基于TMS320LF2407的CAN總線(xiàn)數控系統底層測控模塊

　　用計算機或微控制器通過(guò)一種或多種總線(xiàn)方式,實(shí)現與現場(chǎng)各種設備的通信,并通過(guò)總線(xiàn)實(shí)現對現場(chǎng)設備進(jìn)行必要控制的計算機網(wǎng)絡(luò )系統稱(chēng)為底層測控通信網(wǎng)絡(luò )系統,簡(jiǎn)稱(chēng)底層測控網(wǎng)絡(luò )。本文是針對數控系統方面來(lái)展開(kāi)研究的,提出了一種基于CAN總線(xiàn)的數控系統底層測控網(wǎng)絡(luò ),現場(chǎng)設備就是數控機床等數控設備。

　　2CAN總線(xiàn)的基本工作原理

　　CAN總線(xiàn)的拓撲結構是一個(gè)典型的串行總線(xiàn)的結構形式。CAN總線(xiàn)中一個(gè)節點(diǎn)發(fā)送信息,多個(gè)節點(diǎn)接收信息;但CAN總線(xiàn)的信息存取方式采用的是一種廣播式的存取工作方式。在CAN總線(xiàn)的通信協(xié)議中支持的是基于報文的工作方式。也就是說(shuō)加入或撤銷(xiāo)節點(diǎn)設備都不會(huì )影響網(wǎng)絡(luò )的工作,十分適用于控制系統要求快速、可靠、簡(jiǎn)明的特點(diǎn)。CAN總線(xiàn)的數據通信具有突出的可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性。CAN采用了CRC校驗并可提供相應的錯誤處理功能,保證了數據通信的可靠性。為了清楚地說(shuō)明數控系統遠程測控儀的工作原理,我們以結構方框圖的形式表示如圖1所示。輸入信號來(lái)自于數控機床電機編碼器的光電編碼器,輸出信號可以去伺服驅動(dòng)或控制其它需要的信號,下面是它的工作原理:

　　圖1基于CAN總線(xiàn)的數控系統遠程測控儀的工作原理圖

　　由伺服電機編碼器的脈沖輸出信號進(jìn)入測控儀的輸入端,后經(jīng)計數器濾波、倍頻、鑒相、計數等;微處理器對采來(lái)的數據進(jìn)行一定較簡(jiǎn)單處理,再轉發(fā)到CAN控制器的緩存器里面;時(shí)機成熟CAN控制器再進(jìn)一步發(fā)給CAN收發(fā)器(驅動(dòng)),最后CAN收發(fā)器把數據轉發(fā)給CAN總線(xiàn)、總管CAN節點(diǎn)的收發(fā)器、CAN控制器;總管CAN節點(diǎn)充當網(wǎng)關(guān)的作用,把底層CAN節點(diǎn)的數據取出來(lái)以便自己或其它對其進(jìn)行進(jìn)一步的復雜分析處理,相反上面來(lái)的數據依照同樣的道理可以通過(guò)CAN網(wǎng)關(guān)下傳到底層的CAN節點(diǎn)。就這樣底層和中間層進(jìn)行了數據信息的交流。底層的CAN節點(diǎn)也可以接受CAN總管節點(diǎn)發(fā)來(lái)的信息,通過(guò)輸出信號通道把命令傳給相應的接口電路、伺服系統,以便對數控設備進(jìn)行控制。

　　3基于DSP的CAN測控儀的設計與開(kāi)發(fā)

　　本文選用的微處理器是由TI公司生產(chǎn)的TMS320LF2407?；贒SP的CAN測控儀的系統原理框圖如圖2所示:

　　圖2基于DSP的CAN測控儀的系統原理框圖

　　DSP用的CPU用TI公司的2000系列的TMs320LF2407實(shí)現,光電隔離用6N137實(shí)現,CAN驅動(dòng)器用PCA820C250實(shí)現。因為T(mén)MS320LF2407自帶有CAN控制器,所以這里就不用加控制器。

　　3.1測控模塊硬件設計

　　智能結點(diǎn)包括信號采集、信號處理及信號傳輸三大部分,根據所選用的微處理芯片所帶的外圍接口的不同,整個(gè)智能結點(diǎn)的結構有所不同。本系統所選用的TMS320LF2407帶有豐富的外圍接口,所以整個(gè)智能結點(diǎn)結構簡(jiǎn)潔,系統的可靠性極強。以TMS320LF2407為核心的智能結點(diǎn)電路包括以下部分:電源電路、時(shí)鐘復位電路、CAN總線(xiàn)接口電路、信號調理部分及外擴存儲電路,其結構框圖如圖3:

　　圖3智能結點(diǎn)總體結構圖

　　由于TMS320LF2407內嵌CAN模塊,所以通過(guò)一個(gè)CAN驅動(dòng)器就可以與CAN總線(xiàn)相連。為了增強CAN總線(xiàn)結點(diǎn)的抗干擾能力,CANTX與CANRX并不直接與CAN驅動(dòng)器82C250的TXD和RXD相連,而是通過(guò)高速光耦6N137進(jìn)行電氣隔離后,再與82C250相接。這樣就很好的實(shí)現了總線(xiàn)上各CAN節點(diǎn)間的電氣隔離,避免了相互之間的電氣干擾。本系統中6N137所采用的電源3.3v、5V及5V-CAN是相互隔離的,保證了光耦器件的電氣隔離功能。82C250與CAN總線(xiàn)的接口部分也采用了一定的安全和抗干擾措施。82C250的CANH和CANL引腳各自通過(guò)一個(gè)5歐的電阻與CAN總線(xiàn)相接,電阻起到限制電流的作用,保護82C250免受過(guò)流的沖擊。CANH與CANL與地之間并聯(lián)了兩個(gè)30pF的小電容,可以起濾除總線(xiàn)上的高頻干擾,并具有一定的防電磁輻射的能力。另外在兩根CAN總線(xiàn)輸入端與地之間分別接了一個(gè)防雷擊管,當輸入端與地之間出現瞬變干擾時(shí),通過(guò)防雷擊管的放電可以起到一定的保護作用。

