基于TSN的喷墨印刷数据传输系统及喷墨印刷系统的制作方法

本发明涉及数据传输，尤其是指一种基于tsn的喷墨印刷数据传输系统及喷墨印刷系统。

背景技术：

1、现有的以太网技术虽然因其高达10000mb/s的带宽优势，在工业通信网络中得到了广泛应用，但在喷墨印刷等高要求的工业应用中，存在无法满足实时性、高带宽、可靠性等关键需求的问题，具体包括：

2、（1）喷墨印刷需要确保数据传输的延迟尽可能低，以便于快速响应控制命令和传输图像数据，保证打印过程的实时性和流畅性；然而，现有的以太网采用的随机竞争机制，意味着数据帧的传输时间难以预测，且无法确保关键数据在指定的时间内传输完成，这会导致数据传输过程中出现延迟和抖动的问题，以至于影响实时数据交互和控制指令的即时响应，从而导致喷墨印刷过程的实时性、流畅性和效率；

3、（2）喷墨印刷需要数据传输速率尽可能地高，尤其是在高分辨率打印的时候，需要快速传输大量数据，以避免打印过程中出现卡顿和延误；然而，现有的以太网虽然具备高带宽，但是在实际应用中由于竞争访问和网络拥塞，导致无法稳定提供所需的带宽，致使在高负载情况下，无法确保稳定的高带宽传输，以满足高分辨率图像数据的实时传输需求，且会因为数据拥塞导致打印延误，以至于影响喷墨印刷的实时性和可靠性；

4、（3）喷墨印刷在数据传输时需要确保高可靠性，从而避免数据丢失或错误，这对于喷墨印刷至关重要；然而，现有的以太网对于数据流的管理不够精细，难以区分不同数据流的优先级和服务质量需求，因此，在网络拥塞时，所有数据流会被视为同等重要，需要平等竞争带宽资源，这会导致关键数据流遭遇延迟和丢包，致使关键数据的服务质量降低；此外，在传输实时数据和尽力而为数据的场景中表现不佳，以至于无法保证实时数据流的传输实现，影响喷墨印刷的打印质量、性能和可靠性；

5、（4）喷墨印刷需要利用时间同步功能，支持多台设备/多个电子控制单元同时连接和通信，以便于实现网络的灵活拓展和管理；然而，以太网中缺少精确的时间同步功能，无法提供对多任务的时间同步支持，容易导致喷墨印刷系统任务执行偏差和不确定性。

6、综上，现有的以太网技术在对高精度、低延迟需求的喷墨印刷应用进行数据传输时，由于采用随机竞争机制，致使无法确保数据传输的延迟尽可能低；由于竞争访问和网络拥塞，无法确保数据传输速率尽可能地高；由于缺乏对不同数据流的有效管理，无法确保数据传输的高可靠性；由于缺少精确的时间同步功能，无法提供多任务的时间同步支持，导致影响喷墨印刷打印的质量、性能、实时性、可靠性和效率，导致难以满足喷墨印刷等工业应用中对数据传输的实时性、高带宽、可靠性方面的严苛要求。

技术实现思路

1、为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中采用随机竞争机制，致使无法确保数据传输的延迟尽可能低；竞争访问和网络拥塞，无法确保数据传输速率尽可能地高；缺乏对不同数据流的有效管理，无法确保数据传输的高可靠性；缺少精确的时间同步功能，无法提供多任务的时间同步支持，导致影响喷墨印刷打印的质量、性能、实时性、可靠性和效率的问题。

2、为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于时间敏感网络的喷墨印刷数据传输系统，包括：

3、时间敏感网络交换机，与上位机通信连接；用于接收上位机发送的流量数据帧；其中，所述流量数据帧包括控制数据帧和短幅打印喷头图像数据帧；

4、时间敏感网络网关，与时间敏感网络交换机、多个电子控制单元通信连接；其中，所述多个电子控制单元包括多个控制节点和一个短幅打印喷头节点，流量数据帧中流量数据的类型与电子控制单元的数量相同，每个电子控制单元接收其对应类型的流量数据；

