基于CAN總線技術(shù)的電機(jī)控制研究及應(yīng)用

李國林，黃 帥

(中國電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京100176)

現(xiàn)場總線(Fieldbus)是指開放式、國際標(biāo)準(zhǔn)化、數(shù)字化、相互交換操作的雙向傳送、連接智能儀表和控制系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)。它作為工廠數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，溝通了生產(chǎn)過程現(xiàn)場及控制設(shè)備之間及其與更高控制管理層次之間的聯(lián)系。它不僅是一個(gè)基層網(wǎng)絡(luò)，而且還是一種開放式、新型全分布控制系統(tǒng)。目前世界上存在著幾十余種現(xiàn)場總線，如德國西門子公司的ProfiBus，博世公司的CAN，倍福公司的EtherCAT 以及美國的DeviceNet 與ControlNet 等。

控制器局域網(wǎng)總線(CAN，Controller Area Network)是一種高性能、高可靠性、易開發(fā)和低成本的串行通訊協(xié)議總線，CAN 總線協(xié)議已被國際標(biāo)準(zhǔn)化組織認(rèn)證，技術(shù)比較成熟，控制的芯片已經(jīng)商品化，性價(jià)比高，特別適用于分布式測控系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通訊。CAN 總線插卡可以任意插在PC、AT、XT 兼容機(jī)上，方便地構(gòu)成分布式監(jiān)控系統(tǒng)。它可以使用雙絞線、同軸電纜或光導(dǎo)纖維來傳輸信號(hào)，通信速率可達(dá)1 Mbps，距離可達(dá)10 km，是世界上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場總線之一[2]。

本文首先闡述了CAN 總線控制器的理論基礎(chǔ)，重點(diǎn)介紹了基于CAN 總線的電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以全自動(dòng)LTCC 印刷線為平臺(tái)，通過工控機(jī)、CAN 卡以及Copley 驅(qū)動(dòng)器組成的CAN 總線控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象電機(jī)的控制，并應(yīng)用在實(shí)際的印刷控制系統(tǒng)中，具有較好的時(shí)效性和控制效果。

1 CAN 總線技術(shù)的特點(diǎn)及原理

1.1 CAN 總線的特點(diǎn)

CAN 協(xié)議的一個(gè)最大特點(diǎn)是廢除了傳統(tǒng)的站地址編碼，而是對(duì)通信數(shù)據(jù)塊進(jìn)行編碼，使網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)在理論上不受限制。由于CAN 總線具有較強(qiáng)的糾錯(cuò)能力，支持差分收發(fā)，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)母呖煽啃裕蚨m合高干擾環(huán)境，并具有較遠(yuǎn)的傳輸距離。而且CAN 總線還采用非破壞性仲裁技術(shù)，當(dāng)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)向網(wǎng)絡(luò)上傳送數(shù)據(jù)時(shí)，優(yōu)先級(jí)低的節(jié)點(diǎn)主動(dòng)停止數(shù)據(jù)發(fā)送，而優(yōu)先級(jí)高的節(jié)點(diǎn)可不受影響繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，有效避免了總線沖突。因此，CAN 協(xié)議對(duì)于許多領(lǐng)域的分布式測控有很廣泛的應(yīng)用空間。

CAN 總線以目前技術(shù)條件較成熟的IS0/0SI模型為基礎(chǔ)，與其它網(wǎng)絡(luò)相比，其信息傳遞的格式為報(bào)文，報(bào)文的長度可以不同，并采用短幀結(jié)構(gòu)，每一幀的有效字節(jié)數(shù)為8 個(gè)，數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間短，受干擾的概率低，重新發(fā)送的時(shí)間短。當(dāng)CAN 總線上的一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，以報(bào)文形式廣播給網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)，對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)來說，無論數(shù)據(jù)是否是發(fā)給自己的，都對(duì)其進(jìn)行接收。每組報(bào)文開頭的11 位字符為標(biāo)識(shí)符，定義了報(bào)文的優(yōu)先級(jí)，這種報(bào)文格式稱為面向內(nèi)容的編址方案。并且在同一系統(tǒng)中標(biāo)識(shí)符是唯一的，不可能有兩個(gè)站發(fā)送具有相同標(biāo)識(shí)符的報(bào)文，因此可在各節(jié)點(diǎn)之間實(shí)現(xiàn)自由通信。而且節(jié)點(diǎn)在錯(cuò)誤嚴(yán)重的情況下，具有自動(dòng)關(guān)閉總線的功能，切斷它與總線的聯(lián)系，以使總線上其他操作不受影響。另外，CAN 總線采用了多主競爭式總線結(jié)構(gòu)，具有多主站運(yùn)行和分散仲裁的串行總線的特點(diǎn)。CAN 總線使用串行數(shù)據(jù)傳輸方式，可以1 Mb/s 的速率在40 m 的雙絞線上運(yùn)行，也可以使用光纜連接，而且這種總線協(xié)議支持多主控制器。

