基于CAN總線嵌入式數(shù)字控制系統(tǒng)的設(shè)計

針對CAN總線技術(shù)在數(shù)據(jù)傳輸中采用短幀結(jié)構(gòu)和過濾機(jī)制，本文設(shè)計了直流電機(jī)調(diào)速控制板與CAN總線控制板的數(shù)據(jù)通信，以及CAN總線與上位機(jī)的通信等。

0 引言

目前國內(nèi)生產(chǎn)的直流電機(jī)調(diào)速控制器大多都不帶通信接口，即使有帶通信接口也僅為RS232或RS485串行總線。眾所周知RS232和RS485有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，阻礙了多臺電動機(jī)機(jī)組的進(jìn)一步網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展和群控控制。本文分析和研究了多臺直流電機(jī)CAN總線的通信協(xié)議以及軟件數(shù)據(jù)的傳輸，對工業(yè)網(wǎng)絡(luò)控制的實(shí)現(xiàn)具有一定的指導(dǎo)意義。CAN總線控制網(wǎng)絡(luò)工作于多主方式，網(wǎng)絡(luò)中的各節(jié)點(diǎn)都可根據(jù)總線訪問優(yōu)先權(quán)(取決于報文標(biāo)識符)采用無損結(jié)構(gòu)的逐位仲裁的方式競爭向總線發(fā)送數(shù)據(jù)，且CAN協(xié)議廢除了站地址編碼，采用對通信數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，這可使不同的節(jié)點(diǎn)同時接收到相同的數(shù)據(jù)，這些特點(diǎn)使得CAN總線構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)通信適時性強(qiáng)，并且容易構(gòu)成冗余結(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)的可靠性和靈活性。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

多臺直流電動機(jī)CAN總線控制系統(tǒng)如圖1所示，本系統(tǒng)由直流電機(jī)、直流電機(jī)調(diào)速控制器、CAN總線通信控制板、上位機(jī)和CAN總線五部分構(gòu)成。CAN總線能完成網(wǎng)絡(luò)的建立、網(wǎng)絡(luò)信號的傳遞、總線控制以及與上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信;同時還完成對直流電機(jī)電壓、電流數(shù)據(jù)的測試、傳輸以及直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速的檢測并進(jìn)行閉環(huán)控制等。

圖1 多臺電機(jī)CAN總線控制框圖

2 數(shù)據(jù)通信設(shè)計

在直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中有一個通信接口模塊，用來實(shí)現(xiàn)與CAN總線通信控制板之間的數(shù)據(jù)交換，首先用DSP實(shí)現(xiàn)AD采樣電路對速度反饋、速度給定、電流反饋等數(shù)據(jù)處理。采樣所得數(shù)據(jù)經(jīng)再發(fā)送給ARM處理器，最終ARM處理器實(shí)現(xiàn)CAN總線通信。

2.1 直流電機(jī)的CAN總線通信設(shè)計

CAN協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了CAN總線支持的兩種傳輸介質(zhì)：雙絞線和光纖。目前，絕大多數(shù)CAN總線系統(tǒng)采用的都是雙絞線傳輸。光纖一般應(yīng)用于大容量、高速率的傳輸中，對于CAN總線這種傳輸速率較低、數(shù)據(jù)量較小的現(xiàn)場總線通信，光纖傳輸?shù)膬?yōu)勢得不到完全發(fā)揮。所以，本文使用雙絞線作為通信介質(zhì)。

每個直流電機(jī)都是網(wǎng)絡(luò)中的一個節(jié)點(diǎn)，其在運(yùn)行時的數(shù)據(jù)經(jīng)DSP采集后發(fā)送到CAN總線通信控制板，然后傳輸?shù)紺AN總線上，再由CAN總線適配器傳給上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的實(shí)時監(jiān)測。這樣就可以實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對電機(jī)的實(shí)時監(jiān)控。其中CAN總線適配器實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與CAN總線的數(shù)據(jù)交換。

CAN總線適配器由CAN的微控制器完成與上位機(jī)通信的協(xié)調(diào)工作，根據(jù)需要可對CAN適配器微控處理器中的寄存器進(jìn)行讀寫操作，實(shí)現(xiàn)初始化及數(shù)據(jù)采集。CAN總線適配器上電復(fù)位和初始化后，等待著命令和數(shù)據(jù)，當(dāng)命令或數(shù)據(jù)送給CAN的寄存器并置位標(biāo)志位，即完成一次通訊，然后取出數(shù)據(jù)做進(jìn)一步處理。與CAN適配器間的通訊有查詢和中斷兩種方式。