5、数据接收模块，用于接收时间敏感网络交换机传输的流量数据帧，并将流量数据帧解析成流量数据集；

6、流量调度模块，用于利用多目标优化算法，求解构建的时间敏感网络网关数学模型，对流量数据集中各种流量数据进行优化调度，确定各个电子控制单元接收的流量数据的数量；根据预设的各类流量数据的优先级，以及先进先出原则，确定预设传输时间窗口内所有流量数据的传输顺序；

7、其中，所述时间敏感网络网关数学模型包括：

8、以各个电子控制单元接收的流量数据的总数量与所有单元平均流量的差值之和最小为流量分配均衡性优化目标；

9、以各个电子控制单元接收的流量数据的优先级之和最小为系统流量优先分配优化目标；

10、基于流量分配均衡性优化目标和系统流量优先分配优化目标，以每个电子控制单元接收的流量数据的总大小为约束，构建时间敏感网络网关数学模型；

11、数据传输模块，用于将流量数据集中各种控制数据聚合成多个can帧，并按照传输顺序将多个can帧分发至其对应的控制节点；将流量数据集中各个短幅打印喷头图像数据按照传输顺序发送至短幅打印喷头节点。

12、优选地，所述以各个电子控制单元接收的流量数据的总数量与所有单元平均流量的差值之和最小为流量分配均衡性优化目标,其表达式为：

13、；

14、其中，表示流量分配均衡性优化目标；表示电子控制单元的数量，基于每个电子控制单元接收其对应类型的流量数据，亦表征为流量数据的类型种数；表示电子控制单元的索引，亦表征为流量数据的类型索引，；表示第个电子控制单元接收到的流量数据的数量；表示第类流量数据的权重；表示所有单元平均流量，其表达式为：。

15、优选地，所述以各个电子控制单元接收的流量数据的优先级之和最小为系统流量优先分配优化目标，其表达式为：

16、；

17、其中，表示系统流量优先分配优化目标；表示电子控制单元的数量，基于每个电子控制单元接收其对应类型的流量数据，亦表征为流量数据的类型；表示电子控制单元的索引，亦表征为流量数据的类型索引，；表示第个电子控制单元接收到的流量数据的数量；表示第个电子控制单元接收流量数据的顺序权重；表示第类流量数据的归一化向量。

18、优选地，所述构建时间敏感网络网关数学模型包括：

19、；

20、；

21、其中，表示流量分配均衡性优化目标；表示系统流量优先分配优化目标；表示所有单元平均流量；表示电子控制单元的数量，基于每个电子控制单元接收其对应类型的流量数据，亦表征为流量数据的类型种数；表示电子控制单元的索引，亦表征为流量数据的类型索引，；表示第个电子控制单元接收到的流量数据的数量；表示第类流量数据的权重；表示第个电子控制单元接收流量数据的顺序权重；表示第类流量数据的归一化向量；表示第类流量数据的大小；表示预设传输时间窗口内的允许流量的最大值。

22、优选地，所述控制节点包括：温控传感器、传送带编码、uv灯控和压力传感器。

23、本发明还提供了一种基于时间敏感网络的喷墨印刷系统，包括：

24、上位机，作为控制单元，用于发送流量数据帧；

25、时间敏感网络主交换机，与上位机通信连接，用于接收上位机发送的流量数据帧和宽幅打印喷头图像数据帧，并将流量数据帧和宽幅打印喷头图像数据帧传输至其对应的时间敏感网络副交换机中；

26、多组喷墨印刷子设备，每组喷墨印刷子设备均包括：

27、时间敏感网络副交换机，与时间敏感网络主交换机通信连接；用于接收时间敏感网络主交换机传输的流量数据帧和宽幅打印喷头图像数据帧；

28、时间敏感网络网关，与时间敏感网络副交换机、多个电子控制单元通信相连；用于利用数据接收模块，接收时间敏感网络副交换机传输的流量数据帧；利用流量调度模块，确定预设传输时间窗口内所有流量数据的传输顺序；利用数据传输模块，将流量数据集中各类控制数据聚合成多个can帧，并按照传输顺序将多个can帧分发至其对应的控制节点；将流量数据集中各个短幅打印喷头图像数据按照传输顺序发送至短幅打印喷头节点；

