現(xiàn)場(chǎng)總線實(shí)驗(yàn)報(bào)告陳小雄

西安工程大學(xué)電子信息學(xué)院07級(jí)測(cè)控01班陳小雄40703050110第1頁共5頁愛拼才會(huì)贏現(xiàn)場(chǎng)總線課程實(shí)驗(yàn)報(bào)告————基于CAN總線的網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的研究學(xué)校：西安工程大學(xué)學(xué)院：電子信息學(xué)院學(xué)生：陳小雄班級(jí)：07測(cè)控01班學(xué)號(hào)：40703050110基于CAN總線的網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的研究1、引言運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)是以機(jī)械運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)設(shè)備—電動(dòng)機(jī)為控制對(duì)象，以控制器為核心，以電力電子、功率變換裝置為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，在自動(dòng)控制理論指導(dǎo)下組成的電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)。在電氣時(shí)代，電動(dòng)機(jī)一直在現(xiàn)代化的生產(chǎn)和生活中起著十分重要的作用。在近年來，由于半導(dǎo)體制造設(shè)備等相關(guān)的電子制造設(shè)備市場(chǎng)大幅成長(zhǎng)，而使得機(jī)器設(shè)備上的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)出現(xiàn)了以下幾點(diǎn)技術(shù)需求:（1）多軸運(yùn)動(dòng)控制。機(jī)器設(shè)備因自動(dòng)化程度提高而使得單一機(jī)器上所需要的軸數(shù)增多，一臺(tái)設(shè)備上十幾軸是常見的事情。在軸數(shù)變多后，如何協(xié)調(diào)各軸動(dòng)作就是一個(gè)重要的課題。

（2）體積要小。由于廠房空間的限制，機(jī)器的體積要求越小越好，機(jī)器內(nèi)控制器的體積也就被要求愈來愈小，相對(duì)的走線空間也愈來愈小。

（3）要更精確。隨著半導(dǎo)體制程已經(jīng)精密到100nm一下，在制程及檢測(cè)相關(guān)設(shè)備所要求的運(yùn)動(dòng)精度也要更精確，其它如LCD設(shè)備，SMD制程設(shè)備也有相同要求。

（4）要更穩(wěn)定。因?yàn)樗性O(shè)備的投資經(jīng)費(fèi)龐大，系統(tǒng)停機(jī)的成本就更顯的突出，因此所有機(jī)器設(shè)備制造商都必須追求系統(tǒng)的穩(wěn)定性。同時(shí)也必須考慮在組件損壞要維修時(shí)，必須能快速替換且不出差錯(cuò)。綜合以上幾點(diǎn)的需求分析可以看到，既要在一個(gè)控制器內(nèi)進(jìn)行多軸運(yùn)動(dòng)控制，又要控制器的體積更小，配線和維修要更容易，這些條件看來是相沖突的?？梢赃@樣說，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)便是應(yīng)這些新機(jī)器設(shè)備的需求而產(chǎn)生的。2、現(xiàn)場(chǎng)總線運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)通信特性用于運(yùn)動(dòng)控制的現(xiàn)場(chǎng)總線有兩種通信控制策略：事件觸發(fā)和時(shí)間觸發(fā)。事件觸發(fā)中，控制單元檢測(cè)到事件發(fā)生后，根據(jù)預(yù)定的算法計(jì)算出正確的應(yīng)答，然后將應(yīng)答信息發(fā)送給數(shù)字伺服驅(qū)動(dòng)器。從事件發(fā)生到應(yīng)答信息的接收之間的延時(shí)必須是有限的，也就是最大值必須是可知的，它的值就是通信協(xié)議的實(shí)時(shí)性指標(biāo)。但是，事件觸發(fā)中的事件是隨機(jī)的、不可預(yù)知的，所以導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)總線通信的不確定性，系統(tǒng)中的各個(gè)站點(diǎn)會(huì)爭(zhēng)用傳輸介質(zhì)，導(dǎo)致通信的沖突和不可靠，很難保證高的實(shí)時(shí)性。事件觸發(fā)通常是非周期性的，使用非周期性數(shù)據(jù)傳輸實(shí)現(xiàn)最為簡(jiǎn)單，但是也可以用周期性數(shù)據(jù)傳輸實(shí)現(xiàn)，此時(shí)，就必須標(biāo)識(shí)哪個(gè)周期的數(shù)據(jù)為有效數(shù)據(jù)。時(shí)間觸發(fā)通常是周期性地進(jìn)行的，控制單元周期性地計(jì)算出控制數(shù)據(jù)，然后及時(shí)發(fā)送控制數(shù)據(jù)給伺服驅(qū)動(dòng)器。控制和通信是通過一個(gè)全局時(shí)鐘進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的，系統(tǒng)的行為不僅在功能上得到確定，而且在時(shí)間上也是確定的，各站點(diǎn)不會(huì)爭(zhēng)用傳輸媒介，整個(gè)系統(tǒng)是可靠的。時(shí)間觸發(fā)控制中的通信周期時(shí)間應(yīng)該等于控制周期時(shí)間，或者通信周期時(shí)間能夠被控制周期時(shí)間整除。周期性的時(shí)間觸發(fā)中，通信周期時(shí)間必須固定，不能有明顯的波動(dòng)，即數(shù)據(jù)傳輸必須有確定性，也稱為實(shí)時(shí)性?？傮w而言，用于運(yùn)動(dòng)控制的現(xiàn)場(chǎng)總線通信協(xié)議的性能要求有三點(diǎn):（1）可靠的通信，以適合工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)惡劣的環(huán)境;

