基于CAN總線接口和模塊控制器實現(xiàn)組合機床電控通信系統(tǒng)的設計

一、引言

現(xiàn)代組合機床裝備了大量的電子設備來滿足加工精度、加工速度等要求，如果采用常規(guī)的點到點方式，直接把12V/24V電源連到負載設備上（如電機、液壓泵等），用開關使電路閉合，勢必造成導線數(shù)量不斷增加，而有限的布線空間則在相對減少。此外，這些電控單元還要進行復雜的控制決策運算，包括從周邊設備收集信息，發(fā)出控制命令，再根據(jù)反饋的信息做下一步的決策等。這一過程需要不同的電控單元之間進行通信，彼此影響。這些是不能通過簡單的連接所能實現(xiàn)的。

有多種信息傳輸手段可以實現(xiàn)不同的電控單元之間的通信，如常用的RS-232、RS-485和CAN。RS-232雖然應用廣泛，但是傳輸速率較低，傳輸距離較短，抗干擾能力較差，而且最重要的是它只適合點對點的連接方式；RS-485也是一個常用的通信規(guī)范，它可以實現(xiàn)半雙工的總線型的網(wǎng)絡，總線上允許連接多收發(fā)器，即具有多站能力；而CAN（控制器局域網(wǎng)）具有現(xiàn)場總線的特征，與RS-485相比，CAN的信號形式更適合于熱插拔，而且它的網(wǎng)絡層協(xié)議在滿足模塊間通信高實時性要求的同時，與定時觸發(fā)的TIP相比更適合不定時傳送信息的要求。CAN繼承了集散控制系統(tǒng)（DCS）的優(yōu)點，可以更方便地構建模塊間通信網(wǎng)絡。

本文介紹利用CAN總線，實現(xiàn)組合機床電控系統(tǒng)間通信的系統(tǒng)設計與應用，給出模塊控制器以及監(jiān)控PC機的CAN總線接口的硬件設計，和應用層協(xié)議軟件的設計思路。

二、系統(tǒng)的描述

系統(tǒng)的組成及網(wǎng)絡結構

系統(tǒng)的組成如圖1所示，系統(tǒng)由監(jiān)控主機、并聯(lián)組合機床電控的數(shù)據(jù)采集模塊和CAN總線組成。

本文研究的組合機床采用了上述CAN總線接口的微處理器系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集和加工過程控制兩部分，前者由掛接在CAN總線上的數(shù)據(jù)采集單元完成，主要是從總線上收集有關組合機床的運行數(shù)據(jù)（由組合機床上的控制單元提供），進行一些基本的數(shù)據(jù)處理和診斷，如有關傳感器、執(zhí)行器是否失效，然后將有關數(shù)據(jù)和加工狀況存儲在擴展的EPROM中，在適當時刻將存儲的數(shù)據(jù)通過RS232總線上傳到監(jiān)控主機（PC）進行分析。實際上可以直接把PC機掛接在CAN總線上。加工過程控制運行在PC機上，主要是處理由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)發(fā)送的數(shù)據(jù)，如動力頭轉速、進給量、切削深度等。這種分層處理的好處在于可以更好地利用PC數(shù)據(jù)處理能力以及已有的一些控制軟件資源，并且可以脫機處理。

監(jiān)控主機通過CAN總線從各模塊獲取現(xiàn)場控制數(shù)據(jù)，監(jiān)控整個系統(tǒng)的工作狀態(tài)，控制各模塊的投入和退出，完成人機對話，響應近端和遠端的操作。

各個組合機床電控單元間以及模塊與監(jiān)控主機之間通過CAN連接通信，通信網(wǎng)絡拓撲結構采用總線式結構。

這種結構的特點是多個節(jié)點共用一條傳輸線，結構簡單、成本低；采用無源抽頭連接，可靠性高。信息的傳輸采用CAN通信協(xié)議，線路利用率高。傳輸介質(zhì)為雙絞線，如需進一步提高抗干擾能力，還可在控制器和傳輸介質(zhì)之間加接光電隔離。［page］

硬件介紹

硬件包括TMS320LF2407A與CAN總線的接口、監(jiān)控機與CAN的接口。其中LF2407A與CAN總線的接口如圖2所示。

由于LF2407A內(nèi)嵌CAN控制器，因此它的CAN總線接口只需一個完成電平轉換和線路驅(qū)動的驅(qū)動器PCA82C250T。PCA82C250T是CAN協(xié)議控制器和物理總線的接口，對總線提供差動發(fā)送能力，對CAN控制器提供差動接收能力，完全符合“ISO11898”標準。在CAN總線的網(wǎng)絡終端，總線上需加一個120Ω的匹配電阻。

