基于CAN總線(xiàn)的送經(jīng)卷取的系統設計

摘要：針對紡織機電子送經(jīng)和卷取系統的數據傳輸效率低等問(wèn)題，設計了一套基于CAN總線(xiàn)的送經(jīng)和卷取的系統，該系統以CAN總線(xiàn)為通信方式，利用ARM主控制器，設計了電子送經(jīng)和卷取系統的CAN總線(xiàn)通信硬件電路和相關(guān)軟件，實(shí)現了主控結點(diǎn)與卷取驅動(dòng)器和送經(jīng)驅動(dòng)器的高效通信，結果表明了該方法的有效性和可靠性。

紡織業(yè)是我國一大傳統行業(yè)，隨著(zhù)國際棉紡織技術(shù)向優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、自動(dòng)化、連續化方向的迅速發(fā)展，提高我國紡織產(chǎn)業(yè)的機電一體化水平，實(shí)現工藝參數的智能化是各紡織企業(yè)的工作重點(diǎn)。

電子送經(jīng)卷取系統是紡織工藝流程的一個(gè)重要環(huán)節，其控制性能的優(yōu)劣直接影響著(zhù)工藝過(guò)程及織機的效率。然而，通信又是該系統的關(guān)鍵技術(shù)，使得電子送經(jīng)卷取系統通信的設計受到國內外紡織公司(德國的百格拉，意大利的舒美特等公司)的高度重視，提出了多種設計方案。然而，中國用戶(hù)仍然面臨著(zhù)劍桿織機送經(jīng)和卷取系統的價(jià)格昂貴、操作復雜，數據傳輸效率低等問(wèn)題。

CAN(控制器局域網(wǎng))總線(xiàn)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 )，與其它通訊相比，其數據通信具有突出的靈活性和可靠性。ARM控制器可以滿(mǎn)足一般的工業(yè)控制的需要，其具有減少系統硬件設計的復雜度和性?xún)r(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應用。因此，針對國內電子送經(jīng)卷取系統數據傳輸率低和國外系統價(jià)格昂貴問(wèn)題，本文采用ARM公司的ARM7一UPC2194和Philips公司的PCA82C250為核心器件，研制開(kāi)發(fā)了一種基于ARM芯片作為主控制器，CAN總線(xiàn)為通信方式的嵌入式電子送經(jīng)卷取系統，該系統具有響應速度快、傳輸效率高等優(yōu)點(diǎn)。

1 送經(jīng)卷取系統的總體設計

根據技術(shù)及經(jīng)濟需求，本設計選取ARM7-LPC2194為主控制器，作為CAN網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)控制器，(其中LPC2194內部集成有四路CAN控制器而不必外接CAN控制器)，應用CAN總線(xiàn)技術(shù)和接口電路，實(shí)現了節點(diǎn)間的高效數據交換和傳輸。系統總體框圖如圖1所示。

2 系統的硬件設計

2.1 系統CAN總線(xiàn)的實(shí)現

送經(jīng)卷取系統主要由內部集成有四路CAN控制器的ARM7-LPC2194芯片、光電隔離器TLP2631、CAN收發(fā)器PCA82C250及送經(jīng)卷取驅動(dòng)器等元件組成，其結構如圖2所示。

本設計分別將協(xié)議控制器通過(guò)串行數據輸出線(xiàn)TX和串行數據輸入線(xiàn)RX連接到光電隔離器TLP2631的3管腳和7管腳，實(shí)現了光電隔離。利用CAN收發(fā)器。PCA82C250將從光電隔離器TLP2631輸出的差動(dòng)的總線(xiàn)信號轉換成邏輯信號電平并在RxD輸出，接收到的串行數據通過(guò)與總線(xiàn)電纜相連的差動(dòng)發(fā)送和接收總線(xiàn)終端CANH和CANL將數據送到總線(xiàn)協(xié)議控制器譯碼，完成了普通電平到顯、隱性電平的傳輸。CAN總線(xiàn)獲取顯、隱性電平后，再經(jīng)過(guò)PCA82C250和光電耦合器TLP2631將數據傳輸給送經(jīng)驅動(dòng)器、卷取驅動(dòng)器的CAN接收端口，從而實(shí)現了基于CAN總線(xiàn)的數據傳輸。

