CAN現(xiàn)場總線技術(shù)的數(shù)字交流伺服系統(tǒng)研究

現(xiàn)場總線技術(shù)解決了傳統(tǒng)總線插板I/O模塊多，干擾嚴重、系統(tǒng)軟件編寫復(fù)雜、系統(tǒng)硬件兼容性差等問題。大大減輕了現(xiàn)場信號連接的繁瑣與費用，提高了信號傳輸?shù)木扰c靈活性，給安裝、調(diào)試和維護帶來諸多方便，為現(xiàn)場用戶帶來巨大的經(jīng)濟效益，代表著自動化領(lǐng)域發(fā)展的一個重要方向[1]。

CAN總線技術(shù)

隨著工業(yè)現(xiàn)場控制和自動化技術(shù)的不斷進步，傳統(tǒng)的通信模式已不能滿足現(xiàn)代工程需要。CAN（ControllerAreaNetwork）總線是80年代初德國Bosch公司為解決現(xiàn)代汽車中眾多控制與測試儀器間數(shù)據(jù)交換而開發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議，是一種性能先進、價格低廉、保密性好的現(xiàn)場總線（FieldBus）技術(shù)，能夠有效支持分布式控制或?qū)崟r控制串行通信網(wǎng)絡(luò)[2]。CAN總線中各節(jié)點都有權(quán)利向其它節(jié)點發(fā)送信息。通信介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜或光纖，主要技術(shù)特點有:

是一種多主總線

網(wǎng)絡(luò)上任一個節(jié)點均可在任意時刻主動向網(wǎng)絡(luò)上其它節(jié)點發(fā)送信息，多主站依據(jù)優(yōu)先機制進行總線訪問;

非破壞性基于優(yōu)先權(quán)總線仲裁技術(shù)

采用非破壞性基于優(yōu)先權(quán)總線仲裁技術(shù)結(jié)構(gòu)，大大節(jié)省總線沖突仲裁時間，在重負荷下表現(xiàn)出良好性能;

具有多種傳送數(shù)據(jù)功能

具有點對點，一點對多點（成組）及全局廣播傳送數(shù)據(jù)功能;

節(jié)點數(shù)目多

直接通訊距離最遠可達10km（傳輸速率為5kbps），最高通訊速率可達1Mbps（傳輸距離為40m）;

可靠性高

數(shù)據(jù)鏈路層采用短幀結(jié)構(gòu)，實時性高，糾錯效果好，每幀信息都有CRC校驗及其它校驗措施，數(shù)據(jù)出錯率低，可靠性高;

故障自動判別

發(fā)送期間若丟失仲裁或因出錯而遭破壞的幀可自動重發(fā)，暫時錯誤和永久性故障節(jié)點判別及故障節(jié)點自動脫離CAN總線。

CAN總線系統(tǒng)由CAN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點、轉(zhuǎn)發(fā)器節(jié)點和上位機構(gòu)成。總線技術(shù)遵循現(xiàn)場總線協(xié)議，將分布在不同位置，用途各異的測量儀表、控制設(shè)備互聯(lián)成網(wǎng)，并可接入Intranet和Internet網(wǎng)絡(luò)?，F(xiàn)場總線技術(shù)的關(guān)鍵標志是它能支持雙向多變量、總線式全數(shù)字通訊。傳統(tǒng)4～20mA模擬直流回路只能在一根兩芯電纜中單向傳輸一個參數(shù)，隨著系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的日益復(fù)雜和信息量的增加，4～20mA電流環(huán)傳輸成為制約信息傳輸?shù)钠款i，所以現(xiàn)場總線替代 4～20mA模擬信號標準已成為控制系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢。

基于CAN總線技術(shù)的多機伺服系統(tǒng)

CAN總線控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

基于CAN總線技術(shù)的多電機伺服控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)由上位機、CAN總線、現(xiàn)場伺服單元節(jié)點組成。數(shù)控系統(tǒng)上位機通過CAN總線控制網(wǎng)絡(luò)節(jié)點任一伺服單元，數(shù)字伺服與數(shù)控系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)傳輸可分為實時性數(shù)據(jù)信息和非實時性數(shù)據(jù)信息兩類。實時性數(shù)據(jù)指參與控制器實時位置、速度、轉(zhuǎn)矩等控制指令和反饋信息，傳輸速度要求較高。非實時性數(shù)據(jù)主要是指控制器參數(shù)設(shè)置、功能設(shè)定、診斷功能、伺服狀態(tài)與報警等信息，傳輸速度相對較低。