監(jiān)控機使用了工業(yè)控制用PC機，與CAN的接口用一塊CAN總線通信接口適配卡實現(xiàn)，適配卡插在PC機的擴展槽內(nèi)。

LF2407A的CAN控制器

LF2407A的CAN控制器是一個16位的外設模塊，可以通過設置或讀取內(nèi)部寄存器來訪問CAN控制器。LF2407A的CAN控制器由可編程位定時器和6個郵箱組成。郵箱方式是CAN控制器的特點，郵箱是一個48×16位的RAM空間，此空間分為6個郵箱，每個郵箱由郵箱標識寄存器、郵箱控制寄存器及4×16位的存儲空間組成，其中郵箱0和郵箱1是接收郵箱，郵箱4和郵箱5是發(fā)送郵箱，而郵箱2和郵箱3則可隨意配置成發(fā)送或接收郵箱。CPU以統(tǒng)一的內(nèi)存編址來訪問這些郵箱寄存器。

LF2407A的CAN控制器支持CAN2.0協(xié)議，有自動重發(fā)功能，支持數(shù)據(jù)幀和遠程幀，數(shù)據(jù)收發(fā)采用郵箱方式，可工作在標準模式和擴展模式，有可編程位定時器，可編程實現(xiàn)總線喚醒功能，可對中斷配置編程。TMS320LF2407A芯片的這些特點方便了系統(tǒng)功能的實現(xiàn)。

三、CAN網(wǎng)絡發(fā)送周期

CAN網(wǎng)絡發(fā)送周期如圖3所示。該圖為在其他站處于等待狀態(tài)時，一次成功發(fā)送周期的時序圖，成功發(fā)送周期=傳輸時延+傳輸時間。

由于CAN網(wǎng)絡的信息傳遞是基于ID優(yōu)先權的競爭機制仲裁。當t時刻發(fā)生在A節(jié)點仲裁場結束之前，即有不少于兩個站同時發(fā)送時，需根據(jù)優(yōu)先權的比較結果，決定發(fā)送站的成功發(fā)送周期時序。這里的“同時”可定義為，“當節(jié)點A發(fā)送信息時，另一個節(jié)點B在t時刻發(fā)送信息，若t時刻發(fā)生在A節(jié)點仲裁場結束之前，則稱A節(jié)點和B節(jié)點為同時發(fā)送信息”。在仲裁場結束之后，信息的成功發(fā)送周期由優(yōu)先權的比較結果決定。此時，優(yōu)先權高的占據(jù)總線，信息得以成功發(fā)送，優(yōu)先權低的發(fā)送失敗，等待下一次發(fā)送。此時若A的優(yōu)先權高于B的優(yōu)先權，成功發(fā)送周期不變。否則，則成功發(fā)送節(jié)點為B節(jié)點，成功發(fā)送周期為B節(jié)點的發(fā)送時間加上兩節(jié)點同時發(fā)送進行優(yōu)先權比較時A節(jié)點的仲裁場時間，即成功發(fā)送周期=傳輸時間+2×最大傳輸時延+仲裁場時間若t時刻發(fā)送在A節(jié)點仲裁場結束之后，則B節(jié)點等待下一次發(fā)送，成功發(fā)送周期不變。

四、CAN控制器的編程

包過濾功能的編程

CAN結點對數(shù)據(jù)包的選擇接收是通過接收包過濾功能來實現(xiàn)的。在數(shù)據(jù)鏈路層LLC（邏輯鏈路控制）子層實現(xiàn)數(shù)據(jù)包過濾。只有符合一定條件的數(shù)據(jù)包才會被該節(jié)點接收，其他數(shù)據(jù)包在底層即被丟棄。因此只要在發(fā)送節(jié)點為數(shù)據(jù)包設置正確的標示符，即可將其發(fā)送到指定的一個或多個節(jié)點。利用CAN總線端口驗收碼AC，驗收屏蔽碼AM，報文標識符ID的關系，即可實現(xiàn)上述目的。設目的CAN端口驗收碼、驗收屏蔽碼分別為AC、AM，則源CAN端口報文標識符ID設置應滿足如下條件，（ID.10～ID.3）或（AC.7～AC.0））或（AM.7～AM.0）=11111111B。應用中可以靈活設置CAN節(jié)點的驗收碼和驗收屏蔽碼，達到點對點，一點對多點，以及多主機的工作方式。

