編碼器的CAN總線接口及其在光電跟蹤系統(tǒng)中的應(yīng)用

1 引 言

絕對(duì)式光電軸角編碼器是一種數(shù)字測角裝置，實(shí)時(shí)測量轉(zhuǎn)軸所處的角位置及角速度，它把軸角信息轉(zhuǎn)換成度、分、秒形式的數(shù)字代碼，與控制系統(tǒng)中的總線連接可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測量。它具有工作可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)，精度高，斷電記憶等優(yōu)點(diǎn)。在靶場設(shè)備、數(shù)字經(jīng)緯儀、雷達(dá)及一些大型軍用設(shè)備等數(shù)字化測量跟蹤和定位系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。

在這些實(shí)際應(yīng)用的控制系統(tǒng)中由于各分系統(tǒng)傳感器和探測器輸出的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)不同，絕對(duì)式光電軸角編碼器會(huì)用到不同的內(nèi)部數(shù)據(jù)通信方式，主要有RS232、RS485/488串口，并口等。但在具體工程應(yīng)用項(xiàng)目中，上述通信方式常會(huì)受到傳輸距離、通信速率等方面限制。近幾年來串行通信快速發(fā)展，出現(xiàn)了多種控制系統(tǒng)現(xiàn)場總線形式，CAN總線就是其中應(yīng)用最為廣泛的一種，它是控制器局域網(wǎng)總線的簡稱，是一種有效支持分布式控制和實(shí)時(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)。由于CAN總線的高性能、高可靠性及獨(dú)特的設(shè)計(jì)，已成為目前國內(nèi)外普及和實(shí)時(shí)性最高的現(xiàn)場總線。控制系統(tǒng)中內(nèi)部通信方式的發(fā)展變化，使得用作測量角位移和角速度的編碼器要提供CAN總線接口以滿足整個(gè)控制系統(tǒng)的現(xiàn)場總線設(shè)計(jì)要求。

2 編碼器工作原理和數(shù)據(jù)傳輸

2.1工作原理

編碼器由數(shù)據(jù)采集裝置和數(shù)據(jù)處理裝置兩部分組成。結(jié)構(gòu)原理框圖如1所示。單片機(jī)是編碼器電路系統(tǒng)的核心部分，它將編碼器的信號(hào)（粗碼、中精碼、精碼）采集到后，經(jīng)精碼細(xì)分、碼道校正、數(shù)字量相加、電調(diào)零、度分秒轉(zhuǎn)換等軟件處理，最后顯示及實(shí)現(xiàn)與控制系統(tǒng)接口。

2.2數(shù)據(jù)傳輸

編碼器與控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸可以采用并行和串行兩種方式。并行傳輸通過并口傳遞數(shù)據(jù)，每位數(shù)據(jù)需要數(shù)據(jù)電纜一芯，例如對(duì)于24位分辨率的編碼器就需要一根24芯的電纜，因此使用空間受到限制，僅適用于短距離傳輸和特殊要求的場合。串行傳輸，數(shù)據(jù)信息通過一根雙絞線實(shí)現(xiàn)串行傳送，根據(jù)不同通信協(xié)議再加些附加位實(shí)現(xiàn)糾錯(cuò)等功能，這一功能可擴(kuò)大應(yīng)用于數(shù)據(jù)總線系統(tǒng)中。串行傳輸用線少，硬件少，成本低，傳輸距離遠(yuǎn)，數(shù)據(jù)安全可靠。

2.3 提出編碼器CAN總線接口

在對(duì)各種現(xiàn)場總線的綜合比較中，基于CAN總線構(gòu)建的通信系統(tǒng)具有很多優(yōu)異的特性：數(shù)據(jù)信號(hào)采用差分電壓傳輸；總線傳輸介質(zhì)可用雙絞線、同軸電纜和光纖；可以多主方式工作，通信方式靈活；可以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)及全局廣播方式傳送接收數(shù)據(jù)；網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)信息可分成不同的優(yōu)先級(jí)，滿足不同的實(shí)時(shí)要求；采用非破壞性總線仲裁技術(shù)；數(shù)據(jù)采用短幀結(jié)構(gòu)，每一幀為8Byte，數(shù)據(jù)出錯(cuò)率低；通信協(xié)議中數(shù)據(jù)鏈路層的MAC子層具有嚴(yán)格的錯(cuò)誤檢測能力；具有國際標(biāo)準(zhǔn)，開放性好。因此，在對(duì)光電跟蹤系統(tǒng)內(nèi)部通信方式改造中采用CAN總線作為數(shù)據(jù)通信總線結(jié)構(gòu)，進(jìn)而提出編碼器CAN總線接口。

