基于CAN總線的主動量儀通道擴展方法研究*

沈會祥，鄭 鵬

(鄭州大學 機械工程學院，河南 鄭州450001)

0 引言

隨著計算機信息技術(shù)的發(fā)展以及工業(yè)自動化技術(shù)的日趨成熟，人們對產(chǎn)品的質(zhì)量與精度提出了更高的要求。產(chǎn)品加工出來以后再對產(chǎn)品進行檢測的方法由于廢品率高、自動化水平低、勞動強度大，已經(jīng)不能滿足日益成熟的工業(yè)自動化要求。為了達到人們對產(chǎn)品提出的更高要求，一種新型在線檢測設(shè)備——主動量儀應運而生。此設(shè)備能夠在磨削加工過程中對工件的尺寸進行實時監(jiān)測，并將測量結(jié)果反饋給磨床控制系統(tǒng)，從而在線加工過程中及時控制工件尺寸，減少了勞動強度，提高了自動化水平，降低了廢品率。因而，主動量儀在磨削加工過程中的應用得到了迅速的發(fā)展與推廣。

然而，國內(nèi)外主動量儀由于受體積限制，測量通道數(shù)目均有限。例如中原精密Z3000系列主動量儀和東京精密PULCOM V10控制儀最多只有4個傳感器測量通道，只能同時實現(xiàn)4路現(xiàn)場信號的實時采集，限制了其在磨加工在線測控過程中的應用。

近年來，信息技術(shù)水平和工業(yè)自動化水平不斷提高，通信系統(tǒng)中的設(shè)備數(shù)量越來越多，對通信速率的要求越來越高。傳統(tǒng)的通信系統(tǒng)無法匹配逐漸趨于完善的計算機功能，對傳統(tǒng)通信系統(tǒng)的改進勢必增加成本，效果也不明顯，因此，開發(fā)一種新型的通信技術(shù)非常重要?，F(xiàn)場總線技術(shù)就是在這種情況下產(chǎn)生的。它用一根總線將所有現(xiàn)場設(shè)備連接起來，實現(xiàn)了現(xiàn)場設(shè)備之間、現(xiàn)場設(shè)備與上位機之間的通信?，F(xiàn)場總線由于結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、技術(shù)先進、適應工業(yè)現(xiàn)場惡劣的工作環(huán)境等特點，被廣泛應用于各個領(lǐng)域。通信協(xié)議也逐漸形成國際化標準。本文針對主動量儀的缺點，采用現(xiàn)場總線來擴展主動量儀的測量通道。通過常用現(xiàn)場總線之間的相互比較，最終采用CAN總線構(gòu)建測量通道擴展系統(tǒng)方案，并通過實驗驗證了系統(tǒng)方案的可行性和有效性。

1 主動量儀結(jié)構(gòu)與工作原理

磨加工主動量儀主要由測量裝置、驅(qū)動裝置以及控制器三部分構(gòu)成，如圖1所示。傳感器是測量裝置的重要組成部分，主要用來將被測非電量信號轉(zhuǎn)化為電量信號，通常為電感信號。驅(qū)動裝置用來帶動測量裝置進入和退出測量工位。工件裝夾好以后，驅(qū)動裝置帶動工件進入測量工位進行加工，加工完畢以后，驅(qū)動裝置帶動工件退出測量工位，對工件進行裝卸?？刂破鲗y量裝置輸出的電感信號進行處理（整流、放大、濾波、A/D轉(zhuǎn)換等），發(fā)出粗磨、精磨、光磨、到尺寸等信號給磨床控制系統(tǒng)，磨床控制系統(tǒng)驅(qū)動磨床進給機構(gòu)來控制工件的尺寸。

圖1 磨加工主動量儀工作原理圖

由于主動量儀摒棄了傳統(tǒng)檢測的缺點，在加工過程中就能對工件進行實時監(jiān)測，因而在磨加工測控領(lǐng)域得到廣泛的應用。由于主動量儀的測量通道數(shù)目過少限制了其應用的進一步推廣，因此，擴展主動量儀的測量通道變得尤為重要。它可以通過一臺主動量儀實現(xiàn)多臺磨床的在線加工測量控制，從而降低產(chǎn)品加工的成本，提高生產(chǎn)效率，使主動量儀的功能更加強大。