由于CAN 總線是一種面向內(nèi)容的編址方案，因此很容易建立高水準(zhǔn)的控制系統(tǒng)并靈活地進(jìn)行配置，也可以很容易地在CAN 總線中加進(jìn)一些新站而無需在硬件或軟件上進(jìn)行修改。當(dāng)所提供的新站是純數(shù)據(jù)接收設(shè)備時(shí)，數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議不要求獨(dú)立的部分有物理目的地址，它允許分布過程同步化，即總線上控制器需要測量數(shù)據(jù)時(shí)，可由網(wǎng)上獲得，而無須每個(gè)控制器都有自己獨(dú)立的傳感器。

CAN 總線在組網(wǎng)和通信功能上的優(yōu)點(diǎn)以及其高性價(jià)比奠定了它在許多領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景和發(fā)展?jié)摿?。這些應(yīng)用有些共同之處，CAN 實(shí)際就是在現(xiàn)場起一個(gè)總線拓?fù)涞挠?jì)算機(jī)局域網(wǎng)的作用，不管在什么場合，它負(fù)擔(dān)的是任一節(jié)點(diǎn)之間的實(shí)時(shí)通信，但是它具備結(jié)構(gòu)簡單、高速、抗干擾、可靠、價(jià)位低等優(yōu)勢。

1.2 CAN 總線技術(shù)的原理

CAN 數(shù)據(jù)總線包括黃色和綠色兩條導(dǎo)線，分別是CAN_High(上)線和CAN_Low(下)線，當(dāng)靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，這兩條導(dǎo)線上的電平一樣，這個(gè)電平稱為靜電平，大約為2.5 V，這個(gè)靜電平狀態(tài)就是隱形狀態(tài)也稱隱性電平，也就是沒有任何干擾的時(shí)候的狀態(tài)稱為隱性狀態(tài)。當(dāng)有信號(hào)變化時(shí)，CAN_High 線上的電壓值變高了，一般來說會(huì)升高至少1 V，而CAN_Low 線上的電壓值會(huì)降低一個(gè)同等數(shù)值，那么這時(shí)候CAN_High 就是2.5+1=3.5 V，它就處于被激活狀態(tài)，而CAN_Low 降為2.5-1=1.5 V，可以參照?qǐng)D1所示。

由此得到，在隱性狀態(tài)下CAN_High 線與CAN_Low 沒有電壓差，這樣就沒有任何變化也就檢測不到信號(hào)。但是在顯性狀態(tài)下，該值最低為2 V，在總線上通常邏輯1 表示隱性，0 表示顯性。那么就可以利用這種電壓差所產(chǎn)生的邏輯變化以報(bào)文的信息格式來傳送數(shù)據(jù)和接收信號(hào)。

圖1 顯性隱性狀態(tài)示意圖

所謂報(bào)文就是CAN 總線上要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包，識(shí)別符就是為了區(qū)分不同報(bào)文的可以鑒別的好多字符位，它有一個(gè)功能就是可以提供優(yōu)先級(jí)，也就是決定哪個(gè)報(bào)文優(yōu)先被傳輸，報(bào)文標(biāo)識(shí)符的值越小優(yōu)先權(quán)越高。CAN 的報(bào)文格式包括具有11 位識(shí)別符的標(biāo)準(zhǔn)幀和29 位識(shí)別符的擴(kuò)展幀，CAN報(bào)文有以下4 個(gè)不同的幀類型，分別是數(shù)據(jù)幀，將數(shù)據(jù)從發(fā)送器傳輸?shù)浇邮掌?；遠(yuǎn)程幀，總線節(jié)點(diǎn)發(fā)出遠(yuǎn)程幀，請(qǐng)求發(fā)送具有同一標(biāo)識(shí)符的數(shù)據(jù)幀；錯(cuò)誤幀，任何節(jié)點(diǎn)檢測到總線錯(cuò)誤就發(fā)出錯(cuò)誤幀；過載幀，過載幀用已在先行的后續(xù)的數(shù)據(jù)幀（或遠(yuǎn)程幀）之間提供一附加的延時(shí)。

一般來說，控制單元通過收發(fā)器連接到CAN驅(qū)動(dòng)總線上，這個(gè)收發(fā)器內(nèi)有一個(gè)接收器，該接收器是安裝在接收一側(cè)的差動(dòng)信號(hào)放大器。通過這個(gè)放大器將CAN_High 和CAN_Low 線的電平差放大后再傳到接收區(qū)，如圖2所示，當(dāng)有電壓差，差動(dòng)信號(hào)放大器放大傳輸，將相應(yīng)的數(shù)據(jù)位置為0。

圖2 CAN 驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)總線的差動(dòng)信號(hào)放大器

