CAN總線技術在組合機床通信系統(tǒng)中的應用

摘 要：文章結合組合機床數控技術的發(fā)展，較為全面地分析了CAN總線技術在組合機床通信系統(tǒng)中的軟硬件設計，并針對組合機床在實際操作中電磁干擾問題，給出了CAN總線抗干擾能力的硬件設計圖，較好地突出了CAN總線的高實時性、可靠性高、傳輸速率高、傳輸距離遠等優(yōu)點。

關鍵詞：CAN總線技術；組合機床；通信系統(tǒng)；電磁干擾

引言

隨著數控技術的發(fā)展，現代組合機床裝備了大量的電控系統(tǒng)來滿足加工精度、加工速度等要求，而這些電控單元需要通過通信系統(tǒng)來配合進行復雜的決策運算，完成加工任務。機床監(jiān)控技術的出現更是使得組合機床朝著遠程網絡化的方向發(fā)展[3]。因此，為組合機床電控系統(tǒng)添加通信和控制功能的總線技術顯得尤為關鍵。目前傳統(tǒng)的通信方式有RS-232、RS-485、CAN總線技術等。而RS-232傳輸速率偏低，傳輸距離偏短，抗干擾能力差且只適合點對點的連接方式；RS-485可以實現半雙工的總線型網絡，總線上需要連接多收發(fā)器，通信速率和通信距離同樣偏低，實時性不高[2]。而CAN總線技術可以很好地克服以上幾種方式的缺點。

1 CAN總線技術簡介

CAN（Controller Area Network）即控制器局域網，由德國Bosch公司1993年為解決汽車電控單元之間通信而推出的一種現場總線通信技術。

相比之下，CAN總線技術具有多工作方式、高實時性、非破壞性的基于優(yōu)先權的仲裁技術、報文濾波技術、系統(tǒng)容量大、短幀結構、數據出錯率低、可靠性高、通信介質選擇靈活以及底層協議固化等優(yōu)點[5]。當然，較為重要的特點是傳輸速率高、傳輸距離遠。表1為位速率與最大通信距離的關系。

表1 位速率與最大通信距離的關系

2 CAN主控制器的硬件設計

CAN總線通信接口由CAN協議控制芯片和收發(fā)器組成。一般來說，一個CAN節(jié)點就是一個獨立的具有CAN總線通信功能的單片機。常見的CAN總線節(jié)點實現方式有三種：微處理器+獨立CAN協議控制器+CAN收發(fā)器、自帶CAN控制器的微處理器+CAN收發(fā)器、串行I/O器件+CAN收發(fā)器[3]。文章采用第一種方式實現，基本的電路模塊包含微處理器、CAN總線控制器SJA1000、CAN收發(fā)器PCA82C250和光耦隔離電路[1]。它主要實現組合機床電控單元間基本的通信功能，比如CAN總線協議格式的數據接收和發(fā)送。同時，還可以在其上擴展一些其他模塊，進而構成所需的功能模塊，基本電路組成框圖如圖1所示。

圖1 基本電路模塊框圖

CAN總線控制器內部集成了CAN協議的大部分內容，是CAN總線的核心。CAN總線控制器有兩種：SJA1000獨立控制器、微處理器自帶CAN控制器[3]。組合機床中的電控單位由很多微處理器組成，這些微處理器中集成了CAN總線控制器，這些控制器可以與其他PC、ARM、DSP以及單片機等各種類型標準總線組合進行接口，形成CAN總線上每個單獨的節(jié)點，通信速率快，誤碼率低。為防止單個節(jié)點故障影響整個CAN總線通信，設計CAN節(jié)點時加設總線保護器件來隔離CAN控制器和收發(fā)器[5]。CAN收發(fā)器采用PHILIPS公司的PCA82C250收發(fā)器，提供對CAN總線的差動發(fā)送和接收能力。

3 系統(tǒng)抗干擾技術分析與設計

在組合機床實際操作中，由于內部封閉且空間小，電控單元復雜，布線較多等因素，難免會造成電磁干擾。CAN總線系統(tǒng)抗干擾技術主要可以從通信介質、電源電路、光電隔離等方面設計[5]。

3.1 通信介質

CAN總線的傳輸介質可以采用屏蔽干擾能力較強的屏蔽雙絞線、同軸電纜或者光釬。CAN總線兩端還要并聯一個120歐姆的終端電阻，即是為了避免收發(fā)信號的反射、減小共模干擾。另外可加設共模扼流圈進一步消弱電磁干擾。

3.2 電源電路設計

CAN總線硬件電路的供電電源可由帶隔離功能的DC-DC電源模塊以及穩(wěn)壓器穩(wěn)壓電路構成。為防止浪涌、過電流以及過電壓，在電路中加了瞬變二極管和自恢復保險絲，如圖2所示。

3.3 光電隔離

信號進入主控制器之前可以加一級光電隔離，文章采用的是高速光耦TLP521來實現CAN總線收發(fā)器與主控制器之間的電氣隔離，如圖3所示。

圖2 電源電路

圖3 光電隔離電路

圖4 CAN總線通信流程圖

4 CAN總線通信軟件設計

每個節(jié)點的CAN總線通信軟件程序包含三部分：初始化、數據接收、數據發(fā)送。此外完整的CAN總線應用程序還包含信息判斷、中斷處理等功能部分[4]。

初始化包含設置波特率、各寄存器、過濾器以及屏蔽器位、選擇工作方式等數據幀的設計。數據接收可進入接收子程序，發(fā)送可借助先存入緩存，再讀取緩存的方式。

為了充分利用網絡資源，提高CAN總線的高實時性，可設置不同傳輸波特率的高低速網關，不同網關除了必要的通信外，其余各網絡的報文是相互獨立傳輸的，這就需要對報文進行過濾、屏蔽等處理[6]。整個程序流程如圖4所示。

5 結束語

文章分析了CAN總線技術在組合機床數據通信系統(tǒng)的設計與實現，通過靈活的通信協議、接口設計以及抗電磁干擾設計，充分體現了系統(tǒng)CAN總線短突發(fā)、高實時性、高數據率等優(yōu)點。此外，該系統(tǒng)還可以應用到其他工業(yè)控制領域，具有廣泛的應用前景。

參考文獻

[1]劉家磊，等.CAN總線技術在車床企業(yè)智能節(jié)能控制系統(tǒng)中的應用[M].機床與液壓，2015（2）.

[2]姜江，等.CAN總線在組合機床電控系統(tǒng)通信中的應用[M].今日電子，2004（4）.

[3]王彥華.CAN總線機床數控系統(tǒng)通信技術的設計應用[M].煤礦機械，2013（7）.

[4]鄔寬明.CAN總線原理和應用系統(tǒng)設計[M].北京：北京航空航天大學出版社，2002.

[5]徐澤華.一種基于CAN接口的數字式控制手柄研制及其功能測試軟件設計[D].2003.

[6]KONG Hui-fang， WEI Yang. The Research of AMT Communication System Based on CAN Bus[D].Hefei： Hefei University of Technology， 2008.

作者簡介：李忠唐（1985-），男，漢，碩士研究生，畢業(yè)于同濟大學，控制工程專業(yè)。