2.2 系統抗干擾的設計

信號數據傳輸過(guò)程中，存在著(zhù)擾動(dòng)，為此本設計采取以下措施來(lái)克服干擾的影響：

1)為了滿(mǎn)足光電隔離的要求，本設計在協(xié)議控制器和CAN收發(fā)器之間加入了TLP2631光電隔離器，有效地抑制了傳輸線(xiàn)中由于耦合電容、電感造成的干擾，實(shí)現了不同電平的轉換。

2)為了匹配數據總線(xiàn)的阻抗和提高數據傳輸的抗干擾能力，在CAN總線(xiàn)終端的兩端加有兩個(gè)120 Ω總線(xiàn)阻抗匹配電阻。若不接這兩個(gè)電阻，有時(shí)甚至無(wú)法通信。采用屏蔽雙絞線(xiàn)以減少現場(chǎng)環(huán)境對結點(diǎn)的干擾。

3 系統的軟件設計

送經(jīng)卷取系統的軟件設計是實(shí)現數據高效通信的關(guān)鍵，本文的軟件部分主要由數據采集程序和CAN總線(xiàn)通信程序設計兩部分組成。其中數據采集程序可參考文獻，本文重點(diǎn)論述CAN通訊程序的設計。

3.1 開(kāi)發(fā)環(huán)境

軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境，選用ADS1.2集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，ADS是ARM微控制器集成開(kāi)發(fā)工具。ADS1.2支持ARM10之前所有ARM系列，支持軟件調試及JTAG硬件仿真調試，支持匯編語(yǔ)言、C/C++源程序;具有編譯效率高、系統庫功能強等特點(diǎn);可以在WINDOWS 98、WINDOWS XP、WINDOWS 2000上運行。

3.2 CAN總線(xiàn)通信主程序的設計

本程序采用模塊化結構，來(lái)實(shí)現各結點(diǎn)間的通信。程序首先對CAN控制器函數初始化，其次檢測是否有接收幀和數據異常，實(shí)現數據的接收和發(fā)送。從而完成ARM芯片啟動(dòng)代碼的編碼，其結構如圖3所示。然后，主程序通過(guò)調用CAN啟動(dòng)驅動(dòng)程序提供的接口，便可實(shí)現數據的有效傳輸。

3.3 CAN控制器函數初始化

CAN控制器初始化，主要是完成總線(xiàn)的參數設置，其主要包括硬件使能、寄存器復位、波特率及驗收濾波器的工作方式等設置，其結構如圖4所示。

硬件使能是通過(guò)寄存器來(lái)控制多路開(kāi)關(guān)并使其與CAN控制器連接，因為CAN的某些寄存器必須在軟復位狀態(tài)下讀寫(xiě)，所以一定要進(jìn)行軟件復位。

初始化子程序采用的主要函數如下：

3.4 數據接收子程序

接收數據可采用查詢(xún)方式或中斷方式，本文采用數據查詢(xún)方式，完成子程序的設計，利用旁路濾波器，通過(guò)查詢(xún)接收數據存儲空間，判斷是否接收信息寄存器、標識符寄存器、數據寄存器的RX幀。由于接收緩沖區的容量不大，所以接收緩沖區接收幀，必須立即進(jìn)入環(huán)形接收緩沖區，然后再對環(huán)形接收緩沖區里的信息進(jìn)行分類(lèi)處理。

3.5 發(fā)送子程序

總線(xiàn)將采集到的數據(Tx幀信息寄存器、Tx標識符寄存器、Tx數據寄存器A、Tx數據寄存器B)經(jīng)過(guò)打包成符合發(fā)送幀格式的數據后，通過(guò)調用發(fā)送數據函數進(jìn)行數據的發(fā)送。程序首先檢查L(cháng)PC2194的3個(gè)發(fā)送緩沖區和總線(xiàn)的空閑空間，通過(guò)查詢(xún)CANSR的TCS位，將幀傳到總線(xiàn)，結構如圖5所示。

4 結束語(yǔ)

解決國內電子送經(jīng)卷取系統數據傳輸率低和國外系統價(jià)格昂貴問(wèn)題，本文設計了一種基于A(yíng)RM7的紡織機送經(jīng)和卷取系統，利用性?xún)r(jià)比高的主控器ARM7-LPC2194、CAN接收器PCA82C250和光電耦合器TLP2631，實(shí)現了送經(jīng)卷取系統總線(xiàn)的網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)設計，較好地解決了紡織機的電子送經(jīng)和卷曲系統的數據傳輸問(wèn)題，該系統自動(dòng)化程度，具有高效的通信率和抗干擾能力。同時(shí)，本系統的通信方案，對于其它工業(yè)測控領(lǐng)域也具有較好的應用前景。