編碼器的CAN總線(xiàn)接口及其在光電跟蹤系統中的應用

1 引 言

絕對式光電軸角編碼器是一種數字測角裝置，實(shí)時(shí)測量轉軸所處的角位置及角速度，它把軸角信息轉換成度、分、秒形式的數字代碼，與控制系統中的總線(xiàn)連接可實(shí)現實(shí)時(shí)測量。它具有工作可靠性高，抗干擾能力強，精度高，斷電記憶等優(yōu)點(diǎn)。在靶場(chǎng)設備、數字經(jīng)緯儀、雷達及一些大型軍用設備等數字化測量跟蹤和定位系統中得到廣泛應用。

在這些實(shí)際應用的控制系統中由于各分系統傳感器和探測器輸出的數據結構不同，絕對式光電軸角編碼器會(huì )用到不同的內部數據通信方式，主要有RS232、RS485/488串口，并口等。但在具體工程應用項目中，上述通信方式常會(huì )受到傳輸距離、通信速率等方面限制。近幾年來(lái)串行通信快速發(fā)展，出現了多種控制系統現場(chǎng)總線(xiàn)形式，CAN總線(xiàn)就是其中應用最為廣泛的一種，它是控制器局域網(wǎng)總線(xiàn)的簡(jiǎn)稱(chēng)，是一種有效支持分布式控制和實(shí)時(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò )。由于CAN總線(xiàn)的高性能、高可靠性及獨特的設計，已成為目前國內外普及和實(shí)時(shí)性最高的現場(chǎng)總線(xiàn)?？刂葡到y中內部通信方式的發(fā)展變化，使得用作測量角位移和角速度的編碼器要提供CAN總線(xiàn)接口以滿(mǎn)足整個(gè)控制系統的現場(chǎng)總線(xiàn)設計要求。

2 編碼器工作原理和數據傳輸

2.1工作原理

編碼器由數據采集裝置和數據處理裝置兩部分組成。結構原理框圖如1所示。單片機是編碼器電路系統的核心部分，它將編碼器的信號（粗碼、中精碼、精碼）采集到后，經(jīng)精碼細分、碼道校正、數字量相加、電調零、度分秒轉換等軟件處理，最后顯示及實(shí)現與控制系統接口。

2.2數據傳輸

編碼器與控制系統的數據傳輸可以采用并行和串行兩種方式。并行傳輸通過(guò)并口傳遞數據，每位數據需要數據電纜一芯，例如對于24位分辨率的編碼器就需要一根24芯的電纜，因此使用空間受到限制，僅適用于短距離傳輸和特殊要求的場(chǎng)合。串行傳輸，數據信息通過(guò)一根雙絞線(xiàn)實(shí)現串行傳送，根據不同通信協(xié)議再加些附加位實(shí)現糾錯等功能，這一功能可擴大應用于數據總線(xiàn)系統中。串行傳輸用線(xiàn)少，硬件少，成本低，傳輸距離遠，數據安全可靠。

2.3 提出編碼器CAN總線(xiàn)接口

在對各種現場(chǎng)總線(xiàn)的綜合比較中，基于CAN總線(xiàn)構建的通信系統具有很多優(yōu)異的特性：數據信號采用差分電壓傳輸；總線(xiàn)傳輸介質(zhì)可用雙絞線(xiàn)、同軸電纜和光纖；可以多主方式工作，通信方式靈活；可以點(diǎn)對點(diǎn)、點(diǎn)對多點(diǎn)及全局廣播方式傳送接收數據；網(wǎng)絡(luò )上的節點(diǎn)信息可分成不同的優(yōu)先級，滿(mǎn)足不同的實(shí)時(shí)要求；采用非破壞性總線(xiàn)仲裁技術(shù)；數據采用短幀結構，每一幀為8Byte，數據出錯率低；通信協(xié)議中數據鏈路層的MAC子層具有嚴格的錯誤檢測能力；具有國際標準，開(kāi)放性好。因此，在對光電跟蹤系統內部通信方式改造中采用CAN總線(xiàn)作為數據通信總線(xiàn)結構，進(jìn)而提出編碼器CAN總線(xiàn)接口。

