于ADM3053芯片的CAN物理隔离通讯电路的设计，简化了CAN物理驱动电路设计并提高了系统的抗干扰能力。断电数据保护电路的设计，保证双向数传模块在各种非正常断电情况下的信息保存。同时为了解决通信过程中由于SPI和CAN端口的速率不同步带来的数据丢失，在微控制器内部开辟了通信数据缓冲区。

本文的SPI/CAN双向数据通信模块设计，实现了对RS485双向数据通信模块的替换，完成了基于CAN接口的看板系统透明化组网，对其它类似系统联入CAN工业网络亦具有参考价值。

［1］牛占文，荆树伟.基于精益生产的制造业企业管理创新模式探讨［J］.天津大学学报（社会科学版），2014（6）：481.

［2］张根保，付兴林，朱瑜庆，等.汽车制造企业精益生产系统模型［J］.机械工程学报，2010，46（2）：93.

［3］黄斌，周婉婷.精益生产技术在汽车制造业的应用［J］.工业工程与管理，2004（5）：126.

［4］侯明，杜奕.基于CAN总线的接口电路设计［J］.通信技术，2008（7）：138.

［5］杨建军.CAN总线技术在汽车中的应用［J］．上海汽车，2007（6）：32．

［6］王振华，朱国力，郭长旺，等.基于DSP和CAN总线的CNC多轴运动控制器研究［J］.制造业自动化，2000（3）：10.

［7］吴坎，赵薇，李封.基于SJA1000和PCA82C250的CAN总线接口设计［J］.机械设计与制造，2010（7）：55.

［8］贾长春.基于SJA1000的CAN总线智能节点设计［J］．工业控制计算机，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

浙江省教育厅科研项目“基于BLDC的无绳智能扳手研制”（Y201636941）；浙江省高校实验室工作研究项目“基于TMS320F28335的交流电机控制实验平台研制”（ZD201604）；丽水市高层次人才培养资助项目“电动汽车驱动用新型SRM的电磁设计及转矩控制研究”（2014RC07）；浙江省高等教育教学改革项目“学为导向教学模式构建的研究与实践——以‘电力拖动自动控制系统’课程为例”（JG20160188）；浙江省大学生科技创新项目“基于DSP无刷直流电机控制系统的推广应用研究”（2016R431025）

周洪强，男，浙江海宁人，实验师。