CAN接口適配器是上位機與伺服單元數(shù)據(jù)傳輸和控制的橋梁，伺服單元采集現(xiàn)場的數(shù)據(jù)通過總線傳給上位機，實現(xiàn)實時監(jiān)視和控制。

數(shù)字伺服系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)硬件與軟件設(shè)計

CAN總線接口硬件電路

數(shù)控系統(tǒng)上位機采用研華公司PCL-841卡實現(xiàn)CAN總線通訊，伺服驅(qū)動系統(tǒng)采用TI公司TMS320LF2407A片內(nèi)CAN控制器[3]。該控制器全面兼容CAN2.0B協(xié)議，具有標準和擴展標識符，有數(shù)據(jù)幀和遠程幀，2407A片內(nèi)CAN總線控制器與CAN物理總線接口采用82C250驅(qū)動器芯片。82C250采用阻抗為120Ω雙絞線作通訊介質(zhì)，信號采用差動接收和發(fā)送模式，抗干擾能力強，最高通訊速率可達1Mbps。有三種不同工作方式:高速、斜率控制和待機。本系統(tǒng)采用斜率控制，以降低射頻干擾。為了增加抗干擾能力，保護CAN控制器，在TMS320LF2407A與82C250之間加高速光電隔離器，光電隔離器采用HP公司HCPL-2630芯片，速度為10MHz，電路如圖2所示。

CAN總線網(wǎng)絡(luò)控制軟件包括網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層協(xié)議、節(jié)點功能流程和編碼等的配置和設(shè)計[4]。

郵箱初始化配置

包括對管腳的配置、波特率的設(shè)定、郵箱的收發(fā)配置等。首先，配置MCRB寄存器，將IOPC6和IOPC7引腳配置成特殊功能，即CANRX和 CANTX;其次，配置MDER寄存器，即配置郵箱使能和郵箱2～3功能;最后，對屏蔽ID寄存器進行配置，可以屏蔽任意位ID，這種寄存器只對接收郵箱起作用。

;CAN郵箱初始化配置
CAN_INIT:
LDP#DP_PF2
LACLMCRB
;配置CAN引腳
OR#0C0H
;IOPC6,IOPC7配置為特殊功能:CANRX,CANTX
SACLMCRB
;CAN位定時器配置
LDP#DP_CAN
SPLK#0040H,MDER;MD2=1,MBX2為發(fā)送方式
SPLK#0FFFFH,CAN_IFR
;清全部CAN中斷標志
SPLK#07FFFH,LAM1_H
;設(shè)置郵箱2、3屏蔽ID寄存器0
SPLK#0FFFFH,LAM1_L;則ID必須匹配

波特率設(shè)定

主要與3個寄存器有關(guān)，即SCSR1（系統(tǒng)控制和狀態(tài)寄存器1）、BCR1（位配置寄存器1）和BCR2（位配置寄存器2）。配置前要確定波特率和晶振頻率，當對位定時器進行配置時，CAN控制器必須處于復(fù)位模式下，即CCR=1。

SPLK#1000H,MCR;CCR=1改變配置請求
W_CCE:BITGSR,#0Bh;等待改變配置使能
BCNDW_CCE,NTC;當CCE=1時即可配置BCR2、BCR1寄存器
SPLK#01H,BCR2;波特率預(yù)分頻寄存器
SPLK#0033H,BCR1;波特率設(shè)置為1M
LACLMCR

郵箱收發(fā)配置

在數(shù)據(jù)域改變前首先要禁用郵箱，然后置位數(shù)據(jù)域，改變請求。再設(shè)置郵箱ID和信息控制寄存器。若是發(fā)送郵箱，則在數(shù)據(jù)域存放預(yù)發(fā)送數(shù)據(jù)，若是接收郵箱，則清空接收緩存。

;寫CAN郵箱內(nèi)容前寄存器設(shè)置
LDP#DP_CAN
SPLK#0040H,MDER;不使能郵箱,郵箱2設(shè)為接收方式
SPLK#0103H,MCR;CDR=1,數(shù)據(jù)區(qū)改變請求
;寫CAN郵箱內(nèi)容