2 主動量儀通道擴展方案設(shè)計

傳統(tǒng)DCS等系統(tǒng)由于結(jié)構(gòu)集中、導線和連接附件繁多、環(huán)境適應性差等缺點，已經(jīng)不能滿足工業(yè)自動化的要求，而現(xiàn)場總線的產(chǎn)生克服了傳統(tǒng)DCS等系統(tǒng)的上述缺點。因此，本文主要采用現(xiàn)場總線來實現(xiàn)主動量儀測量通道的擴展功能。下面對兩類常用的現(xiàn)場總線進行比較分析。

2.1 基于PROFIBUS-DP、CC-LINK總線測量通道擴展系統(tǒng)方案

基于PROFIBUS-DP、CC-LINK總線測量通道擴展系統(tǒng)方案設(shè)計如圖2所示。

采用主流 PROFIBUS-DP、CC-LINK現(xiàn)場總線擴展測量通道，速度快，可達12 Mb/s，技術(shù)含量高。這類現(xiàn)場總線模塊貨源少，主要是國外產(chǎn)品，價格較高。采用傳統(tǒng)的站地址編碼方式，需要站地址等節(jié)點的信息，這種編碼方式使得系統(tǒng)不太靈活。

圖2 基于PROFIBUS-DP、CC-LINK總線測量通道擴展系統(tǒng)方案設(shè)計圖

2.2 基于CAN總線測量通道擴展系統(tǒng)方案設(shè)計

基于CAN總線測量通道擴展系統(tǒng)方案如圖3所示。

圖3 基于CAN總線測量通道擴展系統(tǒng)方案設(shè)計圖

采用主流CAN現(xiàn)場總線擴展測量通道，速度不如PROFIBUS-DP、CC-LINK現(xiàn)場總線快，可達1 Mb/s。這類現(xiàn)場總線模塊貨源多，國內(nèi)外應用都比較普遍。它廢除了傳統(tǒng)的站地址編碼方式，代之對通信數(shù)據(jù)進行編碼，不需要站地址信息，系統(tǒng)顯得靈活，性價比高。

通過以上兩種現(xiàn)場總線測量通道擴展系統(tǒng)方案的設(shè)計與比較分析，最終選定CAN總線實現(xiàn)主動量儀測量通道的擴展。

3 硬件實現(xiàn)

本設(shè)計采用結(jié)構(gòu)簡單、抗干擾能力強、便于編程、性價比高的STC89C52RC單片機作為測量通道擴展系統(tǒng)方案中的微控制器，采用SJA1000控制器、高速光耦6N137和CAN總線驅(qū)動器PCA82C250集成電路板作為系統(tǒng)方案中的CAN模塊。將CAN模塊的排針插到單片機上的孔槽中，實現(xiàn)CAN模塊與單片機之間的連接。這種連接方式減少了導線的數(shù)目，使系統(tǒng)變得簡單緊湊。STC89-C52RC單片機電路板上帶有RS232串口和USB接口，RS232串口具有向單片機下載程序以及與主動量儀連接的功能，USB接口用來向單片機供電。單片機通過程序控制來實現(xiàn)串口的初始化以及對各測量通道的數(shù)據(jù)采集。CAN總線通信控制器的硬件電路如圖4所示。

圖4 CAN通信控制器硬件電路結(jié)構(gòu)圖

CAN總線接口電路主要包括CAN控制器SJA1000和CAN總線驅(qū)動器PCA82C250。為了增強總線節(jié)點之間的抗干擾能力，消除線路之間的串擾，在CAN控制器與驅(qū)動器之間采用高速光耦6N137進行光電隔離，硬件電路原理如圖5所示。SJA1000內(nèi)置CAN2.0B協(xié)議，能夠?qū)崿F(xiàn)CAN總線數(shù)據(jù)通信的全部特性，但其接口不能直接與CAN總線相連，信號不能直接在CAN總線上進行傳輸。CAN總線驅(qū)動器PCA82C250就是用來解決CAN控制器與總線連接的問題。它將數(shù)字信號轉(zhuǎn)化為高低兩種電平信號，實現(xiàn)了信號在CAN總線上的傳輸，將總線電平信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號進行接收，提高了對總線差動發(fā)送和接收的能力。

