CAN總線(xiàn)在組合機床電控系統通信中的應用

摘 要：本文分析了目前廣泛應用的TI公司TMS320C2000X系列芯片中內嵌CAN控制器的特點(diǎn)，介紹了CAN總線(xiàn)在組合機床電控系統間通信的系統設計與實(shí)現，并在其基礎上重點(diǎn)介紹了控制器以及PC機與CAN總線(xiàn)接口的硬件設計和應用層協(xié)議軟件的設計思想。

關(guān)鍵詞：組合機床電控系統；CAN總線(xiàn)；DSP；TMS320LF2407A

引言

現代組合機床裝備了大量的電子設備來(lái)滿(mǎn)足加工精度、加工速度等要求，如果采用常規的點(diǎn)到點(diǎn)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(kāi)關(guān)使電路閉合，勢必造成導線(xiàn)數量不斷增加，而有限的布線(xiàn)空間則在相對減少。此外,這些電控單元還要進(jìn)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，再根據反饋的信息做下一步的決策等。這一過(guò)程需要不同的電控單元之間進(jìn)行通信，彼此影響。這些是不能通過(guò)簡(jiǎn)單的連接所能實(shí)現的。

有多種信息傳輸手段可以實(shí)現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(diǎn)對點(diǎn)的連接方式；RS-485也是一個(gè)常用的通信規范，它可以實(shí)現半雙工的總線(xiàn)型的網(wǎng)絡(luò )，總線(xiàn)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))具有現場(chǎng)總線(xiàn)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(luò )層協(xié)議在滿(mǎn)足模塊間通信高實(shí)時(shí)性要求的同時(shí)，與定時(shí)觸發(fā)的TIP相比更適合不定時(shí)傳送信息的要求。CAN繼承了集散控制系統(DCS)的優(yōu)點(diǎn)，可以更方便地構建模塊間通信網(wǎng)絡(luò )。

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

系統的描述

● 系統的組成及網(wǎng)絡(luò )結構

系統由監控主機、并聯(lián)組合機床電控的數據采集模塊和CAN總線(xiàn)組成。

本文研究的組合機床采用了上述CAN總線(xiàn)接口的微處理器系統。該系統包括數據采集和加工過(guò)程控制兩部分，前者由掛接在CAN總線(xiàn)上的數據采集單元完成，主要是從總線(xiàn)上收集有關(guān)組合機床的運行數據(由組合機床上的控制單元提供)，進(jìn)行一些基本的數據處理和診斷，如有關(guān)傳感器、執行器是否失效，然后將有關(guān)數據和加工狀況存儲在擴展的EPROM中，在適當時(shí)刻將存儲的數據通過(guò)RS232總線(xiàn)上傳到監控主機(PC)進(jìn)行分析。實(shí)際上可以直接把PC機掛接在CAN總線(xiàn)上。加工過(guò)程控制運行在PC機上，主要是處理由數據采集系統發(fā)送的數據，如動(dòng)力頭轉速、進(jìn)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數據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。

監控主機通過(guò)CAN總線(xiàn)從各模塊獲取現場(chǎng)控制數據，監控整個(gè)系統的工作狀態(tài)，控制各模塊的投入和退出，完成人機對話(huà)，響應近端和遠端的操作。

各個(gè)組合機床電控單元間以及模塊與監控主機之間通過(guò)CAN連接通信，通信網(wǎng)絡(luò )拓撲結構采用總線(xiàn)式結構。

這種結構的特點(diǎn)是多個(gè)節點(diǎn)共用一條傳輸線(xiàn)，結構簡(jiǎn)單、成本低；采用無(wú)源抽頭連接，可靠性高。信息的傳輸采用CAN通信協(xié)議，線(xiàn)路利用率高。傳輸介質(zhì)為雙絞線(xiàn)，如需進(jìn)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。

● 硬件介紹

硬件包括TMS320LF2407A與CAN總線(xiàn)的接口、監控機與CAN的接口。

由于LF2407A內嵌CAN控制器，因此它的CAN總線(xiàn)接口只需一個(gè)完成電平轉換和線(xiàn)路驅動(dòng)的驅動(dòng)器PCA82C250T。

