基于CAN總線控制器SJA1000的自動絡筒機通信系統(tǒng)方案

1、 引言

隨著紡織工業(yè)技術進步,紡織機械日益趨向成套化、自動化和系統(tǒng)化。自動絡筒機是紡織工業(yè)上檔次的關鍵設備,起著承上啟下、改善紗線性能的重要作用,它是紡部的整理設備和織部的準備設備,機電氣一體化,自動化程度高,速度快,生產效率高。自動絡筒機是一種具有高速、高產、高效、高質和高自動化功能，并綜合了最新機械、電子、材料、儀表及計算機信息處理和控制等技術的機電一體化產品。自動絡筒機的出現(xiàn)，從根本上改變了普通絡筒機的面貌，其生產的筒子卷裝大，絡紗速度高，對紗線的絡紗全過程自動化控制程度和勞動生產率高，從而成為機械、電子、氣動、儀表和計算機信息處理相結合的高新技術產品。自動絡筒機是科技含量最高的紡織機械設備，有“紡織機械皇冠上的明珠”之稱。

CAN總線是一種有效支持分布式控制系統(tǒng)或實時控制的串行通信網絡，是一個多主總線，總線上的各個節(jié)點都有權隨時向其他節(jié)點發(fā)送信息，總線沖突時通過總線仲裁機制來決定占用總線的節(jié)點。CAN能夠使用多種物理介質傳播，例如雙絞線、同軸電纜、光纖等。最常用的就是雙絞線。CAN總線描述的是 ISO/OSI七層協(xié)議中的第一層和第二層的高速協(xié)議。目前，CAN 總線的規(guī)范常見的是2.0A和2.0B版本。本自動絡筒機通信統(tǒng)中采用的是2.0B擴展幀，29位標志符。

CAN中的信號包括幀起始、仲裁場、控制場、數據場、CRC 場、應答場、幀結尾等部分。報文傳輸由數據幀、遠程幀、錯誤幀、過載幀、表示和控制。數據幀/遠程幀通過幀間空間相分隔。信號使用差分電壓傳送，兩條信號線被稱為“CAN_H”和“CAN_L”，靜態(tài)時均是2.5V左右，此時狀態(tài)表示為邏輯“1”，也可以叫做“隱性”。用CAN_H比CAN_L高表示邏輯 “0”，稱為“顯性”，此時，通常電壓值為：CAN_H = 3.5V 和CAN_L = 1.5V 。

2、基于SJA1000的自絡筒通信系統(tǒng)設計

2.1、SJA1000簡介

SJA1000是Philips公司生產的獨立CAN 總線控制器,它是早期的PCA82C200 的替代產品。它與 PCA82C200在管腳、電氣特性上完全兼容,不僅有 和PCA82C200一樣的基本CAN (BasicCAN)工作模式,而且新增加了增強CAN ( PeliCAN)工作模式,這種模式支持具有很多新特性的CAN2. 0B 協(xié)議。SJA1000是一種應用于汽車和一般工業(yè)環(huán)境的獨立CAN總線控制器，經過簡單總線連接可完成CAN總線的物理層和數據鏈路層的所有功能。其硬件與軟件設計和PCA82C200的基本CAN模式BasicCAN兼容。同時，新增加的增強CAN模式PeliCAN還可支持CAN2.0B協(xié)議。SJA1000的主要特性如下 ：1、管腳及電氣特性與獨立CAN總線控制器PCA82C200兼容 ;2、軟件與PCA82C200兼容(缺省為基本CAN模式);3、擴展接收緩沖器(64字節(jié)FIFO);4、支持CAN2.0B時支持11和29位標識符;5、位通訊速率為1Mbits/s;6、增強CAN模式(PeliCAN);7、采用24MHz時鐘頻率;8、支持多種微處理器接口;9、可編程 CAN輸出驅動配置;10、工作溫度范圍為-40~+125℃。

2.2、CAN通信系統(tǒng)中硬件設計

CAN控制模塊主要由接口管理邏輯、發(fā)送緩沖器、接收緩沖器(RXFIFO)、接收過濾器、位流處理器 (BSP)、位時序邏輯 (BTL)和錯誤管理邏輯(EML)組成。

