基于DeviceNet協(xié)議的伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)

隨著電力電子技術(shù)、控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，伺服系統(tǒng)也獲得了前所未有的發(fā)展機(jī)遇。伺服系統(tǒng)滲透在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的各個(gè)領(lǐng)域，如數(shù)控機(jī)床，激光加工，機(jī)器人，大規(guī)模集成電路制造，辦公自動(dòng)化設(shè)備以及軍用武器隨動(dòng)系統(tǒng)等等。伺服技術(shù)本身的發(fā)展趨勢(shì)是開放化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化伺服系統(tǒng)。

DeviceNet作為基于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)開放網(wǎng)絡(luò),為簡(jiǎn)單的底層工業(yè)裝置和高層如計(jì)算機(jī)、PLC等設(shè)備之間提供連接。DeviceNet應(yīng)用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的控制局域網(wǎng)（CAN）協(xié)議,具有公開的技術(shù)規(guī)范和價(jià)廉的通信部件,使得其具有比其他現(xiàn)場(chǎng)總線低得多的開發(fā)費(fèi)用。設(shè)備網(wǎng)采用總線供電方式,提供本質(zhì)安全技術(shù),廣泛適用于各種高可靠性應(yīng)用場(chǎng)合。

本文主要研究基于DeviceNet的伺服系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)。通過(guò)CAN總線、單片機(jī)和高性能電機(jī)控制器ADMC401進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸與控制，使伺服電機(jī)的性能更加穩(wěn)定,能更好更靈活地地應(yīng)用于數(shù)控系統(tǒng)中。

CAN總線和DeviceNet協(xié)議的實(shí)現(xiàn)

CAN總線協(xié)議及特點(diǎn)

控制器局域網(wǎng)CAN為串行通信協(xié)議，能有效地支持具有很高安全等級(jí)的分布實(shí)時(shí)控制。CAN的應(yīng)用范圍很廣，從高速的網(wǎng)絡(luò)到低價(jià)位的多路配線都可以使用CAN。在汽車電子行業(yè)中，使用CAN連接發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元、傳感器、防滑系統(tǒng)等，其傳輸速度可達(dá)1Mbps。同時(shí)，可以將CAN安裝在卡車本體的電子控制系統(tǒng)里，諸如車燈組、電氣車窗等，用以代替接線配線裝置。由于采用了許多新技術(shù)及獨(dú)特的設(shè)計(jì)，CAN總線與一般的通信總線相比，它的數(shù)據(jù)通信具有突出的可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性。其特點(diǎn)概括如下[1]:

lCAN為多主方式工作，網(wǎng)絡(luò)上任一節(jié)點(diǎn)可在任意時(shí)刻主動(dòng)地向網(wǎng)絡(luò)上其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，而不分主從;

l在報(bào)文標(biāo)識(shí)符上，CAN上的節(jié)點(diǎn)分成不同的優(yōu)先級(jí)，可滿足不同的實(shí)時(shí)要求，優(yōu)先級(jí)高的數(shù)據(jù)最快可在134us內(nèi)得到傳輸;

lCAN采用非破壞總線仲裁技術(shù)。當(dāng)多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)向總線發(fā)出信息出現(xiàn)沖突時(shí)，優(yōu)先級(jí)較低的節(jié)點(diǎn)主動(dòng)退出發(fā)送，而最高優(yōu)先級(jí)的節(jié)點(diǎn)可不受影響地繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，從而大大節(jié)省了總線沖突仲裁時(shí)間。尤其在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載很重的情況下，不會(huì)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)癱瘓情況（以太網(wǎng)則可能）。

DeviceNet協(xié)議及特點(diǎn)

DeviceNet是在1994年由美國(guó)的AllenBredly公司開發(fā)的是基于CAN的一種現(xiàn)場(chǎng)總線，實(shí)現(xiàn)低成本高性能的工業(yè)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)互連。DeviceNet協(xié)議特別為工廠自動(dòng)控制而定制，它在美國(guó)和亞洲扮演了非常重要的角色。在歐洲，越來(lái)越多的系統(tǒng)方案使用DeviceNet來(lái)實(shí)現(xiàn)。

