CAN總線(xiàn)在五軸嵌入式數控磨削系統中的應用

0 引言

　　多軸數控系統在加工復雜型面時(shí)，需要各個(gè)軸之間協(xié)同工作，實(shí)時(shí)性、可靠性要求較高。CAN總線(xiàn)可提供高達1Mbit／s的數據傳輸速率，這使實(shí)時(shí)控制變得非常容易。另外，硬件的錯誤檢測特性也增強了CAN的抗電磁干擾能力。它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 )，這些特點(diǎn)決定了CAN總線(xiàn)技術(shù)在多軸數控系統中有很好的應用前景。本文利用CAN總線(xiàn)技術(shù)為五軸數控系統提供了一個(gè)實(shí)時(shí)可靠的信息交互網(wǎng)絡(luò )，解決了傳統總線(xiàn)插板I／O模塊多，干擾嚴重、系統軟件復雜、硬件兼容性差等問(wèn)題，提高了信號傳輸實(shí)時(shí)性和可靠性，便于安裝、調試和維護，經(jīng)濟效益明顯，是自動(dòng)化領(lǐng)域發(fā)展的一個(gè)重要方向。

1 基于CAN總線(xiàn)數控系統的結構

　　如圖1所示，本控制系統在結構分布上采用的是完全分布式控制，數控系統的核心是一個(gè)基于A(yíng)RM9核的主控芯片$3C2410。s3C2410負責根據加工圖形進(jìn)行數據處理，計算刀具半徑補償量，設置進(jìn)給速度，執行輔助功能代碼。進(jìn)行插補運算，把插補后的數據通過(guò)總線(xiàn)送到伺服驅動(dòng)器，并接收從伺服控制器反饋回來(lái)的轉速；脈沖信息，實(shí)現閉環(huán)控制以及接收傳感器傳來(lái)的電壓、電流、位置等參數，顯示并記錄。其他每個(gè)ARM9控制芯片$3C2410僅僅負責一軸的伺服進(jìn)給控制，另外主控機還要根據PLC傳來(lái)的信號來(lái)控制伺服電機，調整設置。PLC模塊主要負責接收面板的控制信號、設置信號以及極限報警信號，這些數據通過(guò)CAN總線(xiàn)傳到上位機后，轉化為伺服電機的控制信號，再發(fā)送到總線(xiàn)，控制伺服電機和變頻器以及更改電機設置。主控單元、電機驅動(dòng)單元均以S3C2410為核心構成并通過(guò)CAN總線(xiàn)相連。其中，主控單元通過(guò)自帶的鍵盤(pán)發(fā)送電機運行參數和控制命令，LCD顯示電機運行狀態(tài)。這樣的分布式控制方式能夠實(shí)現高精度的伺服進(jìn)給控制，每個(gè)節點(diǎn)不會(huì )相互影響，容易擴展，故障率低。

圖1基于CAN總線(xiàn)的數控系統的結構圖

2 CAN總線(xiàn)通信系統硬件設計

　　電機控制的各個(gè)節點(diǎn)問(wèn)的通信是通過(guò)CAN總線(xiàn)來(lái)完成。一般有2種CAN總線(xiàn)器件可供選擇：一種是集成了CAN控制器的微控制器，如Philips公司的P8XC592，Intel的87C196CA，TI公司的TMS320LF2407(DSP)等，這類(lèi)集成器件電路圖緊湊，硬件結構簡(jiǎn)單。另一種是獨立的CAN控制器，如Philips的82C200，SJAl000，Intel的82526，82527，Microchip的MCP2510、MCP2515。這類(lèi)獨立的控制器可使設計靈活，從眾多類(lèi)型MCU中選擇最合適的方案。文中所涉及的系統選用的是獨立的CAN控制器MCP2515和CAN收發(fā)器MCP2551。MCP2515完全支持具有很多新特性的CAN2．0B協(xié)議，能夠發(fā)送和接收標準數據幀以及擴展數據幀以及遠程幀，自帶的2個(gè)驗收屏蔽寄存器和6個(gè)驗收濾波寄存器可以過(guò)濾掉不想要的報文，可有效減少主單片機(MCU)的開(kāi)銷(xiāo)，并具有接收過(guò)濾和信息管理的功能。MCP2515支持0，0和1，1的SPI模式，通過(guò)其SPI引腳同MCU進(jìn)行數據傳輸，最高數據傳輸速率可達1Mbps。另外，MCP2515具有靈活的中斷管理功能，可以很好地用在數控系統控制中。CAN收發(fā)器MCP2551是一個(gè)可容錯的高速CAN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。它完全符合ISO一11898標準，它的工作速率高達1 Mbps。MCP2515和MCP2551接口部分的電路圖如圖2所示。CAN控制器MCP2515的串行數據輸出線(xiàn)(TX)和串行數據輸入線(xiàn)(RX)分別通過(guò)高速光耦6N137和5V電源隔離模塊HDNl—5S5與收發(fā)器相連，MCP2551通過(guò)有差動(dòng)發(fā)送和接收功能的2個(gè)總線(xiàn)端CANH和CANL接到總線(xiàn)電纜。8腳是輸入Rs，用于模式控制，不同連接方式可以實(shí)現3種不同的工作方式：高速、斜率控制和待機。本系統采用1．6kQ的電阻使之工作于斜率模式，有效降低射頻干擾。MCP2551的額定電源電壓是5 V，總線(xiàn)兩端接120 Q的電阻，用以提高整個(gè)系統通信的可靠性和抗干擾能力。在設計接口電路時(shí)，首先要根據微處理器選擇MCP2515的接口模式，MCP2515的片選地址應與其它的外部存儲器無(wú)沖突，注意MCP2515的復位電路是低電平有效。另外，微處理器對MCP2515的控制訪(fǎng)問(wèn)是以外部存儲器的方式來(lái)訪(fǎng)問(wèn)的內部寄存器。

圖2 CAN接口部分電路原理圖

3 CAN總線(xiàn)通信的程序設計

　　CAN總線(xiàn)通信程序設計主要包括CAN總線(xiàn)初始化、報文的發(fā)送程序設計和接收程序設計。MCP25 15只有在配置模式下才能初始化，在初始上電或復位時(shí)器件自動(dòng)進(jìn)入配置模式，也可以將CANTRL寄存器的REQQP設置為‘100’使器件進(jìn)入配置模式。在配置模式對位定時(shí)配置(CNFl，CNF2，CNF3)、發(fā)送請求寄存器TXRTSCTRL、接收濾波寄存器、接收屏蔽寄存器作相應的修改即可。數據的發(fā)送由MCP2515自動(dòng)完成，用戶(hù)只須將被發(fā)送的數據送到MCP2515的發(fā)送緩存器，然后將命令寄存器的“發(fā)送請求”標志置位，啟動(dòng)發(fā)送命令即可。發(fā)送過(guò)程可由MCP2515的中斷請求或控制段的輪詢(xún)狀態(tài)標志控制，采用，中斷方式，其數據發(fā)送程序流程圖如圖3。數據的接收自動(dòng)完成，接收程序只須從接收緩存器中讀取接收的數據，再進(jìn)行相應的處理即可，接收程序也采用中斷方式，其數據接收程序流程圖如圖4。