本項目中自動絡筒機控制系統(tǒng)中共有60個單錠，通過上位機來對各個單錠進行控制。

根據自動絡筒機通信系統(tǒng)的功能及要求，選SJA1000作為CAN控制器，并且使用了CAN控制器接口芯片PCA82C250，PCA82C250是 CAN協(xié)議控制器和物理總線之間的接口。此器件對總線提供差動發(fā)送能力，對CAN控制器提供差動接收能力。整個系統(tǒng)以Atmel AVR單片機Mega64L。ATMEL公司的AVR單片機，是增強型RISC內載Flash的單片機，芯片上的Flash存儲器附在用戶的產品中，可隨時編程，再編程，使用戶的產品設計容易，更新?lián)Q代方便。AVR單片機采用增強的RISC結構 ，使其具有高速處理能力，在一個時鐘周期內可執(zhí)行復雜的指令。本系統(tǒng)采用的AVR mega64L還具有：用32個通用工作寄存器代替累加器，從而可以避免傳統(tǒng)的累加器和存儲器之間的數據傳送造成的瓶頸現(xiàn)象;一個時鐘周期執(zhí)行一條指令;可直接訪問8M字節(jié)程序存儲器和8M字節(jié)數據存儲器寄存器等特點。因此，采用ATMEL公司生產的AVR位單片機Mega64L機作為控制系統(tǒng)的主控制器是十分理想的選擇。SJA1000在自絡筒通信系統(tǒng)中單錠的硬件配置與CAN總線接口的電路如圖 2示。硬件電路中使用 PCA82C250的目的是為了增大通信距離，提高系統(tǒng)的瞬間抗干擾能力，保護總線，降低射頻干擾，實現(xiàn)熱防護等。

SJA1000在電路中是一個總線接口芯片，實現(xiàn)從上位機PC-CAN接口到現(xiàn)場微處理器之間的數據通信。對于微處理器而言，SJA1000是一個總線接口，SJA1000片內的存儲單元相對Mega64L來說是片外的數據存儲器，因此，可以按照擴展片外數據存儲器的形式來訪問SJA1000的寄存器地址。Mega64L是CAN控制器的微處理器，把Mega64L的ALE、RD、WR和 SJA1000的ALE、RD、WR相連就構成一個最小系統(tǒng)節(jié)點。Mega64L通過地址總線經GAL譯碼來選通 SJA1000，并由此決定CAN控制器各寄存器的地址，通過讀、寫外部數據存儲器的形式來訪問 SJA1000。在系統(tǒng)中我們將SJA1000的TX1腳懸空，RX1引腳接地，形成CAN協(xié)議所要求的電平邏輯。該電路的主要功能就是通過CAN總線接收來自上位機的數據進行分析組態(tài)，然后下傳給下位機的控制電路實現(xiàn)控制功能，當智能控制系統(tǒng)接收到下位機的上傳數據，SJA1000的中斷輸出INT腳就會被激活，出現(xiàn)一個由高電平到低電平的躍變，產生一個中斷，從而引發(fā)微處理器Mega64L產生中斷，通過中斷處理程序接收每一幀信息并通過CAN總線上傳給上位機進行分析，以便及時糾正誤碼、錯碼。

在進行電路設計時需注意：為進一步提高系統(tǒng)抗干擾能力，在CAN控制器SJA1000和CAN控制器接口PCA82C250之間加接6N137光電隔離芯片，并采用DC-DC變換器隔離電源;通信信號傳輸到導線的端點時會發(fā)生反射，反射信號會干擾正常信號的傳輸，因而總線兩端兩個124歐姆電阻對匹配總線阻抗起著相當重要的作用，忽略掉它們，會使數據通信的抗干擾性和可靠性大大降低，甚至無法通信;PCA82C250第8腳與地之間的電阻RS稱為斜率電阻，它的取值決定了系統(tǒng)處于高速工作方式還是斜率控制方式。把該引腳直接與地相連，系統(tǒng)將處于高速工作方式。在這種方式下，為避免射頻干擾，建議使用屏蔽電纜作總線;而在波特率較低、總線較短時，一般采用斜率控制方式，上升和下降的斜率取決于RS的阻值。[!--empirenews.page--]

2.3、系統(tǒng)軟件設計

本項目通信系統(tǒng)中軟件設計包括兩部分：上位機和下位機。上位機主要通過人機交互向CAN總線發(fā)送信號給各單錠，下位機軟件主要是Mega64L接收CAN總線信息后，完成控制單錠相應動作的任務，比如張力盤增加或是減少張力等等事件。這里主要介紹單錠中各CAN的軟件實現(xiàn)。

