基于CAN總線(xiàn)控制器SJA1000的自動(dòng)絡(luò )筒機通信系統方

1、 引言

隨著(zhù)紡織工業(yè)技術(shù)進(jìn)步,紡織機械日益趨向成套化、自動(dòng)化和系統化。自動(dòng)絡(luò )筒機是紡織工業(yè)上檔次的關(guān)鍵設備,起著(zhù)承上啟下、改善紗線(xiàn)性能的重要作用,它是紡部的整理設備和織部的準備設備,機電氣一體化,自動(dòng)化程度高,速度快,生產(chǎn)效率高。自動(dòng)絡(luò )筒機是一種具有高速、高產(chǎn)、高效、高質(zhì)和高自動(dòng)化功能，并綜合了最新機械、電子、材料、儀表及計算機信息處理和控制等技術(shù)的機電一體化產(chǎn)品。自動(dòng)絡(luò )筒機的出現，從根本上改變了普通絡(luò )筒機的面貌，其生產(chǎn)的筒子卷裝大，絡(luò )紗速度高，對紗線(xiàn)的絡(luò )紗全過(guò)程自動(dòng)化控制程度和勞動(dòng)生產(chǎn)率高，從而成為機械、電子、氣動(dòng)、儀表和計算機信息處理相結合的高新技術(shù)產(chǎn)品。自動(dòng)絡(luò )筒機是科技含量最高的紡織機械設備，有“紡織機械皇冠上的明珠”之稱(chēng)。

CAN總線(xiàn)是一種有效支持分布式控制系統或實(shí)時(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò )，是一個(gè)多主總線(xiàn)，總線(xiàn)上的各個(gè)節點(diǎn)都有權隨時(shí)向其他節點(diǎn)發(fā)送信息，總線(xiàn)沖突時(shí)通過(guò)總線(xiàn)仲裁機制來(lái)決定占用總線(xiàn)的節點(diǎn)。CAN能夠使用多種物理介質(zhì)傳播，例如雙絞線(xiàn)、同軸電纜、光纖等。最常用的就是雙絞線(xiàn)。CAN總線(xiàn)描述的是 ISO/OSI七層協(xié)議中的第一層和第二層的高速協(xié)議。目前，CAN 總線(xiàn)的規范常見(jiàn)的是2.0A和2.0B版本。本自動(dòng)絡(luò )筒機通信統中采用的是2.0B擴展幀，29位標志符。

CAN中的信號包括幀起始、仲裁場(chǎng)、控制場(chǎng)、數據場(chǎng)、CRC 場(chǎng)、應答場(chǎng)、幀結尾等部分。報文傳輸由數據幀、遠程幀、錯誤幀、過(guò)載幀、表示和控制。數據幀/遠程幀通過(guò)幀間空間相分隔。信號使用差分電壓傳送，兩條信號線(xiàn)被稱(chēng)為“CAN_H”和“CAN_L”，靜態(tài)時(shí)均是2.5V左右，此時(shí)狀態(tài)表示為邏輯“1”，也可以叫做“隱性”。用CAN_H比CAN_L高表示邏輯 “0”，稱(chēng)為“顯性”，此時(shí)，通常電壓值為：CAN_H = 3.5V 和CAN_L = 1.5V 。

2、基于SJA1000的自絡(luò )筒通信系統設計

2.1、SJA1000簡(jiǎn)介

SJA1000是Philips公司生產(chǎn)的獨立CAN 總線(xiàn)控制器,它是早期的PCA82C200 的替代產(chǎn)品。它與 PCA82C200在管腳、電氣特性上完全兼容,不僅有 和PCA82C200一樣的基本CAN (BasicCAN)工作模式,而且新增加了增強CAN ( PeliCAN)工作模式,這種模式支持具有很多新特性的CAN2. 0B 協(xié)議。SJA1000是一種應用于汽車(chē)和一般工業(yè)環(huán)境的獨立CAN總線(xiàn)控制器，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單總線(xiàn)連接可完成CAN總線(xiàn)的物理層和數據鏈路層的所有功能。其硬件與軟件設計和PCA82C200的基本CAN模式BasicCAN兼容。同時(shí)，新增加的增強CAN模式PeliCAN還可支持CAN2.0B協(xié)議。SJA1000的主要特性如下 ：1、管腳及電氣特性與獨立CAN總線(xiàn)控制器PCA82C200兼容 ;2、軟件與PCA82C200兼容(缺省為基本CAN模式);3、擴展接收緩沖器(64字節FIFO);4、支持CAN2.0B時(shí)支持11和29位標識符;5、位通訊速率為1Mbits/s;6、增強CAN模式(PeliCAN);7、采用24MHz時(shí)鐘頻率;8、支持多種微處理器接口;9、可編程 CAN輸出驅動(dòng)配置;10、工作溫度范圍為-40~+125℃。

