基于CAN總線(xiàn)嵌入式數字控制系統的設計

針對CAN總線(xiàn)技術(shù)在數據傳輸中采用短幀結構和過(guò)濾機制，本文設計了直流電機調速控制板與CAN總線(xiàn)控制板的數據通信，以及CAN總線(xiàn)與上位機的通信等。

0 引言

目前國內生產(chǎn)的直流電機調速控制器大多都不帶通信接口，即使有帶通信接口也僅為RS232或RS485串行總線(xiàn)。眾所周知RS232和RS485有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，阻礙了多臺電動(dòng)機機組的進(jìn)一步網(wǎng)絡(luò )化發(fā)展和群控控制。本文分析和研究了多臺直流電機CAN總線(xiàn)的通信協(xié)議以及軟件數據的傳輸，對工業(yè)網(wǎng)絡(luò )控制的實(shí)現具有一定的指導意義。CAN總線(xiàn)控制網(wǎng)絡(luò )工作于多主方式，網(wǎng)絡(luò )中的各節點(diǎn)都可根據總線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)優(yōu)先權(取決于報文標識符)采用無(wú)損結構的逐位仲裁的方式競爭向總線(xiàn)發(fā)送數據，且CAN協(xié)議廢除了站地址編碼，采用對通信數據進(jìn)行編碼，這可使不同的節點(diǎn)同時(shí)接收到相同的數據，這些特點(diǎn)使得CAN總線(xiàn)構成的網(wǎng)絡(luò )各節點(diǎn)之間的數據通信適時(shí)性強，并且容易構成冗余結構，提高系統的可靠性和靈活性。

1 系統總體設計

多臺直流電動(dòng)機CAN總線(xiàn)控制系統如圖1所示，本系統由直流電機、直流電機調速控制器、CAN總線(xiàn)通信控制板、上位機和CAN總線(xiàn)五部分構成。CAN總線(xiàn)能完成網(wǎng)絡(luò )的建立、網(wǎng)絡(luò )信號的傳遞、總線(xiàn)控制以及與上位機之間的數據通信;同時(shí)還完成對直流電機電壓、電流數據的測試、傳輸以及直流電機轉矩、轉速的檢測并進(jìn)行閉環(huán)控制等。

圖1 多臺電機CAN總線(xiàn)控制框圖

2 數據通信設計

在直流電機調速系統結構中有一個(gè)通信接口模塊，用來(lái)實(shí)現與CAN總線(xiàn)通信控制板之間的數據交換，首先用DSP實(shí)現AD采樣電路對速度反饋、速度給定、電流反饋等數據處理。采樣所得數據經(jīng)再發(fā)送給ARM處理器，最終ARM處理器實(shí)現CAN總線(xiàn)通信。

2.1 直流電機的CAN總線(xiàn)通信設計

CAN協(xié)議標準中規定了CAN總線(xiàn)支持的兩種傳輸介質(zhì)：雙絞線(xiàn)和光纖。目前，絕大多數CAN總線(xiàn)系統采用的都是雙絞線(xiàn)傳輸。光纖一般應用于大容量、高速率的傳輸中，對于CAN總線(xiàn)這種傳輸速率較低、數據量較小的現場(chǎng)總線(xiàn)通信，光纖傳輸的優(yōu)勢得不到完全發(fā)揮。所以，本文使用雙絞線(xiàn)作為通信介質(zhì)。

每個(gè)直流電機都是網(wǎng)絡(luò )中的一個(gè)節點(diǎn)，其在運行時(shí)的數據經(jīng)DSP采集后發(fā)送到CAN總線(xiàn)通信控制板，然后傳輸到CAN總線(xiàn)上，再由CAN總線(xiàn)適配器傳給上位機，實(shí)現對電機的實(shí)時(shí)監測。這樣就可以實(shí)現上位機對電機的實(shí)時(shí)監控。其中CAN總線(xiàn)適配器實(shí)現上位機與CAN總線(xiàn)的數據交換。

CAN總線(xiàn)適配器由CAN的微控制器完成與上位機通信的協(xié)調工作，根據需要可對CAN適配器微控處理器中的寄存器進(jìn)行讀寫(xiě)操作，實(shí)現初始化及數據采集。CAN總線(xiàn)適配器上電復位和初始化后，等待著(zhù)命令和數據，當命令或數據送給CAN的寄存器并置位標志位，即完成一次通訊，然后取出數據做進(jìn)一步處理。與CAN適配器間的通訊有查詢(xún)和中斷兩種方式。

