CAN總線在組合機床電控系統通信中的應用

　　摘要：本文分析了目前廣泛應用的TI公司TMS320C2000X系列芯片中內嵌CAN控制器的特點，介紹了CAN總線在組合機床電控系統間通信的系統設計與實現，并在其基礎上重點介紹了控制器以及PC機與CAN總線接口的硬件設計和應用層協議軟件的設計思想。
　　
　　引言
　　
　　現代組合機床裝備了大量的電子設備來滿足加工精度、加工速度等要求，如果采用常規的點到點方式，直接把12V/24V電源連到負載設備上（如電機、液壓泵等），用開關使電路閉合，勢必造成導線數量不斷增加，而有限的布線空間則在相對減少。此外,這些電控單元還要進行復雜的控制決策運算，包括從周邊設備收集信息，發出控制命令，再根據反饋的信息做下一步的決策等。這一過程需要不同的電控單元之間進行通信，彼此影響。這些是不能通過簡單的連接所能實現的。
　　
　　有多種信息傳輸手段可以實現不同的電控單元之間的通信，如常用的RS-232、RS-485和CAN。RS-232雖然應用廣泛，但是傳輸速率較低，傳輸距離較短，抗*力較差，而且zui重要的是它只適合點對點的連接方式；RS-485也是一個常用的通信規范，它可以實現半雙工的總線型的網絡，總線上允許連接多收發器，即具有多站能力；而CAN（控制器局域網）具有現場總線的特征，與RS-485相比，CAN的信號形式更適合于熱插拔，而且它的網絡層協議在滿足模塊間通信高實時性要求的同時，與定時觸發的TIP相比更適合不定時傳送信息的要求。CAN繼承了集散控制系統（DCS）的優點，可以更方便地構建模塊間通信網絡。
　　
　　本文介紹利用CAN總線，實現組合機床電控系統間通信的系統設計與應用，給出模塊控制器以及監控PC機的CAN總線接口的硬件設計，和應用層協議軟件的設計思路。
　　
　　系統的描述
　　
　　●系統的組成及網絡結構
　　
　　系統由監控主機、并聯組合機床電控的數據采集模塊和CAN總線組成。
　　
　　本文研究的組合機床采用了上述CAN總線接口的微處理器系統。該系統包括數據采集和加工過程控制兩部分，前者由掛接在CAN總線上的數據采集單元完成，主要是從總線上收集有關組合機床的運行數據（由組合機床上的控制單元提供），進行一些基本的數據處理和診斷，如有關傳感器、執行器是否失效，然后將有關數據和加工狀況存儲在擴展的EPROM中，在適當時刻將存儲的數據通過RS232總線上傳到監控主機（PC）進行分析。實際上可以直接把PC機掛接在CAN總線上。加工過程控制運行在PC機上，主要是處理由數據采集系統發送的數據，如動力頭轉速、進給量、切削深度等。這種分層處理的好處在于可以更好地利用PC數據處理能力以及已有的一些控制軟件資源，并且可以脫機處理。
　　
　　監控主機通過CAN總線從各模塊獲取現場控制數據，監控整個系統的工作狀態，控制各模塊的投入和退出，完成人機對話，響應近端和遠端的操作。
　　
　　各個組合機床電控單元間以及模塊與監控主機之間通過CAN連接通信，通信網絡拓撲結構采用總線式結構。
　　
　　這種結構的特點是多個節點共用一條傳輸線，結構簡單、成本低；采用無源抽頭連接，可靠性高。信息的傳輸采用CAN通信協議，線路利用率高。傳輸介質為雙絞線，如需進一步提高抗*力，還可在控制器和傳輸介質之間加接光電隔離。
　　
　　●硬件介紹
　　
　　硬件包括TMS320LF2407A與CAN總線的接口、監控機與CAN的接口。
　　
　　由于LF2407A內嵌CAN控制器，因此它的CAN總線接口只需一個完成電平轉換和線路驅動的驅動器PCA82C250T。
　　
　　PCA82C250T是CAN協議控制器和物理總線的接口，對總線提供差動發送能力，對CAN控制器提供差動接收能力，*符合“ISO11898”標準。在CAN總線的網絡終端，總線上需加一個120Ω的匹配電阻。
　　
　　監控機使用了工業控制用PC機，與CAN的接口用一塊CAN總線通信接口適配卡實現，適配卡插在PC機的擴展槽內。
　　
　　●LF2407A的CAN控制器
　　
　　LF2407A的CAN控制器是一個16位的外設模塊，可以通過設置或讀取內部寄存器來訪問CAN控制器。LF2407A的CAN控制器由可編程位定時器和6個組成。方式是CAN控制器的特點，是一個48×16位的RAM空間，此空間分為6個，每個由標識寄存器、控制寄存器及4×16位的存儲空間組成，其中0和1是接收，4和5是發送，而2和3則可隨意配置成發送或接收。CPU以統一的內存編址來訪問這些寄存器。
　　
　　LF2407A的CAN控制器支持CAN2.0協議，有自動重發功能，支持數據幀和遠程幀，數據收發采用方式，可工作在標準模式和擴展模式，有可編程位定時器，可編程實現總線喚醒功能，可對中斷配置編程。TMS320LF2407A芯片的這些特點方便了系統功能的實現。
　　
　　CAN網絡發送周期
　　
　　該圖為在其他站處于等待狀態時，一次成功發送周期的時序圖，成功發送周期=傳輸時延+傳輸時間。
　　