系統(tǒng)上電初始化：系統(tǒng)軟件設計的指導思想是系統(tǒng)上電后首先對Mega64L和SJA1000進行初始化，以確定工作主頻、波特率、輸出特性等，然后通過查詢方式獲取模數轉換采樣值，并把該值通過SJA1000傳送到CAN總線上由上位機進行顯示控制，CAN發(fā)送通過中斷方式向總線發(fā)送信息，而對CAN總線上來的信息也采用中斷方式，系統(tǒng)每接收到一幀信息，便產生一次中斷以觸發(fā)微處理器進入中斷，在中斷服務程序中讀取該幀信息并傳送到現(xiàn)場。為防止出現(xiàn)死機和干擾，程序中還采用看門狗技術進行定時監(jiān)控。

對CAN控制器進行初始化，實際上就是對ACR(驗收碼寄存器)、AMR(驗收屏蔽寄存器)、BTR0(總線定時寄存器0)、BTR1(總線定時寄存器 1)、OCR(輸出控制寄存器)這些寄存器進行相關操作。只有當控制寄存器CR中的復位請求位為高時，訪問才被允許，否則既寫不進去，也讀不出正確的內容。對CR進行第一次寫操作，要設定將要開放的中斷類型，并置位復位請求，允許初始化開始。對ACR、AMR進行寫操作，要界定對什么樣的報文予以接收，因此有時稱它們?yōu)轵炇掌帘螢V波器。當滿足條件：“ACR與報文標識符的高 8位在AMR為‘0’相關位上對應相等”或 “AMR=0FFH，即ACR的所有位均為不相關(或屏蔽)位”，并存在空的收發(fā)緩存器時，完整報文可被正確收發(fā)。

發(fā)送報文：當等待發(fā)送的報文成功發(fā)送或被放棄之后，發(fā)送緩沖區(qū)被釋放并產生一個發(fā)送中斷。在中斷處理中，必須檢查狀態(tài)寄存器的發(fā)送完成標志(TCS) ,以確定之前的發(fā)送是否成功。未成功表示發(fā)送被放棄，在這種情況下CPU對放棄的發(fā)送執(zhí)行一個特殊的處理，例如重復發(fā)送被放棄的報文。中斷發(fā)送報文流程圖如圖3。

接收報文：對于給出的控制器，主要流程在中斷控制的報文接收之前必須使能CAN控制器的接收終端和CPU的全局中斷。接收中斷使能標志(RIE)位于中斷使能寄存器中。

如果CPU已經接收到一個報文，該報文通過驗收濾波器并放入接收FIFO，則產生一個接收中斷。這樣 CPU能夠立即響應，將這個接收到的報文送到自身的報文存儲器，并置位命令寄存器的釋放緩沖標志RRB。接收緩沖器中其他的報文將引起新的中斷，所以沒有必要在一次中斷過程中把接收緩沖器FIFO中的所有有效報文讀取出來。不過，在接收中斷過程結束時，CPU 可以通過讀接收緩沖期狀態(tài)標志(RBS)來檢查是否還有其他報文存在。這一點在使用接收級中斷(Receive Level Interrupt)時通常是有用的。

3、總結

目前，自動絡筒機中大量地應用先進電子技術、自動控制技術等，對其通信控制系統(tǒng)也提出了更高的要求。CAN總線技術及其高性能、高可靠性及其獨特的設計，已成為現(xiàn)場總線家族中最有希望的總線技術之一。本系統(tǒng)中將高可靠性的CAN-bus和性價比高、處理能力強大的AVR有機結合，使自動絡筒機通信系統(tǒng)在傳輸速度、實時性、差錯率控制、可靠性上都有很好的效果。

本文作者創(chuàng)新點：CAN總線以其卓越的特性、極高的可靠性和獨特的設計，在工業(yè)過程監(jiān)控設備的互聯(lián)方面得到廣泛的應用，受到工業(yè)界的廣泛重視，并被公認為是最有前途的現(xiàn)場總線之一。作為通用、有效、可靠及經濟的平臺，CA N總線也已經廣泛地受到了歡迎。本文所設計的基于Atmel ARV系列增強型單片機Meag64L和SJA1000控制器為核的CAN總線已經投入使用，具有簡單、靈活、使用方便等特點。