PCA82C250T是CAN協(xié)議控制器和物理總線(xiàn)的接口，對總線(xiàn)提供差動(dòng)發(fā)送能力，對CAN控制器提供差動(dòng)接收能力，完全符合“ISO11898”標準。在CAN總線(xiàn)的網(wǎng)絡(luò )終端，總線(xiàn)上需加一個(gè)120Ω的匹配電阻。

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

● LF2407A的CAN控制器

LF2407A的CAN控制器是一個(gè)16位的外設模塊，可以通過(guò)設置或讀取內部寄存器來(lái)訪(fǎng)問(wèn)CAN控制器。LF2407A的CAN控制器由可編程位定時(shí)器和6個(gè)郵箱組成。郵箱方式是CAN控制器的特點(diǎn)，郵箱是一個(gè)48×16位的RAM空間，此空間分為6個(gè)郵箱，每個(gè)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以統一的內存編址來(lái)訪(fǎng)問(wèn)這些郵箱寄存器。

LF2407A的CAN控制器支持CAN2.0協(xié)議，有自動(dòng)重發(fā)功能，支持數據幀和遠程幀，數據收發(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(shí)器，可編程實(shí)現總線(xiàn)喚醒功能，可對中斷配置編程。TMS320LF2407A芯片的這些特點(diǎn)方便了系統功能的實(shí)現。

CAN網(wǎng)絡(luò )發(fā)送周期

該圖為在其他站處于等待狀態(tài)時(shí)，一次成功發(fā)送周期的時(shí)序圖，成功發(fā)送周期=傳輸時(shí)延+傳輸時(shí)間。

由于CAN網(wǎng)絡(luò )的信息傳遞是基于ID優(yōu)先權的競爭機制仲裁。當t時(shí)刻發(fā)生在A(yíng)節點(diǎn)仲裁場(chǎng)結束之前，即有不少于兩個(gè)站同時(shí)發(fā)送時(shí)，需根據優(yōu)先權的比較結果，決定發(fā)送站的成功發(fā)送周期時(shí)序。這里的“同時(shí)”可定義為，“當節點(diǎn)A發(fā)送信息時(shí)，另一個(gè)節點(diǎn)B在t時(shí)刻發(fā)送信息，若t時(shí)刻發(fā)生在A(yíng)節點(diǎn)仲裁場(chǎng)結束之前，則稱(chēng)A節點(diǎn)和B節點(diǎn)為同時(shí)發(fā)送信息”。在仲裁場(chǎng)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(shí)，優(yōu)先權高的占據總線(xiàn)，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(shí)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)送節點(diǎn)為B節點(diǎn)，成功發(fā)送周期為B節點(diǎn)的發(fā)送時(shí)間加上兩節點(diǎn)同時(shí)發(fā)送進(jìn)行優(yōu)先權比較時(shí)A節點(diǎn)的仲裁場(chǎng)時(shí)間，即成功發(fā)送周期=傳輸時(shí)間+2×最大傳輸時(shí)延+仲裁場(chǎng)時(shí)間。若t時(shí)刻發(fā)送在A(yíng)節點(diǎn)仲裁場(chǎng)結束之后，則B節點(diǎn)等待下一次發(fā)送，成功發(fā)送周期不變。

CAN控制器的編程

● 包過(guò)濾功能的編程

CAN結點(diǎn)對數據包的選擇接收是通過(guò)接收包過(guò)濾功能來(lái)實(shí)現的。在數據鏈路層LLC(邏輯鏈路控制)子層實(shí)現數據包過(guò)濾。只有符合一定條件的數據包才會(huì )被該節點(diǎn)接收，其他數據包在底層即被丟棄。因此只要在發(fā)送節點(diǎn)為數據包設置正確的標示符，即可將其發(fā)送到指定的一個(gè)或多個(gè)節點(diǎn)。利用CAN總線(xiàn)端口驗收碼AC，驗收屏蔽碼AM，報文標識符ID的關(guān)系，即可實(shí)現上述目的。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(mǎn)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節點(diǎn)的驗收碼和驗收屏蔽碼，達到點(diǎn)對點(diǎn)，一點(diǎn)對多點(diǎn)，以及多主機的工作方式。