2.2、CAN通信系統中硬件設計

CAN控制模塊主要由接口管理邏輯、發(fā)送緩沖器、接收緩沖器(RXFIFO)、接收過(guò)濾器、位流處理器 (BSP)、位時(shí)序邏輯 (BTL)和錯誤管理邏輯(EML)組成。

本項目中自動(dòng)絡(luò )筒機控制系統中共有60個(gè)單錠，通過(guò)上位機來(lái)對各個(gè)單錠進(jìn)行控制。

根據自動(dòng)絡(luò )筒機通信系統的功能及要求，選SJA1000作為CAN控制器，并且使用了CAN控制器接口芯片PCA82C250，PCA82C250是 CAN協(xié)議控制器和物理總線(xiàn)之間的接口。此器件對總線(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。整個(gè)系統以Atmel AVR單片機Mega64L。ATMEL公司的AVR單片機，是增強型RISC內載Flash的單片機，芯片上的Flash存儲器附在用戶(hù)的產(chǎn)品中，可隨時(shí)編程，再編程，使用戶(hù)的產(chǎn)品設計容易，更新?lián)Q代方便。AVR單片機采用增強的RISC結構 ，使其具有高速處理能力，在一個(gè)時(shí)鐘周期內可執行復雜的指令。本系統采用的AVR mega64L還具有：用32個(gè)通用工作寄存器代替累加器，從而可以避免傳統的累加器和存儲器之間的數據傳送造成的瓶頸現象;一個(gè)時(shí)鐘周期執行一條指令;可直接訪(fǎng)問(wèn)8M字節程序存儲器和8M字節數據存儲器寄存器等特點(diǎn)。因此，采用ATMEL公司生產(chǎn)的AVR位單片機Mega64L機作為控制系統的主控制器是十分理想的選擇。SJA1000在自絡(luò )筒通信系統中單錠的硬件配置與CAN總線(xiàn)接口的電路如圖 2示。硬件電路中使用 PCA82C250的目的是為了增大通信距離，提高系統的瞬間抗干擾能力，保護總線(xiàn)，降低射頻干擾，實(shí)現熱防護等。

SJA1000在電路中是一個(gè)總線(xiàn)接口芯片，實(shí)現從上位機PC-CAN接口到現場(chǎng)微處理器之間的數據通信。對于微處理器而言，SJA1000是一個(gè)總線(xiàn)接口，SJA1000片內的存儲單元相對Mega64L來(lái)說(shuō)是片外的數據存儲器，因此，可以按照擴展片外數據存儲器的形式來(lái)訪(fǎng)問(wèn)SJA1000的寄存器地址。Mega64L是CAN控制器的微處理器，把Mega64L的ALE、RD、WR和 SJA1000的ALE、RD、WR相連就構成一個(gè)最小系統節點(diǎn)。Mega64L通過(guò)地址總線(xiàn)經(jīng)GAL譯碼來(lái)選通 SJA1000，并由此決定CAN控制器各寄存器的地址，通過(guò)讀、寫(xiě)外部數據存儲器的形式來(lái)訪(fǎng)問(wèn) SJA1000。在系統中我們將SJA1000的TX1腳懸空，RX1引腳接地，形成CAN協(xié)議所要求的電平邏輯。該電路的主要功能就是通過(guò)CAN總線(xiàn)接收來(lái)自上位機的數據進(jìn)行分析組態(tài)，然后下傳給下位機的控制電路實(shí)現控制功能，當智能控制系統接收到下位機的上傳數據，SJA1000的中斷輸出INT腳就會(huì )被激活，出現一個(gè)由高電平到低電平的躍變，產(chǎn)生一個(gè)中斷，從而引發(fā)微處理器Mega64L產(chǎn)生中斷，通過(guò)中斷處理程序接收每一幀信息并通過(guò)CAN總線(xiàn)上傳給上位機進(jìn)行分析，以便及時(shí)糾正誤碼、錯碼。

在進(jìn)行電路設計時(shí)需注意：為進(jìn)一步提高系統抗干擾能力，在CAN控制器SJA1000和CAN控制器接口PCA82C250之間加接6N137光電隔離芯片，并采用DC-DC變換器隔離電源;通信信號傳輸到導線(xiàn)的端點(diǎn)時(shí)會(huì )發(fā)生反射，反射信號會(huì )干擾正常信號的傳輸，因而總線(xiàn)兩端兩個(gè)124歐姆電阻對匹配總線(xiàn)阻抗起著(zhù)相當重要的作用，忽略掉它們，會(huì )使數據通信的抗干擾性和可靠性大大降低，甚至無(wú)法通信;PCA82C250第8腳與地之間的電阻RS稱(chēng)為斜率電阻，它的取值決定了系統處于高速工作方式還是斜率控制方式。把該引腳直接與地相連，系統將處于高速工作方式。在這種方式下，為避免射頻干擾，建議使用屏蔽電纜作總線(xiàn);而在波特率較低、總線(xiàn)較短時(shí)，一般采用斜率控制方式，上升和下降的斜率取決于RS的阻值。