DeviceNet規(guī)范在2002年12月被國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)批準(zhǔn)為中國(guó)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，于2003年4月開始實(shí)施。DeviceNet協(xié)議適用于最低層的現(xiàn)場(chǎng)總線，例如:過(guò)程傳感器、執(zhí)行器、閥組、電動(dòng)機(jī)起動(dòng)器、條形碼讀取器、變頻驅(qū)動(dòng)器、面板顯示器、操作員接口和其他控制單元的網(wǎng)絡(luò)?？赏ㄟ^(guò)DeviceNet連接的設(shè)備包括從簡(jiǎn)單的擋光板到復(fù)雜的真空泵各種半導(dǎo)體產(chǎn)品。DeviceNet也是一種串行通信鏈接，可以減少昂貴的硬接線。DeviceNet所提供的直接互連性不僅改善了設(shè)備間的通信，而且同時(shí)提供了相當(dāng)重要的設(shè)備級(jí)診斷功能，這是通過(guò)硬接線I/O接口很難實(shí)現(xiàn)的。DeviceNet具有多種特點(diǎn)[2]:

lDeviceNet基于CAN技術(shù)用于PLC與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間的通信網(wǎng)絡(luò)。它可連接開關(guān)、變頻調(diào)速設(shè)備、固態(tài)過(guò)載保護(hù)裝置、條形碼閱讀器、I/O和人機(jī)界面等，傳輸速率為125～500kbps;

lDeviceNet使用的通信模式是:消息產(chǎn)生者（Producer）和消息使用者（Consumer）。傳統(tǒng)的通信在消息傳送上采用的技術(shù)式指定數(shù)據(jù)源和目標(biāo)地址。DeviceNet使用的模型更為有效，它可使控制數(shù)據(jù)同時(shí)到達(dá)控制的每一個(gè)單元，可以更有效地利用網(wǎng)絡(luò)的頻帶寬度。消息產(chǎn)生者一次發(fā)送的數(shù)據(jù)可被多個(gè)消息使用者使用，從而更有效的傳送數(shù)據(jù);

lDeviceNet使用的通信協(xié)議為11位標(biāo)識(shí)符，即所有的I/O消息都有自己的11位標(biāo)識(shí)符ID，標(biāo)識(shí)符ID分成四個(gè)消息組，各有不同用途ID中同時(shí)提供了多重優(yōu)先權(quán)。工作時(shí)，總線上的設(shè)備監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)上消息，當(dāng)設(shè)備辨識(shí)出正確的標(biāo)識(shí)符后，將接受該消息;

lDeviceNet上的每一個(gè)設(shè)備可以隨時(shí)連接或斷開，而不會(huì)影響其他設(shè)備的正常運(yùn)行。真正的開放性使系統(tǒng)擴(kuò)充和改型非常方便。

控制系統(tǒng)的構(gòu)成

為了實(shí)現(xiàn)伺服系統(tǒng)的快速實(shí)時(shí)控制,系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上采用了單片機(jī)+DSP雙CPU結(jié)構(gòu)。在設(shè)計(jì)時(shí)將系統(tǒng)控制任務(wù)進(jìn)行了劃分:DSP完成實(shí)時(shí)性要求高的伺服控制任務(wù),FLASH結(jié)構(gòu)的8位單片機(jī)89C51完成實(shí)時(shí)性要求比較低的管理任務(wù),單片機(jī)和DSP之間的通訊采用并行數(shù)據(jù)方式,由FPGA實(shí)現(xiàn)。同時(shí)FPGA還要完成外部I/O信號(hào)管理、位置脈沖指令信號(hào)處理及計(jì)數(shù)、故障信號(hào)處理等功能。伺服控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。由圖1可以看出,系統(tǒng)主要有以下幾部分:伺服控制中心ADMC401;外設(shè)接口FPGA+單片機(jī)89C51;主電路以及開關(guān)電源電路[3]。下面分別說(shuō)明。