圖5 CAN總線硬件電路原理圖

4 軟件實現(xiàn)

軟件程序采用便于閱讀理解的C高級程序語言。采用Keil uvision4編譯器作為C語言的編譯環(huán)境，對程序進行編輯、調(diào)試、仿真等。采用STC-ISP燒錄軟件將編譯生成的Hex文件下載到單片機內(nèi)執(zhí)行。CAN控制器SJA1000的初始化是CAN總線系統(tǒng)軟件設(shè)計中極為重要的一部分內(nèi)容。與傳統(tǒng)的匯編語言相比，C語言只要很少的語句就能完成SJA1000的初始化工作。Keil uvision4編譯環(huán)境為開發(fā)高性能程序奠定了基礎(chǔ)，大大縮短了軟件開發(fā)的周期。下面僅對CAN控制器的初始化作一描述。CAN控制器的初始化設(shè)置必須在復位模式下進行，主要包括對工作方式、代碼寄存器的接收、波特率參數(shù)、濾波方式的接收等內(nèi)容的設(shè)置。初始化以后CAN控制器就可以回到工作狀態(tài)進行正常的通信任務。程序主流程圖如圖6所示。

圖6 CAN控制器軟件流程圖

5 實驗結(jié)果與分析

5.1 多測量通道數(shù)據(jù)的采集過程

本實驗針對主動量儀擴展了7個測量通道，鑒于篇幅限制，以兩測量通道為例來闡述對各測量通道數(shù)據(jù)進行采集的過程。根據(jù)程序設(shè)定單片機數(shù)碼管的前兩位顯示測量通道的節(jié)點號，后兩位顯示相應測量通道現(xiàn)場采集轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號。0號單片機在相鄰等時間段內(nèi)，依次對測量通道1和測量通道2的數(shù)字信號進行采集。圖7為0號單片機正在采集測量通道1的數(shù)字信號過程。

圖7 Z3000控制器對多通道的數(shù)據(jù)采集圖

5.2 多測量通道數(shù)據(jù)的顯示控制過程

為了使主動量儀能夠?qū)U展的各測量通道生產(chǎn)加工過程進行實時監(jiān)控，便于統(tǒng)一管理，在原有主動量儀基礎(chǔ)上拓展開發(fā)了窗口8作為多測量通道數(shù)據(jù)的顯示控制界面。0號單片機對測量通道1的數(shù)字信號采集之后，通過RS232串口將數(shù)據(jù)實時傳遞到Z3000控制器的顯示控制界面上。依次類推，完成7個擴展通道的數(shù)據(jù)采集與顯示控制，然后重復循環(huán)整個過程。主動量儀根據(jù)數(shù)值判斷加工狀態(tài)，發(fā)送信號給磨床控制系統(tǒng)，從而控制工件的磨削過程。數(shù)據(jù)在主動量儀拓展開發(fā)界面上的顯示控制過程如圖8所示。

圖8 Z3000控制器數(shù)據(jù)的顯示控制界面圖

通過CAN總線技術(shù)擴展磨加工主動量儀測量通道，實現(xiàn)了CAN總線多測量通道與磨加工主動量儀之間的數(shù)據(jù)通信。該擴展系統(tǒng)簡單可靠、擴展性好、操作方便、性能穩(wěn)定，實現(xiàn)了對多臺磨床在線加工過程的實時監(jiān)控，降低了產(chǎn)品加工的成本，提高了生產(chǎn)效率，便于統(tǒng)一管理，滿足了工業(yè)自動化的需求，具有廣泛的應用前景。

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