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1、CAN总线在组合机床电控系统通讯中的应用ronggang导语：本文介绍利用CAN总线，实现组合机床电控系统间通讯的系统设计与应用，给出模块控制器以及监控PC机的CAN总线接口的硬件设计，和应用层协议软件的设计思路一、引言当代组合机床装备了大量的电子设备来知足加工精度、加工速度等要求，假如采用常规的点到点方式，直接把12V/24V电源连到负载设备上如电机、液压泵等，用开关使电路闭合，势必造成导线数目不断增加，而有限的布线空间那么在相对减少。此外,这些电控单元还要进展复杂的控制决策运算，包括从周边设备采集信息，发出控制命令，再根据反应的信息做下一步的决策等。这一经过需要不同的电控单元之间进展通讯，
2、彼此影响。这些是不能通过简单的连接所能实现的。有多种信息传输手段可以实现不同的电控单元之间的通讯，如常用的RS-232、RS-485和CAN。RS-232固然应用广泛，但是传输速率较低，传输间隔较短，抗干扰才能较差，而且最重要的是它只合适点对点的连接方式；RS-485也是一个常用的通讯标准，它可以实现半双工的总线型的网络，总线上允许连接多收发器，即具有多站才能；而CAN控制器局域网具有现场总线的特征，与RS-485相比，CAN的信号形式更合适于热插拔，而且它的网络层协议在知足模块间通讯高实时性要求的同时，与定时触发的TIP相比更合适不定时传送信息的要求。CAN继承了集散控制系统DCS的优点，可
3、以更方便地构建模块间通讯网络。本文介绍利用CAN总线，实现组合机床电控系统间通讯的系统设计与应用，给出模块控制器以及监控PC机的CAN总线接口的硬件设计，和应用层协议软件的设计思路。二、系统的描绘系统的组成及网络构造系统的组成如图1所示，系统由监控主机、并联组合机床电控的数据收集模块和CAN总线组成。本文研究的组合机床采用了上述CAN总线接口的微处理器系统。该系统包括数据收集和加工经过控制两局部，前者由挂接在CAN总线上的数据收集单元完成，主要是从总线上采集有关组合机床的运行数据由组合机床上的控制单元提供，进展一些根本的数据处理和诊断，如有关传感器、执行器是否失效，然后将有关数据和加工状况存储
4、在扩展的EPROM中，在适当时刻将存储的数据通过RS232总线上传到监控主机PC进展分析。实际上可以直接把PC机挂接在CAN总线上。加工经过控制运行在PC机上，主要是处理由数据收集系统发送的数据，如动力头转速、进给量、切削深度等。这种分层处理的好处在于可以更好地利用PC数据处理才能以及已有的一些控制软件资源，并且可以脱机处理。监控主机通过CAN总线从各模块获取现场控制数据，监控整个系统的工作状态，控制各模块的投入和退出，完成人机对话，响应近端和远端的操纵。各个组合机床电控单元间以及模块与监控主机之间通过CAN连接通讯，通讯网络拓扑构造采用总线式构造。这种构造的特点是多个节点共用一条传输线，构造
5、简单、本钱低；采用无源抽头连接，可靠性高。信息的传输采用CAN通讯协议，线路利用率高。传输介质为双绞线，如需进一步进步抗干扰才能，还可在控制器和传输介质之间加接光电隔离。硬件介绍硬件包括TMS320LF2407A与CAN总线的接口、监控机与CAN的接口。其中LF2407A与CAN总线的接口如图2所示。由于LF2407A内嵌CAN控制器，因此它的CAN总线接口只需一个完成电平转换和线路驱动的驱动器PCA82C250T。PCA82C250T是CAN协议控制器和物理总线的接口，对总线提供差动发送才能，对CAN控制器提供差动接收才能，完全符合“ISO11898标准。在CAN总线的网络终端，总线上需加一
6、个120的匹配电阻。监控机使用了工业控制用PC机，与CAN的接口用一块CAN总线通讯接口适配卡实现，适配卡插在PC机的扩展槽内。LF2407A的CAN控制器LF2407A的CAN控制器是一个16位的外设模块，可以通过设置或者读取内部存放器来访问CAN控制器。LF2407A的CAN控制器由可编程位定时器和6个邮箱组成。邮箱方式是CAN控制器的特点，邮箱是一个4816位的RAM空间，此空间分为6个邮箱，每个邮箱由邮箱标识存放器、邮箱控制存放器及416位的存储空间组成，其中邮箱0和邮箱1是接收邮箱，邮箱4和邮箱5是发送邮箱，而邮箱2和邮箱3那么可随意配置成发送或者接收邮箱。CPU以统一的内存编址来访
7、问这些邮箱存放器。LF2407A的CAN控制器支持CAN2.0协议，有自动重发功能，支持数据帧和远程帧，数据收发采用邮箱方式，可工作在标准形式和扩展形式，有可编程位定时器，可编程实现总线唤醒功能，可对中断配置编程。TMS320LF2407A芯片的这些特点方便了系统功能的实现。三、CAN网络发送周期CAN网络发送周期如图3所示。该图为在其他站处于等待状态时，一次成功发送周期的时序图，成功发送周期=传输时延+传输时间。由于CAN网络的信息传递是基于ID优先权的竞争机制仲裁。当t时刻发生在A节点仲裁场完毕之前，即有不少于两个站同时发送时，需根据优先权的比拟结果，决定发送站的成功发送周期时序。这里的“
