基于CAN總線的嵌入式數(shù)控系統(tǒng)接口設(shè)計(jì)

　　摘要：本文提出了一種基于CAN總線的嵌入式數(shù)控系統(tǒng)與伺服驅(qū)動(dòng)器等執(zhí)行機(jī)構(gòu)通信的接口設(shè)計(jì)，解決了數(shù)控系統(tǒng)與伺服驅(qū)動(dòng)器間指令信息傳輸精度及速度等誤差對(duì)數(shù)控系統(tǒng)性能的影響。該系統(tǒng)接口具有集成度高、智能化程度高、結(jié)構(gòu)與功能可擴(kuò)展性好、性價(jià)比高等特點(diǎn)。

　　關(guān)鍵字：CAN總線;數(shù)控系統(tǒng);C8051F040

　　1 引言

　　計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)按其數(shù)據(jù)傳輸形式可分為數(shù)字脈沖式、模擬量式和總線式。數(shù)字脈沖式和模擬量式數(shù)控結(jié)構(gòu)都存在一個(gè)CNC(ComputerNumericalController，計(jì)算機(jī)數(shù)字控制器)，用于將CNC軟件傳遞的位置或速度信號(hào)轉(zhuǎn)換成伺服驅(qū)動(dòng)器能夠識(shí)別的脈沖量或模擬量信號(hào)，由于CNC控制器環(huán)節(jié)的存在，數(shù)據(jù)的傳遞和轉(zhuǎn)換過(guò)程就存在模擬量/數(shù)字量的轉(zhuǎn)換以及信號(hào)放大等環(huán)節(jié)，容易造成轉(zhuǎn)換信號(hào)的精度及速度誤差，造成系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾能力降低，同時(shí)也提高了系統(tǒng)成本。總線式數(shù)控結(jié)構(gòu)采用數(shù)字伺服裝置，沒(méi)有CNC控制器構(gòu)件，系統(tǒng)中傳遞的是數(shù)字信號(hào)，不存在模數(shù)信號(hào)的轉(zhuǎn)換及信號(hào)放大，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾能力。同時(shí)總線結(jié)構(gòu)的開(kāi)放性和靈活性，使系統(tǒng)的組裝和調(diào)試變得簡(jiǎn)單，降低了系統(tǒng)成本。總線式數(shù)控結(jié)構(gòu)已成為目前市場(chǎng)上中高檔數(shù)控系統(tǒng)的主流結(jié)構(gòu)，是未來(lái)數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

　　2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　現(xiàn)場(chǎng)總線支持?jǐn)?shù)據(jù)雙向傳輸，線纜簡(jiǎn)單，具有傳輸速率高、傳輸距離遠(yuǎn)的特點(diǎn)，經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，已在工業(yè)領(lǐng)域取得了巨大成功。CAN(ControllerAreaNetwork)是德國(guó)BOSCH公司開(kāi)發(fā)的，是國(guó)際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線之一，是一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議。CAN總線可實(shí)現(xiàn)全分布式多機(jī)系統(tǒng)，無(wú)主機(jī)和從機(jī)之分;可用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)以及全局廣播方式收發(fā)數(shù)據(jù);通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)10Km(傳輸率5kb/s以下)，通訊速率最高可達(dá)1Mb/s(最長(zhǎng)傳輸距離為40m);節(jié)點(diǎn)可達(dá)110個(gè)。由于其具有高可靠性和良好的錯(cuò)誤檢測(cè)能力，被廣泛應(yīng)用于環(huán)境溫度惡劣、電磁輻射強(qiáng)和振動(dòng)大的工業(yè)環(huán)境。

　　基于CAN總線的上述特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于CAN總線的嵌入式數(shù)控系統(tǒng)接口設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。這是一種開(kāi)放式的結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)分為主從兩個(gè)站，CNC系統(tǒng)為主站，從站為伺服驅(qū)動(dòng)器、變頻器或者可編程控制器等設(shè)備組成。CNC系統(tǒng)通過(guò)CAN總線發(fā)送命令給從站，從站通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線響應(yīng)CNC系統(tǒng)的命令并通過(guò)總線回傳反饋信號(hào)。本系統(tǒng)與傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)最大的區(qū)別就是通信方式的改變，采用CAN總線進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