波特率設置的編程

CAN總線的傳輸速率與兩個節(jié)點之間最大距離有關，如表1所示。表中還同時給出了LF2407A的可編程位定時器的數(shù)值。這些值還與LF2407A的主時鐘頻率有關，表中的數(shù)值是在主時鐘頻率為16MHz下得到的，一般地可以按下面的公式計算位速率。

波特率=ICLK/［（BRP+1）+BitTIme》

其中ICLK為DSP的系統(tǒng)頻率，BRP由總線時序寄存器0（BTR0）決定。

BitTIme=（TSEG1+1）+（TSEG2）+1

其中TSEG1和TSEG2由總線時序寄存器1（BTR1）決定。

幀結構設計

按照CAN2.0規(guī)范，CAN總線上傳送的報文由3～11個字節(jié)組成，其中包含3個字節(jié)的控制字節(jié)和0～8個數(shù)據(jù)字節(jié)。

其中，方向位決定一半的優(yōu)先級，而剩余的優(yōu)先級由節(jié)點地址決定，低地址優(yōu)先級為高。當方向位為“1”時，地址域是源節(jié)點地址（從節(jié)點到主節(jié)點），優(yōu)先級由地址決定；當方向位為“0”時，地址域是目標節(jié)點地址（主節(jié)點到從節(jié)點），優(yōu)先級由地址決定。類型的三個比特可以有多個取值，10×為單幀（廣播），111為非結束多幀（廣播），110為結束多幀（廣播），00×為單幀（點對點），011為非結束多幀（點對點），010為結束多幀（點對點）。每幀字節(jié)數(shù)用五個比特表示。忙信號位表示主節(jié)點正在與某一從節(jié)點通信，如果有另外從節(jié)點提出與主節(jié)點通信的要求時，主節(jié)點就向此從節(jié)點發(fā)出忙反饋信號，通知此節(jié)點稍后再與主節(jié)點通信，否則，從節(jié)點會連續(xù)向主節(jié)點提出通信請求，如果一直未收到任何響應，此節(jié)點會發(fā)出報警信息，從而會造成通信系統(tǒng)的誤操作?？刂泼畋硎驹搸鶄魉拖⒌木唧w意義，可對各個消息（如測量、調(diào)整、控制等）編碼，實現(xiàn)模塊間的信息交換以及對外界的安全保密。

五、系統(tǒng)的軟件

主控節(jié)點的確認

為了使連接在一起的組合機床電控單元模塊能夠協(xié)調(diào)工作，在所有入網(wǎng)的模塊中動態(tài)地確立一個主模塊。所有非主模塊的數(shù)據(jù)基準取自主模塊。為了適應模塊熱插拔的要求，并避免主模塊故障導致系統(tǒng)的工作失常，主模塊是動態(tài)確立的。每隔一定的時間間隔，各個模塊都要廣播一個“爭主”請求，如果有已經(jīng)確立的主模塊，則主模塊廣播一個“反對”應答，禁止其他模塊成為主模塊；如果尚未確立主模塊、或者已經(jīng)確立的主模塊因故障而不能發(fā)出“反對”應答，則發(fā)出“爭主”請求的模塊就可以成為新的主模塊。利用多主競爭的原則，在某一主機失效的情況下，由其他從機競爭成為主模塊，代替原有主機的地位，這樣的機制可以保證整個系統(tǒng)不會因為一臺通信主節(jié)點的癱瘓造成整個組合機床電控單元間通信系統(tǒng)的癱瘓。

監(jiān)控主機的軟件

用一臺工控機作為監(jiān)控機，通過適配卡與CAN連接。在監(jiān)控機上用VB6.0編寫監(jiān)控的操作軟件，并且把監(jiān)控機作為局域網(wǎng)上的一臺操作服務器，用戶通過它可以對各個模塊進行操作。

六、結束語

本文介紹了TI公司TMS320LF2407A芯片中內(nèi)嵌CAN控制器的特點，并在其基礎上把CAN總線技術應用在組合機床電控數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)中，該系統(tǒng)主要采用了高性能的DSP芯片和適配卡，通過靈活的通信協(xié)議和接口的設計，使系統(tǒng)滿足CAN總線短突發(fā)、高實時性、高數(shù)據(jù)率的要求。此系統(tǒng)還可以應用到其他工業(yè)控制領域，具有廣泛的應用前景。