基于CAN總線(xiàn)的分布式控制器設計和實(shí)現

機電系統執行部件包括電機、舵機、液壓缸、液壓馬達等,傳感部分有接觸和非接觸的接近傳感器(光電傳感器)、圖像傳感器(CCD、辨色傳感器)、聲音傳感器(麥克風(fēng))等,如果采用集中式的設計方式,不僅提高了對設計者的要求,而且難以適應控制要求不斷變化的情況。軟件設計方面,集中式的硬件設計會(huì )使得軟件構架十分繁瑣,無(wú)法多人協(xié)同工作,維護困難?？刂葡到y硬件安裝方面,集中式的硬件構架很可能增加線(xiàn)束方面的困難。綜上所述,采用分布式的設計可以減小設計風(fēng)險,提高設計效率,增加系統柔性。

控制系統分為三部分:信號輸入部分、中央處理部分和信號輸出驅動(dòng)部分。信號輸入部分包括數字信號輸入和模擬信號輸入,信號輸出驅動(dòng)部分根據不同的驅動(dòng)部件設計相應的驅動(dòng)電路。學(xué)生常用的執行部件包括直流伺服電機、直流電機、氣動(dòng)控制閥等,后兩者同屬于一種控制模式,故驅動(dòng)部分主要為直流伺服驅動(dòng)和閥驅動(dòng)。因此分布式控制模塊可以分為:信號輸入模塊、主控模塊、直流伺服電機驅動(dòng)模塊、氣動(dòng)閥驅動(dòng)模塊等。

信號輸入模塊主要是傳感器信號的輸入和編碼,分為數字信號輸入和模擬信號輸入;主控模塊是信息的處理、決策和人機交互的平臺,包括鍵盤(pán)輸入和LCD輸出;直流伺服電機控制驅動(dòng)模塊,采用LM629作為電機控制芯片,通過(guò)H橋驅動(dòng)完成直流電機的PID控制;閥驅動(dòng)模塊用于氣動(dòng)閥的開(kāi)啟、關(guān)閉以及直流電機的驅動(dòng),故同樣通過(guò)H橋驅動(dòng)模式。各個(gè)模塊之間采用CAN總線(xiàn)構架(如圖1)?？刂菩酒捎肞89C58X2,用KeilC和CSOS系統進(jìn)行算法設計,系統硬件和軟件構架清晰,具有良好的擴展性。

1 硬件電路構架

1.1 直流伺服電機控制

P89C58X2與LM629之間采用總線(xiàn)方式連接,即單片機的P0口通過(guò)上拉電阻之后接LM629的數據輸入位,HI連接單片機的外部中斷口,編碼盤(pán)輸入A、B和IN口分別連接上拉電阻之后接電機的編碼盤(pán),而LM629的輸出口PWM MAG和PWM SIG分別連接H橋電機驅動(dòng)的PWM和DIR、編碼盤(pán)和LM629,H橋與LM629之間均采用高速光隔6N137隔離,如圖2。

在單板上集成兩塊LM629,能使結構更緊湊,算法更簡(jiǎn)單,通過(guò)軟件可以方便地設定LM629工作在速度模式或者位移模式。

1.2 CAN總線(xiàn)硬件設計

CAN總線(xiàn)是一種具有國際標準的性?xún)r(jià)比較高的現場(chǎng)總線(xiàn),其最高傳輸速度可達1Mb/s,最遠傳輸距離可達10km,性能穩定,十分適合可靠性要求高的分布式系統。

本系統CAN總線(xiàn)控制芯片采用飛利浦公司的SJA1000,其支持CAN2.0B的標準協(xié)議,并且芯片可以工作在BasicCAN和PeliCAN兩種模式下?？偩€(xiàn)收發(fā)器采用飛利浦公司的TJA1050,它符合ISO11898標準,實(shí)現CAN控制器和通信線(xiàn)路的物理連接,提高CAN總線(xiàn)的驅動(dòng)能力和可靠性。

SJA1000和P89C58X2之間同樣采用總線(xiàn)方式連接,連接方法同LM629,而SJA1000和TJA1050之間連接如下:SJA1000的TX0連接TJA1050的TXD,RX0連接RXD,RX1接Vref輸出,SJA1000的TX1下拉電阻接地,TJA1050的CANL和CANH就是CAN總線(xiàn)輸出。當多節點(diǎn)連接時(shí),CANL和CANH之間需要加1～2個(gè)阻值為120Ω的端接電阻,能有效防止通訊總線(xiàn)上產(chǎn)生的信號反射(如圖3)。在軟件設計中,通過(guò)修改SJA1000的寄存器使CAN工作在PeliCAN、單濾波器、正常模式和擴展幀模式下。