　　圖1中，CNC系統(tǒng)把每個(gè)位置控制周期計(jì)算所得的速率、位置增量等數(shù)據(jù)通過(guò)CAN總線以數(shù)字量的形式傳送到伺服驅(qū)動(dòng)器，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)動(dòng)位移量的控制。伺服驅(qū)動(dòng)器的狀態(tài)信息也通過(guò)CAN總線傳給CNC系統(tǒng)，即CNC系統(tǒng)與伺服驅(qū)動(dòng)器之間是以數(shù)字量的形式進(jìn)行通信的，克服了普通數(shù)控系統(tǒng)采用模擬量控制時(shí)容易受到外界干擾的問(wèn)題以及采用脈沖控制時(shí)脈沖丟失的現(xiàn)象，保證了系統(tǒng)的完整性。

　　圖1中CNC系統(tǒng)CAN驅(qū)動(dòng)電路采用C8051F040為核心控制器，實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。C8051F040是完全集成的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)芯片，具有與MCS-51完全兼容的指令內(nèi)核，采用流水線處理技術(shù)，指令以時(shí)鐘周期為運(yùn)行單位，大大提高了指令執(zhí)行效率。內(nèi)部集成高性能CAN控制器，可完成對(duì)通信數(shù)據(jù)的成幀處理，包括零位的插入與刪除、數(shù)據(jù)塊編碼、循環(huán)冗余校驗(yàn)、優(yōu)先級(jí)判斷等處理。與之配套的CAN驅(qū)動(dòng)電路采用TJA1050，它可以實(shí)現(xiàn)總線的差動(dòng)發(fā)送與接收功能，并使用光耦進(jìn)行電氣隔離，具有較高的抗干擾能力。

　　3 CAN總線通信鏈路設(shè)計(jì)

　　工業(yè)控制系統(tǒng)一般都要求有高的實(shí)時(shí)性，這就要求信息處理與傳輸時(shí)間應(yīng)盡可能短。與傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)相比，總線型數(shù)控系統(tǒng)通過(guò)主站發(fā)送數(shù)據(jù)到總線網(wǎng)絡(luò)以及接收從站發(fā)送來(lái)的信息。數(shù)據(jù)交互包括主站與從站、各從站之間以及整個(gè)總線網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程相對(duì)復(fù)雜，系統(tǒng)采用CAN總線進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的特點(diǎn)如下。

　　(1)總線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸

　　數(shù)據(jù)在總線網(wǎng)絡(luò)上的傳輸可分為周期數(shù)據(jù)與非周期數(shù)據(jù)。按定時(shí)周期傳送的同步數(shù)據(jù)是周期數(shù)據(jù)，如電機(jī)位置、電流、轉(zhuǎn)矩等，要求具有實(shí)時(shí)性，需按定時(shí)周期進(jìn)行周期性的傳輸，保證在每個(gè)定時(shí)周期內(nèi)完成。用戶非定時(shí)請(qǐng)求的異步數(shù)據(jù)是非周期數(shù)據(jù)，如通信參數(shù)、設(shè)備參數(shù)等，它不具有實(shí)時(shí)性要求，不需要嚴(yán)格地實(shí)時(shí)響應(yīng)用戶的請(qǐng)求。在軟件編程時(shí)需要區(qū)分這兩種類(lèi)型數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟆Ｒ虼嗽谲浖O(shè)計(jì)時(shí)，采用了周期幀與非周期幀的傳輸。

　　周期幀和非周期幀均由幀頭、數(shù)據(jù)區(qū)和幀尾組成。周期幀包含了所有從站的數(shù)據(jù)，非周期幀只包含非周期數(shù)據(jù)。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)所有從站以及單個(gè)從站的訪問(wèn)，將非周期幀分為廣播幀和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)幀。

　　對(duì)于周期幀，主站在每個(gè)定時(shí)周期發(fā)送，周期幀依次經(jīng)過(guò)各從站時(shí)，各從站從對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)區(qū)先讀取指令，然后上傳寫(xiě)回反饋數(shù)據(jù)，在所有從站均完成數(shù)據(jù)的下載、上傳后，周期幀返回主站，完成一個(gè)定時(shí)周期內(nèi)主站與從站的數(shù)據(jù)交互。

