基于CAN總線的嵌入式數(shù)控系統(tǒng)接口設(shè)計

　　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)動器等執(zhí)行機構(gòu)通信的接口設(shè)計，解決了數(shù)控系統(tǒng)與伺服驅(qū)動器間指令信息傳輸精度及速度等誤差對數(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)與功能可擴展性好、性價比高等特點。

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

　　1 引言

　　計算機數(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CNC(ComputerNumericalController，計算機數(shù)字控制器)，用于將CNC軟件傳遞的位置或速度信號轉(zhuǎn)換成伺服驅(qū)動器能夠識別的脈沖量或模擬量信號，由于CNC控制器環(huán)節(jié)的存在，數(shù)據(jù)的傳遞和轉(zhuǎn)換過程就存在模擬量/數(shù)字量的轉(zhuǎn)換以及信號放大等環(huán)節(jié)，容易造成轉(zhuǎn)換信號的精度及速度誤差，造成系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾能力降低，同時也提高了系統(tǒng)成本?？偩€式數(shù)控結(jié)構(gòu)采用數(shù)字伺服裝置，沒有CNC控制器構(gòu)件，系統(tǒng)中傳遞的是數(shù)字信號，不存在模數(shù)信號的轉(zhuǎn)換及信號放大，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾能力。同時總線結(jié)構(gòu)的開放性和靈活性，使系統(tǒng)的組裝和調(diào)試變得簡單，降低了系統(tǒng)成本。總線式數(shù)控結(jié)構(gòu)已成為目前市場上中高檔數(shù)控系統(tǒng)的主流結(jié)構(gòu)，是未來數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢。

　　2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

　　現(xiàn)場總線支持數(shù)據(jù)雙向傳輸，線纜簡單，具有傳輸速率高、傳輸距離遠的特點，經(jīng)過多年的發(fā)展，已在工業(yè)領(lǐng)域取得了巨大成功。CAN(ControllerAreaNetwork)是德國BOSCH公司開發(fā)的，是國際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場總線之一，是一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議。CAN總線可實現(xiàn)全分布式多機系統(tǒng)，無主機和從機之分;可用點對點、一點對多點以及全局廣播方式收發(fā)數(shù)據(jù);通信距離最遠可達10Km(傳輸率5kb/s以下)，通訊速率最高可達1Mb/s(最長傳輸距離為40m);節(jié)點可達110個。由于其具有高可靠性和良好的錯誤檢測能力，被廣泛應(yīng)用于環(huán)境溫度惡劣、電磁輻射強和振動大的工業(yè)環(huán)境。

　　基于CAN總線的上述特點，本文設(shè)計了一個基于CAN總線的嵌入式數(shù)控系統(tǒng)接口設(shè)計，其結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。這是一種開放式的結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)分為主從兩個站，CNC系統(tǒng)為主站，從站為伺服驅(qū)動器、變頻器或者可編程控制器等設(shè)備組成。CNC系統(tǒng)通過CAN總線發(fā)送命令給從站，從站通過現(xiàn)場總線響應(yīng)CNC系統(tǒng)的命令并通過總線回傳反饋信號。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總線進行數(shù)據(jù)通信。

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

　　圖1中CNC系統(tǒng)CAN驅(qū)動電路采用C8051F040為核心控制器，實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計。C8051F040是完全集成的混合信號系統(tǒng)級芯片，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)，指令以時鐘周期為運行單位，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、優(yōu)先級判斷等處理。與之配套的CAN驅(qū)動電路采用TJA1050，它可以實現(xiàn)總線的差動發(fā)送與接收功能，并使用光耦進行電氣隔離，具有較高的抗干擾能力。

　　3 CAN總線通信鏈路設(shè)計

　　工業(yè)控制系統(tǒng)一般都要求有高的實時性，這就要求信息處理與傳輸時間應(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總線網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)傳輸過程相對復(fù)雜，系統(tǒng)采用CAN總線進行數(shù)據(jù)通信的特點如下。

　　(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)。按定時周期傳送的同步數(shù)據(jù)是周期數(shù)據(jù)，如電機位置、電流、轉(zhuǎn)矩等，要求具有實時性，需按定時周期進行周期性的傳輸，保證在每個定時周期內(nèi)完成。用戶非定時請求的異步數(shù)據(jù)是非周期數(shù)據(jù)，如通信參數(shù)、設(shè)備參數(shù)等，它不具有實時性要求，不需要嚴格地實時響應(yīng)用戶的請求。在軟件編程時需要區(qū)分這兩種類型數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟆Ｒ虼嗽谲浖O(shè)計時，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)。為了實現(xiàn)對所有從站以及單個從站的訪問，將非周期幀分為廣播幀和點對點幀。

　　對于周期幀，主站在每個定時周期發(fā)送，周期幀依次經(jīng)過各從站時，各從站從對應(yīng)的數(shù)據(jù)區(qū)先讀取指令，然后上傳寫回反饋數(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，完成一個定時周期內(nèi)主站與從站的數(shù)據(jù)交互。

　　對于非周期幀，主站發(fā)送廣播幀時，各從站分別下載、上傳數(shù)據(jù)，最后返回主站;主站發(fā)送點對點幀時，只有該數(shù)據(jù)幀中指定地址的從站進行響應(yīng)，各從站與經(jīng)過的數(shù)據(jù)幀中的指定地址進行匹配，匹配不成功則將數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)發(fā)到下一個從站，匹配成功則進行數(shù)據(jù)的下載、上傳。非周期數(shù)據(jù)不具有實時性，僅當(dāng)在主站接收到用戶的非周期數(shù)據(jù)請求，并只在周期幀傳輸空閑時進行傳輸，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各從站并且與之進行正常的數(shù)據(jù)交互，需在軟件環(huán)境下對總線網(wǎng)絡(luò)進行初始化工作：檢測總線網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，以確定主站與從站的連接方式;對各從站設(shè)備進行編址，使主站能正確訪問到各從站;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;識別各從站設(shè)備的類型，以使主站設(shè)備能夠根據(jù)從站類型傳輸對應(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)送廣播幀來完成的。在總線網(wǎng)絡(luò)初始化完成之后，進行主從站設(shè)備的周期與非周期通信。周期通信按設(shè)定的通信周期定時完成，非周期通信通過廣播幀或點對點幀對所有從站或單個從站進行操作。

　　4 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計

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

　　啟動系統(tǒng)軟件后，系統(tǒng)首先加載上次運行系統(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，并提示是否要進行原點調(diào)零等。然后調(diào)入數(shù)控加工程序并進行語法和詞法等檢查，檢查無誤后，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)的算法進行計算，得到帶有刀具補償量的數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)和對應(yīng)的準(zhǔn)備功能字、輔助功能字、刀號、刀補號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)議進行幀的處理，最后通過總線發(fā)送總線上，各個從站設(shè)備通過CAN接口下載信息并上傳相應(yīng)的信息，便于主站通過CAN總線接收，以此來實現(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、實時性強以及易于實現(xiàn)的特點已經(jīng)成為工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的主流?；贑AN總線的嵌入式數(shù)控系統(tǒng)接口設(shè)計具有良好的開放性、高性能和低成本等特點。系統(tǒng)集成度高、智能化程度高、結(jié)構(gòu)與功能可擴展性好、安全可靠。