2 基于CAN 總線技術(shù)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

本文所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)主要由工控機(jī)、CAN接口卡、Copley 驅(qū)動(dòng)器和被控對(duì)象電機(jī)以及光柵尺、IO 模塊等組成，主要包括控制系統(tǒng)通訊設(shè)計(jì)和基于CAN 總線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)兩大部分，其中系統(tǒng)通訊設(shè)計(jì)通過串口及雙絞線實(shí)現(xiàn)與控制器和IO模塊之間的通訊，而結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是基于CAN 總線技術(shù)的控制系統(tǒng)應(yīng)用。上位機(jī)通過CAN 卡串口與Copley 驅(qū)動(dòng)器和IO 模塊之間的通訊，來實(shí)現(xiàn)對(duì)驅(qū)動(dòng)器的數(shù)據(jù)采集與命令發(fā)送，及IO 狀態(tài)的檢測，電機(jī)位置參數(shù)采集是通過驅(qū)動(dòng)器采集光柵尺的讀數(shù)來實(shí)現(xiàn)。通過采用CME2 電機(jī)調(diào)試軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象電機(jī)的位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)參數(shù)調(diào)試與參數(shù)設(shè)置。控制系統(tǒng)示意圖如圖3所示。

系統(tǒng)的下位機(jī)主要由Copley 驅(qū)動(dòng)器和被控對(duì)象電機(jī)以及光柵尺、IO 模塊、傳感器等組成，Copley 驅(qū)動(dòng)器模塊主要負(fù)責(zé)接受上位機(jī)程序通過CAN 卡發(fā)出控制脈沖信號(hào)，并驅(qū)動(dòng)電機(jī)實(shí)現(xiàn)。電機(jī)主要實(shí)現(xiàn)上位機(jī)發(fā)來的動(dòng)作指令，光柵尺主要是測量電機(jī)運(yùn)行的事實(shí)參數(shù)，并將其反饋給驅(qū)動(dòng)器，以便進(jìn)行下一步的位置參數(shù)矯正。而IO 模塊主要是檢測傳感器的狀態(tài)及控制相關(guān)的輸出點(diǎn)。

上位機(jī)通過VC 軟件來開發(fā)設(shè)計(jì)出一個(gè)全自動(dòng)設(shè)備控制系統(tǒng)應(yīng)用程序，主要用來實(shí)現(xiàn)用戶人機(jī)界面的交互，工藝參數(shù)保存讀取，圖像采集及數(shù)據(jù)處理，并通過相應(yīng)的算法來得到定位控制信號(hào)，再將控制信號(hào)傳輸給下位機(jī)，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)反饋。主要功能如圖4所示。

圖3 基于CAN 總線技術(shù)電機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 設(shè)置軟件設(shè)計(jì)的具體功能

基于VC 的CAN 總線軟件控制設(shè)計(jì)流程如圖5所示，首先打開CAN 口（過程如圖6所示）進(jìn)入工作模式，接著執(zhí)行指令調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)來實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能，完成指令需要完成的動(dòng)作，最后返回執(zhí)行情況和結(jié)果。本文中所設(shè)計(jì)的基于CAN 總線的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)已應(yīng)用于實(shí)際的LTCC 印刷線以及全自動(dòng)太陽能印刷線當(dāng)中，并取得了較好的應(yīng)用效果。

3 結(jié) 論

圖5 基于CAN 的軟件控制框圖

圖6 打開CAN 口過程示意圖

主要介紹了CAN 總線技術(shù)的特點(diǎn)與原理，設(shè)計(jì)了基于CAN 總線技術(shù)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，并將其應(yīng)用于實(shí)際的LTCC 印刷線設(shè)備。由于CAN 總線的數(shù)據(jù)通信具有突出的可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性，及其良好的性能和獨(dú)特的設(shè)計(jì)，使它在汽車領(lǐng)域上得到了廣泛的應(yīng)用，世界上一些著名的汽車制造廠商大都采用了CAN 總線來實(shí)現(xiàn)汽車內(nèi)部控制系統(tǒng)與各檢測和執(zhí)行機(jī)構(gòu)間的數(shù)據(jù)通信。同時(shí)由于CAN 總線本身的特點(diǎn)，其應(yīng)用范圍目前已不再局限于汽車行業(yè)，而向自動(dòng)控制、航空航天、航海、過程控制、機(jī)械工業(yè)、機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床、智能家庭、醫(yī)療器械及傳感器等領(lǐng)域發(fā)展。在廣泛的工業(yè)領(lǐng)域，CAN 總線可作為現(xiàn)場設(shè)備級(jí)的通信總線，而且與其他的總線相比，具有很高的可靠性和性價(jià)比，CAN 已經(jīng)形成國際標(biāo)準(zhǔn)，并已被公認(rèn)為幾種最有前途的現(xiàn)場總線之一。

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