3 編碼器CAN總線接口在光電跟蹤系統(tǒng)中的應(yīng)用

3.1編碼器用于光電跟蹤系統(tǒng)位置檢測

絕對(duì)式光電軸角編碼器是光電跟蹤系統(tǒng)中光電跟瞄架測量方位角和俯仰角角度傳感器，將光電跟蹤系統(tǒng)內(nèi)部總線結(jié)構(gòu)改造為CAN總線通信方式，編碼器的CAN總線接口發(fā)揮其接口靈活，節(jié)省線路的特點(diǎn)，同時(shí)它本身帶有微處理器，可以作為系統(tǒng)中的一個(gè)智能節(jié)點(diǎn)，直接向其他設(shè)備發(fā)送遠(yuǎn)程幀，實(shí)現(xiàn)智能控制。圖2為基于CAN總線的光電跟蹤系統(tǒng)通信結(jié)構(gòu)圖。光電跟蹤系統(tǒng)使用CAN總線單一串行總線結(jié)構(gòu)代替多種通信方式的并行結(jié)構(gòu)，兩個(gè)光電編碼器測得的方位角和俯仰角經(jīng)總線發(fā)送到主控制機(jī)，主控制機(jī)將數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)處理后，通過總線控制伺服控制系統(tǒng)，所有的分系統(tǒng)都可以通過一對(duì)雙絞線連接在一起，簡化了系統(tǒng)布線，提高整個(gè)系統(tǒng)總線利用率、數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性和系統(tǒng)擴(kuò)充性，同時(shí)誤碼率大大降低。

3.2 編碼器節(jié)點(diǎn)CAN總線接口硬件組成

CAN總線接口主要有單片機(jī)、CAN總線控制器、CAN總線驅(qū)動(dòng)器及光電隔離等硬件組成。CAN總線通信接口具體電路如圖3所示。

單片機(jī)選擇Intel80C196KC, 它是16位嵌入式微控制器，更適合復(fù)雜的實(shí)時(shí)控制場合，它同時(shí)負(fù)責(zé)對(duì)編碼器的數(shù)據(jù)處理和對(duì)CAN總線節(jié)點(diǎn)的初始化。CAN控制器選擇Philips半導(dǎo)體公司的SJA1000，實(shí)現(xiàn)總線與主控機(jī)（控制計(jì)算機(jī)）之間數(shù)據(jù)通信的接口，支持CAN2.0A和CAN2.0B協(xié)議，有擴(kuò)展64字節(jié)接收緩沖器，支持先進(jìn)先出（FIFO）原則，支持11位和29位標(biāo)識(shí)碼，通信位速率可達(dá)1Mbps，可以工作在BasicCAN模式和PeliCAN模式。CAN總線驅(qū)動(dòng)器選擇Philips的TJA1050，它是高速CAN總線驅(qū)動(dòng)器，提供CAN控制器和物理總線之間的接口，實(shí)現(xiàn)對(duì)CAN總線的差動(dòng)發(fā)送和接收功能，具有強(qiáng)電磁干擾下，寬共模范圍的差動(dòng)接收能力，輸入電平與3.3V器件兼容，未上電節(jié)點(diǎn)不會(huì)干擾總線。加入TJA1050能夠保證數(shù)據(jù)的高速通信。為了安全性和提高抗干擾能力，利用TJA1050對(duì)稱性能好的特點(diǎn)，使用分離終端。CANH和CANL與地之間并聯(lián)了兩個(gè)30pF的小電容，起到濾除總線上的高頻干擾和一定的防電磁輻射能力。為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)的抗干擾能力，在CAN控制器SJA1000和CAN驅(qū)動(dòng)器TJA1050之間使用了高速光耦6N137構(gòu)成隔離電路，實(shí)現(xiàn)電流隔離接法，6N137兩側(cè)電源VCC和VDD完全隔離，這樣可以防止線路間的串?dāng)_，同時(shí)在總線兩端要接2個(gè)120Ω的總線阻抗匹配電阻。

3.3節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

絕對(duì)式光電軸角編碼器的角度信息（度、分、秒）從CAN控制器發(fā)送到CAN總線或從CAN總線到CAN接收緩沖器都是由SJA1000總線控制器自動(dòng)完成的。它的CAN總線接口通信程序由初始化子程序、發(fā)送子程序和接收子程序構(gòu)成。首先根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)需要選擇CAN總線工作模式，這里選擇PeliCAN模式，12MHz晶振，總線數(shù)據(jù)傳輸速率設(shè)為500Kbits/s，各個(gè)總線節(jié)點(diǎn)要設(shè)置相同的數(shù)據(jù)傳輸速率，以保證正常通信。判斷SJA1000與單片機(jī)物理連接可靠，然后初始化SJA1000控制器，在SJA1000復(fù)位模式下，設(shè)定各個(gè)寄存器的初始狀態(tài)。初始化流程圖如圖4。實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收由發(fā)送子程序和接收子程序完成，由報(bào)文ID判斷節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的流向，發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，報(bào)文ID接收標(biāo)志位段的設(shè)置原則為：需要接收的節(jié)點(diǎn)其相應(yīng)的ID位為0，其余位為1 。接收數(shù)據(jù)時(shí)則相反，通過ID判斷是否為發(fā)送給自己的信息，是則接收，不是濾除。

4 結(jié)束語

CAN總線作為現(xiàn)場設(shè)備級(jí)的通信總線，有很高的可靠性和性能價(jià)格比，帶有CAN總線接口的絕對(duì)式光電軸角編碼器使它更加靈活運(yùn)用于控制系統(tǒng)中。