2.2 CAN總線網(wǎng)絡(luò)通訊調(diào)試

首先要測試CAN總線適配器與上位機(jī)能否實(shí)現(xiàn)通信，從前面的介紹可以知道它們是通過串口實(shí)現(xiàn)通訊的。打開串口調(diào)試工具，由適配器向串口發(fā)送數(shù)據(jù)，如果串口調(diào)試工具可以接收到數(shù)據(jù)，則說明它們之間的通訊正常。接著要對兩個CAN節(jié)點(diǎn)的調(diào)試，我們采用雙絞線作為通訊介質(zhì)?？偩€傳輸速度與雙絞線的長度成反比關(guān)系，所以可以根據(jù)對通訊速度的要求確定雙絞線的長度，由于是簡單通訊實(shí)驗(yàn)，因而對雙絞線的長度沒有要求。設(shè)置一個節(jié)點(diǎn)為發(fā)送端，另一節(jié)點(diǎn)為接收端，取消報文濾波器，如果能夠完成發(fā)送接收任務(wù)則它們已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)簡單的通訊。

本設(shè)計設(shè)定傳輸運(yùn)行狀態(tài)與故障狀態(tài)兩種運(yùn)行參數(shù)，其中運(yùn)行狀態(tài)包括直流電機(jī)的：給定速度、反饋速度、反饋電路、電樞電壓。運(yùn)行狀態(tài)是由DSP自帶的AD轉(zhuǎn)換模塊經(jīng)采樣所得。DSP的AD采樣器精度是12位的，所以經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)值是一個12位的二進(jìn)制數(shù)，對其前端補(bǔ)零轉(zhuǎn)換成16位數(shù)據(jù)經(jīng)串口直接發(fā)送給ARM處理器。因?yàn)閮烧叩膫鬏斁嚯x很近，所以不需要經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換就可直接發(fā)送。而電機(jī)的故障狀態(tài)則由0、1表示，0代表沒有故障，1代表電機(jī)出現(xiàn)故障。

針對CAN總線技術(shù)在數(shù)據(jù)傳輸中采用短幀結(jié)構(gòu)和過濾機(jī)制，本文設(shè)計了直流電機(jī)調(diào)速控制板與CAN總線控制板的數(shù)據(jù)通信，以及CAN總線與上位機(jī)的通信等。

要實(shí)現(xiàn)DSP與ARM以及CAN總線的通信，需要設(shè)置一個通信控制協(xié)議，協(xié)議設(shè)定每個要傳輸?shù)膮?shù)一個控制地址。CAN總線每次可以發(fā)送8個字節(jié)數(shù)據(jù)，每個字節(jié)8位，所以給定速度、反饋速度、反饋電流及電樞電壓這四組運(yùn)行參數(shù)需要占據(jù)兩個字節(jié)，而故障狀態(tài)只需占據(jù)一個字節(jié)。CAN總線數(shù)據(jù)幀的第一個字節(jié)存放控制地址，第二、三個字節(jié)存放數(shù)據(jù)。其中，第二字節(jié)存高地址，第三字節(jié)存低地址。如果發(fā)送的是故障狀態(tài)則只有第二個字節(jié)是傳輸數(shù)據(jù)。CAN總線每次只發(fā)送一種運(yùn)行參數(shù)，其中給定速度、反饋速度、反饋電路及電樞電壓依次輪流發(fā)送。而故障狀態(tài)在程序中設(shè)置為優(yōu)先級最高，當(dāng)有故障出現(xiàn)時則優(yōu)先發(fā)送，正常狀態(tài)下不發(fā)送。圖2是整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸流程圖。

圖2 數(shù)據(jù)傳輸流程圖

3 實(shí)驗(yàn)

圖3為上位機(jī)數(shù)據(jù)顯示界面，圖中顯示為調(diào)試某一時刻的傳輸數(shù)據(jù)。可以看出反饋速度與給定速度并不相等，由于PI控制算法的作用使反饋速度始終處于給定速度附近。反饋電流1.2A是在電機(jī)空載時的測量值，隨著負(fù)載的增加，反饋電流會逐漸增大。電樞電壓是直流電機(jī)母線上的電壓，由于電機(jī)在實(shí)際應(yīng)用中主要工作在220V，所以調(diào)試時首先將電樞電壓穩(wěn)定在這一電壓值，然后再對速度進(jìn)行調(diào)節(jié)。在正常情況下，故障狀態(tài)始終顯示為“無”，當(dāng)有故障信號發(fā)出時，故障狀態(tài)顯示為“有”并發(fā)出報警信號。

圖3 上位機(jī)數(shù)據(jù)顯示界面