DeviceNet通信接口部分

本文所設(shè)計(jì)的DeviceNet接口電路中，采用AT89C51ED2作為節(jié)點(diǎn)的微處理器，在CAN總線通信接口中，CAN通信控制器采用SJA1000，CAN總線驅(qū)動(dòng)器采用82C250。

圖2為DeviceNet接口電路原理圖。從圖2中可以看出，電路主要由4部分構(gòu)成:微控制器89C51、獨(dú)立CAN通信控制器SJA1000、CAN總線收發(fā)器82C250和高速光電耦合器6N137。微處理器89C51負(fù)責(zé)SJA1000的初始化，通過(guò)控制SJA1000實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送等通信任務(wù)。

為了增強(qiáng)CAN總線節(jié)點(diǎn)的抗干擾能力，SJA1000的TX0和RXO并不是直接與82C250的TXD和RXD相連，而是通過(guò)高速光耦6N137后與82C250相連，這樣就很好的實(shí)現(xiàn)了總線上各CAN節(jié)點(diǎn)間的電氣隔離，從而保護(hù)了系統(tǒng)電路以及總線的信號(hào)傳輸。從整體性能來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有很好的通用性和實(shí)用性。

微控制器AT89C51ED2用來(lái)實(shí)現(xiàn)通訊的應(yīng)用層協(xié)議。它具有豐富的內(nèi)存資源，4個(gè)8位I/O端口、3個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器、256字節(jié)暫存RAM、9個(gè)中斷源、4個(gè)優(yōu)先級(jí)，此外還有2KEEPROM空間，系統(tǒng)不需要擴(kuò)展外部程序存儲(chǔ)器便可滿足DeviceNet協(xié)議程序的容量要求。并且能夠在×2模式（6個(gè)時(shí)鐘/機(jī)器周期）下工作運(yùn)行，本文中的設(shè)計(jì)即是在×2模式下。單片機(jī)通過(guò)訪問(wèn)SJA1000的寄存器來(lái)實(shí)現(xiàn)和上位機(jī)的通信。CAN控制器SJA1000的接收寄存器和發(fā)送寄存器用于暫時(shí)存放接收和發(fā)送的數(shù)據(jù)。單片機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)則通過(guò)設(shè)置SJA1000的命令寄存器發(fā)送命令位，接收數(shù)據(jù)是通過(guò)中斷方式實(shí)現(xiàn)，SJA1000的INT引腳與AT89C51ED2的INT1引腳相連，使單片機(jī)能夠?qū)崟r(shí)響應(yīng)CAN的中斷請(qǐng)求。采樣周期2ms由AT89C51ED2的定時(shí)器中斷產(chǎn)生。

電機(jī)控制部分

伺服電機(jī)控制電路部分采用高性能電機(jī)控制器ADMC401，它是美國(guó)模擬器件公司（ADI）推出DSP芯片中的高檔產(chǎn)品。ADMC401是面向電機(jī)控制的高性能數(shù)字信號(hào)處理器,它以ADSP-2171為內(nèi)核，輔以完備的電機(jī)控制外設(shè)。其中包括8路12位A/D轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、三相16位PWM產(chǎn)生單元、兩路輔助PWM輸出及用于位置反饋的增量式碼盤接口。另外ADMC401還包括12路數(shù)字I/O口、事件捕獲單元及內(nèi)部定時(shí)器等設(shè)施，為開發(fā)快速、高精度的電機(jī)控制系統(tǒng)提供了完善的硬件設(shè)施。