（2）數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。周期性數(shù)據(jù)傳輸和非周期性數(shù)據(jù)傳輸都必須有很高的實(shí)時(shí)性，響應(yīng)時(shí)間通常為（1～10）ms。

（3）命令執(zhí)行和狀態(tài)反饋的同步性。為了達(dá)到各坐標(biāo)軸的同步運(yùn)動(dòng)精度，需要各軸在收到命令值之后必須在同一時(shí)刻同時(shí)執(zhí)行位置控制指令和同時(shí)采樣當(dāng)前位置，發(fā)送給控制單元。3、CAN總線運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)CAN總線（ControllerAreaNetwork控制局域網(wǎng)絡(luò)），是一種普遍的應(yīng)用。通過CAN總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸與控制，使伺服電機(jī)的性能更加穩(wěn)定，能更好更靈活地地應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中。

圖1CAN總線的伺服運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)如圖1所示，基于CAN總線的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)與控制系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)相比，有兩個(gè)顯著的特點(diǎn)。第一是其控制對(duì)象為伺服運(yùn)動(dòng)控制對(duì)象，第二是其網(wǎng)絡(luò)化控制器包括CAN總線通信媒介和CAN控制器節(jié)點(diǎn)兩部分。多個(gè)CAN控制器節(jié)點(diǎn)通過CAN總線通信媒介平行互聯(lián)為一個(gè)單層結(jié)構(gòu)的基于CAN總線的伺服運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。當(dāng)需要更多軸運(yùn)動(dòng)控制時(shí)，只需要簡(jiǎn)單的再增加新運(yùn)動(dòng)控制節(jié)點(diǎn)，把新的運(yùn)動(dòng)控制節(jié)點(diǎn)作為新的CAN總線節(jié)點(diǎn)掛接到CAN總線上就可以形成一個(gè)分布式多軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，而且無需在硬件上對(duì)原有的運(yùn)動(dòng)控制節(jié)點(diǎn)做任何的修改。也可通過互聯(lián)網(wǎng)關(guān)與IE（IndustryEthernet）或Intranet/Internet上下互聯(lián)為一個(gè)多層結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)化伺服運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)?；贑AN總線運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，主要工作在于對(duì)CAN控制器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)，包括硬件和軟件兩部分。硬件設(shè)計(jì)，主要在于選擇合適的芯片和硬件電路分別設(shè)計(jì)圖1所示CAN控制器節(jié)點(diǎn)的5個(gè)基本組成部分，即主控制器、主控制器與傳感器/執(zhí)行器的接口模塊、主控制器與CAN總線控制器的接口模塊、CAN總線控制器和CAN總線收發(fā)器。軟件設(shè)計(jì)，主要工作在于選擇合適的系統(tǒng)軟件和應(yīng)用開發(fā)軟件分別設(shè)計(jì)各種接口驅(qū)動(dòng)軟件、系統(tǒng)管理軟件和控制功能軟件。4、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主控制器筆者采用AT89C51單片機(jī)作為處理核心，采用PCA82C250作為CAN總線收發(fā)器，圖2給出了基于SJA1000的CAN總線系統(tǒng)電路圖。為了增強(qiáng)抗干擾能力，SJA1000的TX0和RX0引腳并沒有直接和PCA82C250的TXD，RXD相連接，而是通過高速光耦6N137后與PCA82C250相連，這樣可以實(shí)現(xiàn)總線上各CAN節(jié)點(diǎn)之間的電氣隔離，光耦6N137的兩側(cè)使用完全獨(dú)立的兩組電源VCC和+5V。