　　對(duì)于非周期幀，主站發(fā)送廣播幀時(shí)，各從站分別下載、上傳數(shù)據(jù)，最后返回主站;主站發(fā)送點(diǎn)對(duì)點(diǎn)幀時(shí)，只有該數(shù)據(jù)幀中指定地址的從站進(jìn)行響應(yīng)，各從站與經(jīng)過(guò)的數(shù)據(jù)幀中的指定地址進(jìn)行匹配，匹配不成功則將數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)發(fā)到下一個(gè)從站，匹配成功則進(jìn)行數(shù)據(jù)的下載、上傳。非周期數(shù)據(jù)不具有實(shí)時(shí)性，僅當(dāng)在主站接收到用戶的非周期數(shù)據(jù)請(qǐng)求，并只在周期幀傳輸空閑時(shí)進(jìn)行傳輸，并保證周期幀的優(yōu)先傳輸。

　　(2)總線網(wǎng)絡(luò)初始化

　　總線網(wǎng)絡(luò)中的主站要求能夠正確地訪問(wèn)各從站并且與之進(jìn)行正常的數(shù)據(jù)交互，需在軟件環(huán)境下對(duì)總線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行初始化工作：檢測(cè)總線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以確定主站與從站的連接方式;對(duì)各從站設(shè)備進(jìn)行編址，使主站能正確訪問(wèn)到各從站;配置各從站設(shè)備的工作模式，以確定總線網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)傳輸格式;識(shí)別各從站設(shè)備的類(lèi)型，以使主站設(shè)備能夠根據(jù)從站類(lèi)型傳輸對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)。

　　總線網(wǎng)絡(luò)初始化是主從站設(shè)備通信的前提，利用主站向從站發(fā)送廣播幀來(lái)完成的。在總線網(wǎng)絡(luò)初始化完成之后，進(jìn)行主從站設(shè)備的周期與非周期通信。周期通信按設(shè)定的通信周期定時(shí)完成，非周期通信通過(guò)廣播幀或點(diǎn)對(duì)點(diǎn)幀對(duì)所有從站或單個(gè)從站進(jìn)行操作。

　　4 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　CNC系統(tǒng)的軟件功能主要是進(jìn)行數(shù)控加工代碼的預(yù)處理，包括讀入與編輯CNC加工程序、詞法及語(yǔ)法的檢查、譯碼、刀具補(bǔ)償處理以及數(shù)據(jù)保存。

　　啟動(dòng)系統(tǒng)軟件后，系統(tǒng)首先加載上次運(yùn)行系統(tǒng)完成后所保存的數(shù)據(jù)信息和系統(tǒng)所處的狀態(tài)信息，并提示是否要進(jìn)行原點(diǎn)調(diào)零等。然后調(diào)入數(shù)控加工程序并進(jìn)行語(yǔ)法和詞法等檢查，檢查無(wú)誤后，根據(jù)數(shù)控加工程序段的準(zhǔn)備功能字、輔助功能字、T功能、H功能等用相應(yīng)的算法進(jìn)行計(jì)算，得到帶有刀具補(bǔ)償量的數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)和對(duì)應(yīng)的準(zhǔn)備功能字、輔助功能字、刀號(hào)、刀補(bǔ)號(hào)等功能字一起保存到固定格式的數(shù)據(jù)文件中。當(dāng)數(shù)據(jù)處理完畢后傳輸?shù)揭訡8051F040單片機(jī)為核心的CAN接口電路中，然后將要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)按相應(yīng)的通信協(xié)議進(jìn)行幀的處理，最后通過(guò)總線發(fā)送總線上，各個(gè)從站設(shè)備通過(guò)CAN接口下載信息并上傳相應(yīng)的信息，便于主站通過(guò)CAN總線接收，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。系統(tǒng)主站數(shù)據(jù)的傳輸流程圖如圖2所示。

　　5 結(jié)論

　　隨著嵌入式技術(shù)和現(xiàn)場(chǎng)總線在控制領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，CAN總線由于具有可靠性高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)以及易于實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)已經(jīng)成為工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的主流。基于CAN總線的嵌入式數(shù)控系統(tǒng)接口設(shè)計(jì)具有良好的開(kāi)放性、高性能和低成本等特點(diǎn)。系統(tǒng)集成度高、智能化程度高、結(jié)構(gòu)與功能可擴(kuò)展性好、安全可靠。