　　由于CAN網絡的信息傳遞是基于ID優先權的競爭機制仲裁。當t時刻發生在A節點仲裁場結束之前，即有不少于兩個站同時發送時，需根據優先權的比較結果，決定發送站的成功發送周期時序。這里的“同時”可定義為，“當節點A發送信息時，另一個節點B在t時刻發送信息，若t時刻發生在A節點仲裁場結束之前，則稱A節點和B節點為同時發送信息”。在仲裁場結束之后，信息的成功發送周期由優先權的比較結果決定。此時，優先權高的占據總線，信息得以成功發送，優先權低的發送失敗，等待下一次發送。此時若A的優先權高于B的優先權，成功發送周期不變。否則，則成功發送節點為B節點，成功發送周期為B節點的發送時間加上兩節點同時發送進行優先權比較時A節點的仲裁場時間，即成功發送周期=傳輸時間+2×zui大傳輸時延+仲裁場時間。若t時刻發送在A節點仲裁場結束之后，則B節點等待下一次發送，成功發送周期不變。
　　
　　CAN控制器的編程
　　
　　●包過濾功能的編程
　　
　　CAN結點對數據包的選擇接收是通過接收包過濾功能來實現的。在數據鏈路層LLC（邏輯鏈路控制）子層實現數據包過濾。只有符合一定條件的數據包才會被該節點接收，其他數據包在底層即被丟棄。因此只要在發送節點為數據包設置正確的標示符，即可將其發送到的一個或多個節點。利用CAN總線端口驗收碼AC，驗收屏蔽碼AM，報文標識符ID的關系，即可實現上述目的。設目的CAN端口驗收碼、驗收屏蔽碼分別為AC、AM，則源CAN端口報文標識符ID設置應滿足如下條件，（ID.10～ID.3）或（AC.7～AC.0））或（AM.7～AM.0）=11111111B。應用中可以靈活設置CAN節點的驗收碼和驗收屏蔽碼，達到點對點，一點對多點，以及多主機的工作方式。
　　
　　●波特率設置的編程
　　
　　CAN總線的傳輸速率與兩個節點之間zui大距離有關，如表1所示。表中還同時給出了LF2407A的可編程位定時器的數值。這些值還與LF2407A的主時鐘頻率有關，表中的數值是在主時鐘頻率為16MHz下得到的，一般地可以按下面的公式計算位速率。
　　
　　波特率=ICLK/[（BRP+1）+BitTime]
　　
　　其中ICLK為DSP的系統頻率，BRP由總線時序寄存器0（BTR0）決定。
　　
　　BitTime=（TSEG1+1）+（TSEG2）+1
　　
　　其中TSEG1和TSEG2由總線時序寄存器1（BTR1）決定。
　　
　　●幀結構設計
　　
　　按照CAN2.0規范，CAN總線上傳送的報文由3～11個字節組成，其中包含3個字節的控制字節和0～8個數據字節，見表2。
　　
　　其中，方向位決定一半的優先級，而剩余的優先級由節點地址決定，低地址優先級為高。當方向位為“1”時，地址域是源節點地址（從節點到主節點），優先級由地址決定；當方向位為“0”時，地址域是目標節點地址（主節點到從節點），優先級由地址決定。類型的三個比特可以有多個取值，10×為單幀（廣播），111為非結束多幀（廣播），110為結束多幀（廣播），00×為單幀（點對點），011為非結束多幀（點對點），010為結束多幀（點對點）。每幀字節數用五個比特表示。忙信號位表示主節點正在與某一從節點通信，如果有另外從節點提出與主節點通信的要求時，主節點就向此從節點發出忙反饋信號，通知此節點稍后再與主節點通信，否則，從節點會連續向主節點提出通信請求，如果一直未收到任何響應，此節點會發出報警信息，從而會造成通信系統的誤操作。控制命令表示該幀所傳送消息的具體意義，可對各個消息（如測量、調整、控制等）編碼，實現模塊間的信息交換以及對外界的安全保密。系統的軟件
　　
　　●主控節點的確認
　　
　　為了使連接在一起的組合機床電控單元模塊能夠協調工作，在所有入網的模塊中動態地確立一個主模塊。所有非主模塊的數據基準取自主模塊。為了適應模塊熱插拔的要求，并避免主模塊故障導致系統的工作失常，主模塊是動態確立的。每隔一定的時間間隔，各個模塊都要廣播一個“爭主”請求，如果有已經確立的主模塊，則主模塊廣播一個“反對”應答，禁止其他模塊成為主模塊；如果尚未確立主模塊、或者已經確立的主模塊因故障而不能發出“反對”應答，則發出“爭主”請求的模塊就可以成為新的主模塊。利用多主競爭的原則，在某一主機失效的情況下，由其他從機競爭成為主模塊，代替原有主機的地位，這樣的機制可以保證整個系統不會因為一臺通信主節點的癱瘓造成整個組合機床電控單元間通信系統的癱瘓。
　　
　　●監控主機的軟件
　　
　　用一臺工控機作為監控機，通過適配卡與CAN連接。在監控機上用VB6.0編寫監控的操作軟件，并且把監控機作為局域網上的一臺操作服務器，用戶通過它可以對各個模塊進行操作。
　　
　　結束語
　　
　　本文介紹了TI公司TMS320LF2407A芯片中內嵌CAN控制器的特點,并在其基礎上把CAN總線技術應用在組合機床電控數據通信系統的設計與實現中，該系統主要采用了高性能的DSP芯片和適配卡，通過靈活的通信協議和接口的設計，使系統滿足CAN總線短突發、高實時性、高數據率的要求。此系統還可以應用到其他工業控制領域，具有廣泛的應用前景。