3 編碼器CAN總線(xiàn)接口在光電跟蹤系統中的應用

3.1編碼器用于光電跟蹤系統位置檢測

絕對式光電軸角編碼器是光電跟蹤系統中光電跟瞄架測量方位角和俯仰角角度傳感器，將光電跟蹤系統內部總線(xiàn)結構改造為CAN總線(xiàn)通信方式，編碼器的CAN總線(xiàn)接口發(fā)揮其接口靈活，節省線(xiàn)路的特點(diǎn)，同時(shí)它本身帶有微處理器，可以作為系統中的一個(gè)智能節點(diǎn)，直接向其他設備發(fā)送遠程幀，實(shí)現智能控制。圖2為基于CAN總線(xiàn)的光電跟蹤系統通信結構圖。光電跟蹤系統使用CAN總線(xiàn)單一串行總線(xiàn)結構代替多種通信方式的并行結構，兩個(gè)光電編碼器測得的方位角和俯仰角經(jīng)總線(xiàn)發(fā)送到主控制機，主控制機將數據進(jìn)行相應處理后，通過(guò)總線(xiàn)控制伺服控制系統，所有的分系統都可以通過(guò)一對雙絞線(xiàn)連接在一起，簡(jiǎn)化了系統布線(xiàn)，提高整個(gè)系統總線(xiàn)利用率、數據傳輸實(shí)時(shí)性和系統擴充性，同時(shí)誤碼率大大降低。

3.2 編碼器節點(diǎn)CAN總線(xiàn)接口硬件組成

CAN總線(xiàn)接口主要有單片機、CAN總線(xiàn)控制器、CAN總線(xiàn)驅動(dòng)器及光電隔離等硬件組成。CAN總線(xiàn)通信接口具體電路如圖3所示。

單片機選擇Intel80C196KC, 它是16位嵌入式微控制器，更適合復雜的實(shí)時(shí)控制場(chǎng)合，它同時(shí)負責對編碼器的數據處理和對CAN總線(xiàn)節點(diǎn)的初始化。CAN控制器選擇Philips半導體公司的SJA1000，實(shí)現總線(xiàn)與主控機（控制計算機）之間數據通信的接口，支持CAN2.0A和CAN2.0B協(xié)議，有擴展64字節接收緩沖器，支持先進(jìn)先出（FIFO）原則，支持11位和29位標識碼，通信位速率可達1Mbps，可以工作在BasicCAN模式和PeliCAN模式。CAN總線(xiàn)驅動(dòng)器選擇Philips的TJA1050，它是高速CAN總線(xiàn)驅動(dòng)器，提供CAN控制器和物理總線(xiàn)之間的接口，實(shí)現對CAN總線(xiàn)的差動(dòng)發(fā)送和接收功能，具有強電磁干擾下，寬共模范圍的差動(dòng)接收能力，輸入電平與3.3V器件兼容，未上電節點(diǎn)不會(huì )干擾總線(xiàn)。加入TJA1050能夠保證數據的高速通信。為了安全性和提高抗干擾能力，利用TJA1050對稱(chēng)性能好的特點(diǎn)，使用分離終端。CANH和CANL與地之間并聯(lián)了兩個(gè)30pF的小電容，起到濾除總線(xiàn)上的高頻干擾和一定的防電磁輻射能力。為了進(jìn)一步提高系統的抗干擾能力，在CAN控制器SJA1000和CAN驅動(dòng)器TJA1050之間使用了高速光耦6N137構成隔離電路，實(shí)現電流隔離接法，6N137兩側電源VCC和VDD完全隔離，這樣可以防止線(xiàn)路間的串擾，同時(shí)在總線(xiàn)兩端要接2個(gè)120Ω的總線(xiàn)阻抗匹配電阻。

3.3節點(diǎn)軟件設計

絕對式光電軸角編碼器的角度信息（度、分、秒）從CAN控制器發(fā)送到CAN總線(xiàn)或從CAN總線(xiàn)到CAN接收緩沖器都是由SJA1000總線(xiàn)控制器自動(dòng)完成的。它的CAN總線(xiàn)接口通信程序由初始化子程序、發(fā)送子程序和接收子程序構成。首先根據實(shí)際系統需要選擇CAN總線(xiàn)工作模式，這里選擇PeliCAN模式，12MHz晶振，總線(xiàn)數據傳輸速率設為500Kbits/s，各個(gè)總線(xiàn)節點(diǎn)要設置相同的數據傳輸速率，以保證正常通信。判斷SJA1000與單片機物理連接可靠，然后初始化SJA1000控制器，在SJA1000復位模式下，設定各個(gè)寄存器的初始狀態(tài)。初始化流程圖如圖4。實(shí)現數據的發(fā)送和接收由發(fā)送子程序和接收子程序完成，由報文ID判斷節點(diǎn)數據的流向，發(fā)送數據時(shí)，報文ID接收標志位段的設置原則為：需要接收的節點(diǎn)其相應的ID位為0，其余位為1 。接收數據時(shí)則相反，通過(guò)ID判斷是否為發(fā)送給自己的信息，是則接收，不是濾除。

4 結束語(yǔ)

CAN總線(xiàn)作為現場(chǎng)設備級的通信總線(xiàn)，有很高的可靠性和性能價(jià)格比，帶有CAN總線(xiàn)接口的絕對式光電軸角編碼器使它更加靈活運用于控制系統中。