29、多个电子控制单元，包含多个控制节点和一个短幅打印喷头节点；每个控制节点用于接收其对应的多个can帧，并执行每一can帧对应的控制任务；短幅打印喷头节点接收各个短幅打印喷头图像数据，并进行短幅打印；

30、数据解析模块，与时间敏感网络副交换机相连、宽幅打印喷头模组通信相连；用于接收时间敏感网络副交换机传输的宽幅打印喷头图像数据帧，并将宽幅打印喷头图像数据帧解析成宽幅打印喷头图像数据集；将宽幅打印喷头图像数据集中裁剪后的各个宽幅打印喷头图像发送至宽幅打印喷头模组中；

31、宽幅打印喷头模组，用于接收裁剪后的各个宽幅打印喷头图像，并进行宽幅打印。

32、优选地，还包括：

33、任务监测主模块，与第一喷墨印刷子设备的时间敏感网络网关相连；用于负责对第一喷墨印刷子设备中的各个电子控制单元进行故障监测，接收其他喷墨印刷子设备中的故障信息，将所有故障信息上传至第一喷墨印刷子设备的时间敏感网络网关，再经第一喷墨印刷子设备的时间敏感网络网关、时间敏感网络副交换机和时间敏感网络主交换机，上报至上位机；

34、多个任务监测从模块，每个任务监测从模块与其对应喷墨印刷子设备的时间敏感网络网关、与任务监测主模块相连；用于负责对其对应喷墨印刷子设备中的各个电子控制单元进行故障监测，并将故障信息传输至任务监测主模块中。

35、优选地，每组喷墨印刷子设备还包括：

36、红外传感器，与时间敏感网络网关通信相连；用于检测打印纸张位置，感应纸张进入喷墨印刷子设备，从而控制喷墨印刷子设备工作。

37、本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下有益效果：

38、（1）本发明所述的一种基于tsn的喷墨印刷数据传输系统，利用时间敏感网络（tsn）中的时间敏感流的时间调度技术，可以允许在单位时间内为高优先级数据流独占带宽以确保实时传输中的稳定性；利用时间敏感网络中的流量过滤和流量整形技术，可以设置不同优先级的数据流的传输规则和带宽限制，优化数据流的处理顺序；因此，在时间敏感网络中可以实现优先级调度和流量整形，有效减少了数据在传输过程中的延迟，从而确保实时控制数据和图像数据能够及时到达，提升喷墨印刷数据传输过程的响应速度，保证喷墨印刷系统的实时性；

39、（2）本发明所述的一种基于tsn的喷墨印刷数据传输系统，基于时间敏感网络中时间感知流量整形机制，优化了带宽分配策略，即通过时间敏感网络交换机，控制数据流的发送速率，避免网络拥堵，并且可以根据不同数据流的优先级对数据帧进行分类，让重要的数据流优先发送，确保关键数据的传输不受影响，使得高带宽需求的数据流，例如高分辨率图像数据，能够得到优先保障，确保所有任务同时进行时，喷墨印刷系统能够稳定运行，提升喷墨印刷系统的可靠性、打印质量和效率；

40、（3）本发明所述的一种基于tsn的喷墨印刷数据传输系统，在时间敏感网络网关中构建了时间敏感网络网关数学模型，并利用多目标优化算法，求解出各个电子控制单元接收的流量数据的数量后，再根据预设的各种流量数据的优先级，以及先进先出原则，确定各种流量数据的传输顺序；含有时间敏感网络网关数学模型的时间敏感网络网关能够智能识别并管理不同类型的数据流，依据其优先级和服务质量需求进行动态调整，保证实时数据流的传输时限，确保关键任务获取足够的网络资源，从而提升喷墨印刷系统的性能和可靠性；

41、（4）本发明所述的一种基于tsn的喷墨印刷数据传输系统，利用时间敏感网络中的时钟同步功能，确保喷墨印刷系统中各个电子控制单元在数据传输过程中的全局时间保持一致，进而实现更高精度的数据处理与任务协同，从而保证喷墨印刷系统数据传输任务执行的确定性。