圖2基于SJA1000的CAN中線系統(tǒng)電路原理圖SJA1000與單片機(jī)的接口比較簡(jiǎn)單，AD0～AD7直接連接到AT89C51的P0端口，RD、WR和ALE信號(hào)也直接和AT89C51的相應(yīng)引腳進(jìn)行連接，MODE接+5V設(shè)置SJA100控制器為Interl模式。SJA1000的片選信號(hào)CS由AT89C51的P2.0決定，因此系統(tǒng)中SJA1000的尋址空間從地址0開始，可以使用此地址加上SJA1000內(nèi)部寄存器地址的偏移量來訪問SJA1000內(nèi)部RAM空間。SJA1000的中斷輸出信號(hào)INT與AT89C51的INT0引腳相連，以便AT89C51以中斷方式或查詢方式對(duì)報(bào)文收發(fā)作出響應(yīng)。5、系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)基于SJA1000的CAN總線建立通信的過程包括系統(tǒng)初始化、接收和發(fā)送。5.1SJA1000的初始化程序AT89C51在上電后首先運(yùn)行其自身的復(fù)位程序，并在此后調(diào)用SJA1000的配置程序。配置程序在設(shè)置SJA1000的寄存器前，必須通過讀復(fù)位模式/請(qǐng)求標(biāo)志來檢查SJA1000是否已處于復(fù)位模式，因?yàn)橐獙懭肱渲眯畔⒌募拇嫫鲀H在復(fù)位模式下可以被寫入。初始化程序中，首先將SJA1000設(shè)為復(fù)位狀態(tài)，隨后定SJA1000使用PeliCAN模式，CLKOUT引腳輸出頻率為外接晶振頻率的1/2，為單驗(yàn)收濾波器模式。SJA1000的初始化流程（圖略）。在清除SJA1000的復(fù)位模式/請(qǐng)求標(biāo)志進(jìn)入工作模式時(shí)，必須先檢查標(biāo)志是否確實(shí)被清除、是否進(jìn)入了工作模式后，才能進(jìn)行下一步的操作。在進(jìn)入工作模式后，CAN控制器的中斷可被使能，并開始正常的發(fā)送或接收?qǐng)?bào)文。5.2SJA1000的報(bào)文發(fā)送接收根據(jù)CAN協(xié)議規(guī)范，報(bào)文的傳輸由CAN控制器SJA1000獨(dú)立完成。在報(bào)文的發(fā)送過程中，單片機(jī)AT89C51必須將要發(fā)送的報(bào)文送入系統(tǒng)發(fā)送緩沖區(qū)，在將系統(tǒng)發(fā)送緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)移至CAN控制器發(fā)送緩沖器之前，必須判斷發(fā)送緩沖器是否被釋放。報(bào)文的接收由CAN控制器SJA1000獨(dú)立完成，收到的報(bào)文在接收緩沖器內(nèi)，同時(shí)將狀態(tài)寄存器的接收緩沖器狀態(tài)標(biāo)志RBS和接收中斷標(biāo)志RI置位。如果報(bào)文接收被使能，單片機(jī)可以將接收緩沖器內(nèi)的新報(bào)文讀出，并存儲(chǔ)到單片機(jī)的內(nèi)存單元或外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中，然后釋放接收緩沖器。SJA1000報(bào)文接收過程可以由SJA1000的中斷請(qǐng)求或查詢SJA1000的控制段狀態(tài)標(biāo)志來控制。6、小結(jié)