8、同时可定义为，“当节点A发送信息时，另一个节点B在t时刻发送信息，假设t时刻发生在A节点仲裁场完毕之前，那么称A节点和B节点为同时发送信息。在仲裁场完毕之后，信息的成功发送周期由优先权的比拟结果断定。此时，优先权高的占据总线，信息得以成功发送，优先权低的发送失败，等待下一次发送。此时假设A的优先权高于B的优先权，成功发送周期不变。否那么，那么成功发送节点为B节点，成功发送周期为B节点的发送时间加上两节点同时发送进展优先权比拟时A节点的仲裁场时间，即成功发送周期=传输时间+2最大传输时延+仲裁场时间假设t时刻发送在A节点仲裁场完毕之后，那么B节点等待下一次发送，成功发送周期不变。四、CAN控制器
9、的编程包过滤功能的编程CAN结点对数据包的选择接收是通过接收包过滤功能来实现的。在数据链路层LLC逻辑链路控制子层实现数据包过滤。只有符合一定条件的数据包才会被该节点接收，其他数据包在底层即被丢弃。因此只要在发送节点为数据包设置正确的标示符，即可将其发送到指定的一个或者多个节点。利用CAN总线端口验收码AC，验收屏蔽码AM，报文标识符ID的关系，即可实现上述目的。设目的CAN端口验收码、验收屏蔽码分别为AC、AM，那么源CAN端口报文标识符ID设置应知足如下条件，ID.10ID.3或者AC.7AC.0或者AM.7AM.0=11111111B。应用中可以灵敏设置CAN节点的验收码和验收屏蔽码，到
10、达点对点，一点对多点，以及多主机的工作方式。波特率设置的编程CAN总线的传输速率与两个节点之间最大间隔有关，如表1所示。表中还同时给出了LF2407A的可编程位定时器的数值。这些值还与LF2407A的主时钟频率有关，表中的数值是在主时钟频率为16MHz下得到的，一般地可以按下面的公式计算位速率。波特率=ICLK/BRP+1+BitTime其中ICLK为DSP的系统频率，BRP由总线时序存放器0BTR0决定。BitTime=TSEG1+1+TSEG2+1其中TSEG1和TSEG2由总线时序存放器1BTR1决定。帧构造设计按照CAN2.0标准，CAN总线上传送的报文由311个字节组成，其中包含3个
11、字节的控制字节和08个数据字节。其中，方向位决定一半的优先级，而剩余的优先级由节点地址决定，低地址优先级为高。当方向位为“1时，地址域是源节点地址从节点到主节点，优先级由地址决定；当方向位为“0时，地址域是目的节点地址主节点到从节点，优先级由地址决定。类型的三个比特可以有多个取值，10为单帧播送，111为非完毕多帧播送，110为完毕多帧播送，00为单帧点对点，011为非完毕多帧点对点，010为完毕多帧点对点。每帧字节数用五个比特表示。忙信号位表示主节点正在与某一从节点通讯，假如有另外从节点提出与主节点通讯的要求时，主节点就向此从节点发出忙反应信号，通知此节点稍后再与主节点通讯，否那么，从节点会
12、连续向主节点提出通讯恳求，假如一直未收到任何响应，此节点会发出报警信息，进而会造成通讯系统的误操纵。控制命令表示该帧所传送消息的详细意义，可对各个消息如测量、调整、控制等编码，实现模块间的信息交换以及对外界的平安保密。五、系统的软件主控节点确实认为了使连接在一起的组合机床电控单元模块可以协调工作，在所有入网的模块中动态地确立一个主模块。所有非主模块的数据基准取自主模块。为了适应模块热插拔的要求，并防止主模块故障导致系统的工作失常，主模块是动态确立的。每隔一定的时间间隔，各个模块都要播送一个“争主恳求，假如有已经确立的主模块，那么主模块播送一个“反对应答，制止其他模块成为主模块；假如尚未确立主模
13、块、或已经确立的主模块因故障而不能发出“反对应答，那么发出“争主恳求的模块就可以成为新的主模块。利用多主竞争的原那么，在某一主机失效的情况下，由其他从机竞争成为主模块，代替原有主机的地位，这样的机制可以保证整个系统不会由于一台通讯主节点的瘫痪造成整个组合机床电控单元间通讯系统的瘫痪。监控主机的软件用一台工控机作为监控机，通过适配卡与CAN连接。在监控机上用VB6.0编写监控的操纵软件，并且把监控机作为局域网上的一台操纵效劳器，用户通过它可以对各个模块进展操纵。六、完毕语本文介绍了TI公司TMS320LF2407A芯片中内嵌CAN控制器的特点,并在其根底上把CAN总线技术应用在组合机床电控数据通讯系统的设计与实现中，该系统主要采用了高性能的DSP芯片和适配卡，通过灵敏的通讯协议和接口的设计，使系统知足CAN总线短突发、高实时性、高数据率的要求。此系统还可以应用到其他工业控制领域，具有广泛的应用前景。