ADMC401內(nèi)部提供了2K×24位的內(nèi)部程序RAM、2K×24位的內(nèi)部程序ROM和1K×16位的內(nèi)部數(shù)據(jù)RAM;程序及數(shù)據(jù)RAM的內(nèi)容可由其串口從外部ROM中以同步或異步方式調(diào)入。為了滿足實(shí)際工程的需要，ADMC401還提供了外部存儲(chǔ)器的擴(kuò)展能力，用戶最多可以直接尋址片外14K×24位的程序存儲(chǔ)器和13K×16位的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器[4]。ADMC401是整個(gè)伺服系統(tǒng)的核心,具有高速的運(yùn)算能力、較高的采樣精度,外設(shè)配置性能和功能較強(qiáng),能勝任實(shí)時(shí)性要求高的伺服控制任務(wù)。本系統(tǒng)用它來(lái)實(shí)現(xiàn)矢量變換、電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)控制以及PWM信號(hào)發(fā)生、各種故障保護(hù)處理等。

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)主控計(jì)算機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的核心，通過(guò)CAN接口卡與CAN總線相連，負(fù)責(zé)系統(tǒng)的管理、運(yùn)動(dòng)規(guī)劃以及通訊功能。其上位PC機(jī)軟件設(shè)計(jì)包括網(wǎng)絡(luò)管理，參數(shù)管理，狀態(tài)管理三個(gè)部分。

l網(wǎng)絡(luò)管理設(shè)置CAN接口卡工作波特率和本機(jī)節(jié)點(diǎn)地址，同時(shí)初始化CAN控制器SJA1000，以及DeviceNet各個(gè)對(duì)象類，并且檢查此網(wǎng)絡(luò)中是否設(shè)置重復(fù)的節(jié)點(diǎn)地址。因?yàn)镻C機(jī)的CAN卡初始化要涉及CAN卡與PC機(jī)的聯(lián)系工作，所以要對(duì)CAN通訊適配卡的各個(gè)寄存器進(jìn)行配置，設(shè)置中斷向量、通信波特率和濾波接收碼以及中斷屏蔽字等參數(shù)，為正常通訊做好準(zhǔn)備工作。另外此部分還要完成掃描網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)，并與從機(jī)節(jié)點(diǎn)建立連接的功能。DeviceNet是面向連接的網(wǎng)絡(luò)，兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間首先建立連接然后才能夠通訊，本設(shè)計(jì)中只采用僅限組2的從設(shè)備建立連接，其建立連接是通過(guò)“分配預(yù)定義主/從連接組”來(lái)完成的。

l參數(shù)管理完成伺服系統(tǒng)的各個(gè)參數(shù)字或者控制字的讀取修改工作，這些參數(shù)包括伺服電機(jī)的內(nèi)部參數(shù)Kp、Ki、Kd等以及針對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)的參數(shù):雷達(dá)扇掃中心角度、扇掃范圍、扇掃速度、手輪方式中的手輪與天線的轉(zhuǎn)速比、運(yùn)行模式選擇（第26號(hào)參數(shù)，其中0—手輪方式，1—?jiǎng)蛩賿呙璺绞剑?—扇掃方式，4—接收停方式）。一般情況下，對(duì)各個(gè)控制字參數(shù)的讀寫操作類似于對(duì)各個(gè)參數(shù)的讀寫操作。在本設(shè)計(jì)中為了簡(jiǎn)化軟件設(shè)計(jì)，我們可以對(duì)31號(hào)參數(shù)的讀寫操作來(lái)完成對(duì)16個(gè)控制字的讀寫操作，實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下:第31號(hào)參數(shù)為控制字參數(shù)，是由16個(gè)控制字按照STA-15至STA-0順序組合而成的一個(gè)整型數(shù)，這樣對(duì)控制字參數(shù)的讀寫操作的同時(shí)也就完成了對(duì)16個(gè)控制字的讀寫操作。

l狀態(tài)管理能夠反應(yīng)伺服電機(jī)當(dāng)前的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，如實(shí)際位置，速度指令，力矩反饋，速度反饋，指令偏差等。這樣給我們觀察伺服電機(jī)當(dāng)前狀態(tài)提供了一個(gè)直觀方便的平臺(tái)。