　　3.2時(shí)鐘和復位電路設計

　　3.2.1時(shí)鐘電路設計

　　本文采用6M的晶體振蕩器,晶振的輸出直接連接到X2引腳,并將DSP的X1引腳懸空。在設計程序時(shí),設置DSP內部的時(shí)鐘鎖相環(huán)為4倍頻,則CPU的工作時(shí)鐘就可達到24M。

　　3.2.2復位電路設計

　　在設計中,使用了上電復位和按鍵復位相結合的簡(jiǎn)單電路.在上電的瞬時(shí),電容相當于短路,在上電的瞬時(shí),電容C16相當于短路,此時(shí)RST為低電平,對芯片進(jìn)行復位處理。經(jīng)這一段時(shí)間后,電容的電壓達到2V,則復位過(guò)程結束,芯片進(jìn)入正常工作區。當按下K1時(shí),RST直接與地相連接,芯片進(jìn)行復位處理。因此操作者可以根據自己的需要隨時(shí)對系統進(jìn)行復位操作。

　　3.3電源電路設計

　　TM3S20LF2407A的工作電壓是.33v,而設計中用到的晶體振蕩器、光耦隔離器件6N137、CAN驅動(dòng)器均為SV供電,因此以TMS320LF2407A為核心所構成的應用系統是一個(gè)混合電壓系統,需要對電壓進(jìn)行轉換.系統中采用TI公司的甘57333Q電壓轉換芯片為DSP轉換.33V電壓。

　　3.4外擴存儲電路設計

　　TMs320LF2407片內帶有4K程序/數據RAM,32KFLASH程序存儲器,芯片自帶的數據和程序存儲器己經(jīng)滿(mǎn)足了本監控系統的要求,所以在實(shí)際應用中硬件設計時(shí)不用擴展數據和程序存儲器。但是作為初期的電路設計,為了方便在線(xiàn)調試,設計了一片64K靜態(tài)隨機讀寫(xiě)存儲器,在線(xiàn)調試時(shí)供程序、數據共同使用。

　　3.5信號調理電路設計

　　從傳感器傳來(lái)的信號均為電壓或電流信號,在本智能結點(diǎn)上,設計了放大電路及濾波電路,對初始信號進(jìn)行放大處理和濾波處理。為了保證測量的精度,對于精度要求較高的信號采用儀用放大器AD6523來(lái)進(jìn)行放大。而對于精度要求不高的信號,則采用價(jià)格低廉的LM324來(lái)進(jìn)行放大處理。

　　AD623可工作于單電源方式下,此時(shí)AD623的供電電壓范圍為3V-12V;DS623也可以工作在雙電源方式下,此時(shí)的電壓范圍為±5V到±6V。在本智能結點(diǎn)中,電源電路只提供3.3V和5V的電壓,且DSP的工作電壓為3.3V,所以采用單電源方式。為了去藕,在靠電源腳處加了10μf的電容。

　　4測控儀的軟件設計

　　智能結點(diǎn)的軟件包括系統的初始化模塊、數據采集模塊、數據處理模塊和系統的傳輸模塊。初始化模塊完成以下工作:根據芯片本身的功能和特征,所用的寄存器清零,程序FLASH區和數據RAM區初始化,中斷口設置等為主程序運行準備工作;還要檢查和保護系統電源,利用本身自帶的看門(mén)狗(WATCHDOG)監視DSP芯片的各資源的硬件運行情況。在DSP芯片能正常運行后,進(jìn)入數據采集軟件的主程序運行。使用默認配置參數分配數據采集卡系統的通道資源、存儲器資源和總線(xiàn)占用資源.數據采集模塊以EMA中斷(事件管理中斷)中的定時(shí)器軟中斷啟動(dòng)LS7266R1采集一幀數據;與其同時(shí),數據處理模塊對已采集完前一幀各通道數據做處理。數據的傳輸是通過(guò)CAN總線(xiàn)來(lái)完成的,所以數據傳輸模塊必須完成CAN總線(xiàn)通信功能。在下面的兩節里,將根據TMS320LF2407的特點(diǎn)詳細介紹數據采集、處理和傳輸模塊的設計。

　　CAN通信軟件的功能主要有兩個(gè):把智能結點(diǎn)的數據包裝成有效的CAN信息幀發(fā)給目標結點(diǎn);從CAN總線(xiàn)上接收有效的數據幀,并將信息幀還原為原始數據,供給CPU進(jìn)行下一步的操作。數據幀的包裝和還原都是由DSP內的CAN控制器來(lái)完成的,在通信軟件中,只需設置CAN控制器中的相應寄存器就可以了。TMS320LF2407的CAN控制器是一個(gè)完全的CAN控制器。整個(gè)軟件流程如圖4:

　　圖4軟件流程圖

　　圖5CAN總線(xiàn)通信流程圖

　　有了CAN控制器的支持,CAN通信軟件的設計就變得簡(jiǎn)潔明了。本系統CAN通信軟件設計思想是:將本系統向其它節點(diǎn)發(fā)送數據設計成函數,當本系統發(fā)送數據時(shí)調用此函數,將數據發(fā)送到CAN總線(xiàn)上;本系統接收數據采用中斷方式,當CAN控制器接收到數據后,向微控制器發(fā)出中斷響應信號,微控制器在中斷程序中將接收到的數據讀入。整個(gè)系統對CAN總線(xiàn)通信軟件管理的流程圖如圖5所示。