2.2 CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )通訊調試

首先要測試CAN總線(xiàn)適配器與上位機能否實(shí)現通信，從前面的介紹可以知道它們是通過(guò)串口實(shí)現通訊的。打開(kāi)串口調試工具，由適配器向串口發(fā)送數據，如果串口調試工具可以接收到數據，則說(shuō)明它們之間的通訊正常。接著(zhù)要對兩個(gè)CAN節點(diǎn)的調試，我們采用雙絞線(xiàn)作為通訊介質(zhì)?？偩€(xiàn)傳輸速度與雙絞線(xiàn)的長(cháng)度成反比關(guān)系，所以可以根據對通訊速度的要求確定雙絞線(xiàn)的長(cháng)度，由于是簡(jiǎn)單通訊實(shí)驗，因而對雙絞線(xiàn)的長(cháng)度沒(méi)有要求。設置一個(gè)節點(diǎn)為發(fā)送端，另一節點(diǎn)為接收端，取消報文濾波器，如果能夠完成發(fā)送接收任務(wù)則它們已經(jīng)能夠實(shí)現簡(jiǎn)單的通訊。

本設計設定傳輸運行狀態(tài)與故障狀態(tài)兩種運行參數，其中運行狀態(tài)包括直流電機的：給定速度、反饋速度、反饋電路、電樞電壓。運行狀態(tài)是由DSP自帶的AD轉換模塊經(jīng)采樣所得。DSP的AD采樣器精度是12位的，所以經(jīng)模數轉換后的數值是一個(gè)12位的二進(jìn)制數，對其前端補零轉換成16位數據經(jīng)串口直接發(fā)送給ARM處理器。因為兩者的傳輸距離很近，所以不需要經(jīng)過(guò)電平轉換就可直接發(fā)送。而電機的故障狀態(tài)則由0、1表示，0代表沒(méi)有故障，1代表電機出現故障。

針對CAN總線(xiàn)技術(shù)在數據傳輸中采用短幀結構和過(guò)濾機制，本文設計了直流電機調速控制板與CAN總線(xiàn)控制板的數據通信，以及CAN總線(xiàn)與上位機的通信等。

要實(shí)現DSP與ARM以及CAN總線(xiàn)的通信，需要設置一個(gè)通信控制協(xié)議，協(xié)議設定每個(gè)要傳輸的參數一個(gè)控制地址。CAN總線(xiàn)每次可以發(fā)送8個(gè)字節數據，每個(gè)字節8位，所以給定速度、反饋速度、反饋電流及電樞電壓這四組運行參數需要占據兩個(gè)字節，而故障狀態(tài)只需占據一個(gè)字節。CAN總線(xiàn)數據幀的第一個(gè)字節存放控制地址，第二、三個(gè)字節存放數據。其中，第二字節存高地址，第三字節存低地址。如果發(fā)送的是故障狀態(tài)則只有第二個(gè)字節是傳輸數據。CAN總線(xiàn)每次只發(fā)送一種運行參數，其中給定速度、反饋速度、反饋電路及電樞電壓依次輪流發(fā)送。而故障狀態(tài)在程序中設置為優(yōu)先級最高，當有故障出現時(shí)則優(yōu)先發(fā)送，正常狀態(tài)下不發(fā)送。圖2是整個(gè)系統的數據傳輸流程圖。

圖2 數據傳輸流程圖

3 實(shí)驗

圖3為上位機數據顯示界面，圖中顯示為調試某一時(shí)刻的傳輸數據?？梢钥闯龇答佀俣扰c給定速度并不相等，由于PI控制算法的作用使反饋速度始終處于給定速度附近。反饋電流1.2A是在電機空載時(shí)的測量值，隨著(zhù)負載的增加，反饋電流會(huì )逐漸增大。電樞電壓是直流電機母線(xiàn)上的電壓，由于電機在實(shí)際應用中主要工作在220V，所以調試時(shí)首先將電樞電壓穩定在這一電壓值，然后再對速度進(jìn)行調節。在正常情況下，故障狀態(tài)始終顯示為“無(wú)”，當有故障信號發(fā)出時(shí)，故障狀態(tài)顯示為“有”并發(fā)出報警信號。

圖3 上位機數據顯示界面