下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

下位機(jī)通信部分的單片機(jī)完成I/O數(shù)據(jù)過(guò)程的自動(dòng)控制作業(yè)，包括輸入輸出數(shù)據(jù)的解包下發(fā)、打包上傳，以及故障事件記錄、報(bào)警等工作。通信卡采用定時(shí)中斷方式與CAN總線的控制卡節(jié)點(diǎn)頻繁地交換各自通信緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)，以確保系統(tǒng)I/O數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性，同時(shí)縮短了整個(gè)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間。圖3示出程序框圖。

下位機(jī)初始化完成后，則進(jìn)入等待中斷狀態(tài)。下位機(jī)的通訊過(guò)程是通過(guò)單片機(jī)訪問(wèn)CAN控制器寄存器來(lái)實(shí)現(xiàn)的，單片機(jī)對(duì)CAN控制器的寄存器訪問(wèn)是作為單片機(jī)的外部存儲(chǔ)器訪問(wèn)的，每個(gè)寄存器的地址為SJA1000的首地址與SJA1000內(nèi)部相對(duì)地址之和。單片機(jī)采用中斷方式接收數(shù)據(jù)。CAN控制器SJA1000接收到上位機(jī)的數(shù)據(jù)并且當(dāng)接收緩沖區(qū)有空余空間時(shí)，接收的數(shù)據(jù)被依次放在SJA1000的接收緩沖區(qū)中，這是有硬件自動(dòng)完成的。當(dāng)調(diào)用清除命令清除接收寄存器中的數(shù)據(jù)后，F(xiàn)IFO接收緩沖區(qū)會(huì)把數(shù)據(jù)填充到已清空的接收寄存器中，同時(shí)回答一個(gè)中斷信號(hào)。單片機(jī)把這個(gè)中斷信號(hào)作為單片機(jī)的外部接收中斷，單片機(jī)響應(yīng)接收中斷后讀出CAN控制器中的接收緩沖區(qū)數(shù)據(jù)并保存，再清空CAN控制器的接收寄存器。

在設(shè)計(jì)本系統(tǒng)軟件時(shí),開發(fā)工具使用BorlandC++語(yǔ)言。因BorlandC++是一種可視化、面向?qū)ο蟮腃++程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言快速開發(fā)工具,具有簡(jiǎn)單直觀和功能強(qiáng)大的特點(diǎn)。在BorlandC++集成開發(fā)環(huán)境下,可以方便的編寫PC機(jī)的通訊程序。

以PC機(jī)A作為主機(jī),伺服驅(qū)動(dòng)器和PC機(jī)B作為網(wǎng)絡(luò)中的2個(gè)節(jié)點(diǎn)，設(shè)置主機(jī)節(jié)點(diǎn)地址和通訊波特率后，對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行掃描建立連接，可以正確掃描到兩個(gè)在線節(jié)點(diǎn)，如圖4是讀取伺服驅(qū)動(dòng)器各個(gè)參數(shù)值。

結(jié)語(yǔ)

從CAN總線以及DeviceNet總線特點(diǎn)可以看出，它較傳統(tǒng)的串行通信,在硬件上可減少走線、易于系統(tǒng)擴(kuò)充或改型,在軟件上通信更加靈活、實(shí)時(shí)性更好、糾錯(cuò)能力更強(qiáng)。這表明基于DeviceNet總線的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)有廣闊的應(yīng)用前景。

本文所設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)將DeviceNet總線與伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)了控制系統(tǒng)的全數(shù)字化。實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明:本系統(tǒng)具有可靠性高、實(shí)時(shí)性好、易于維護(hù)等特點(diǎn),達(dá)到了設(shè)計(jì)所需的要求。

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