基于CAN總線(xiàn)控制器SJA1000的自動(dòng)絡(luò)筒機(jī)通信系統(tǒng)方

1、 引言

隨著紡織工業(yè)技術(shù)進(jìn)步,紡織機(jī)械日益趨向成套化、自動(dòng)化和系統(tǒng)化。自動(dòng)絡(luò)筒機(jī)是紡織工業(yè)上檔次的關(guān)鍵設(shè)備,起著承上啟下、改善紗線(xiàn)性能的重要作用,它是紡部的整理設(shè)備和織部的準(zhǔn)備設(shè)備,機(jī)電氣一體化,自動(dòng)化程度高,速度快,生產(chǎn)效率高。自動(dòng)絡(luò)筒機(jī)是一種具有高速、高產(chǎn)、高效、高質(zhì)和高自動(dòng)化功能，并綜合了最新機(jī)械、電子、材料、儀表及計(jì)算機(jī)信息處理和控制等技術(shù)的機(jī)電一體化產(chǎn)品。自動(dòng)絡(luò)筒機(jī)的出現(xiàn)，從根本上改變了普通絡(luò)筒機(jī)的面貌，其生產(chǎn)的筒子卷裝大，絡(luò)紗速度高，對(duì)紗線(xiàn)的絡(luò)紗全過(guò)程自動(dòng)化控制程度和勞動(dòng)生產(chǎn)率高，從而成為機(jī)械、電子、氣動(dòng)、儀表和計(jì)算機(jī)信息處理相結(jié)合的高新技術(shù)產(chǎn)品。自動(dòng)絡(luò)筒機(jī)是科技含量最高的紡織機(jī)械設(shè)備，有“紡織機(jī)械皇冠上的明珠”之稱(chēng)。

CAN總線(xiàn)是一種有效支持分布式控制系統(tǒng)或?qū)崟r(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)，是一個(gè)多主總線(xiàn)，總線(xiàn)上的各個(gè)節(jié)點(diǎn)都有權(quán)隨時(shí)向其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，總線(xiàn)沖突時(shí)通過(guò)總線(xiàn)仲裁機(jī)制來(lái)決定占用總線(xiàn)的節(jié)點(diǎn)。CAN能夠使用多種物理介質(zhì)傳播，例如雙絞線(xiàn)、同軸電纜、光纖等。最常用的就是雙絞線(xiàn)。CAN總線(xiàn)描述的是 ISO/OSI七層協(xié)議中的第一層和第二層的高速協(xié)議。目前，CAN 總線(xiàn)的規(guī)范常見(jiàn)的是2.0A和2.0B版本。本自動(dòng)絡(luò)筒機(jī)通信統(tǒng)中采用的是2.0B擴(kuò)展幀，29位標(biāo)志符。

CAN中的信號(hào)包括幀起始、仲裁場(chǎng)、控制場(chǎng)、數(shù)據(jù)場(chǎng)、CRC 場(chǎng)、應(yīng)答場(chǎng)、幀結(jié)尾等部分。報(bào)文傳輸由數(shù)據(jù)幀、遠(yuǎn)程幀、錯(cuò)誤幀、過(guò)載幀、表示和控制。數(shù)據(jù)幀/遠(yuǎn)程幀通過(guò)幀間空間相分隔。信號(hào)使用差分電壓傳送，兩條信號(hào)線(xiàn)被稱(chēng)為“CAN_H”和“CAN_L”，靜態(tài)時(shí)均是2.5V左右，此時(shí)狀態(tài)表示為邏輯“1”，也可以叫做“隱性”。用CAN_H比CAN_L高表示邏輯 “0”，稱(chēng)為“顯性”，此時(shí)，通常電壓值為：CAN_H = 3.5V 和CAN_L = 1.5V 。

2、基于SJA1000的自絡(luò)筒通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1、SJA1000簡(jiǎn)介

SJA1000是Philips公司生產(chǎn)的獨(dú)立CAN 總線(xiàn)控制器,它是早期的PCA82C200 的替代產(chǎn)品。它與 PCA82C200在管腳、電氣特性上完全兼容,不僅有 和PCA82C200一樣的基本CAN (BasicCAN)工作模式,而且新增加了增強(qiáng)CAN ( PeliCAN)工作模式,這種模式支持具有很多新特性的CAN2. 0B 協(xié)議。SJA1000是一種應(yīng)用于汽車(chē)和一般工業(yè)環(huán)境的獨(dú)立CAN總線(xiàn)控制器，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單總線(xiàn)連接可完成CAN總線(xiàn)的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的所有功能。其硬件與軟件設(shè)計(jì)和PCA82C200的基本CAN模式BasicCAN兼容。同時(shí)，新增加的增強(qiáng)CAN模式PeliCAN還可支持CAN2.0B協(xié)議。SJA1000的主要特性如下 ：1、管腳及電氣特性與獨(dú)立CAN總線(xiàn)控制器PCA82C200兼容 ;2、軟件與PCA82C200兼容(缺省為基本CAN模式);3、擴(kuò)展接收緩沖器(64字節(jié)FIFO);4、支持CAN2.0B時(shí)支持11和29位標(biāo)識(shí)符;5、位通訊速率為1Mbits/s;6、增強(qiáng)CAN模式(PeliCAN);7、采用24MHz時(shí)鐘頻率;8、支持多種微處理器接口;9、可編程 CAN輸出驅(qū)動(dòng)配置;10、工作溫度范圍為-40~+125℃。

2.2、CAN通信系統(tǒng)中硬件設(shè)計(jì)

CAN控制模塊主要由接口管理邏輯、發(fā)送緩沖器、接收緩沖器(RXFIFO)、接收過(guò)濾器、位流處理器 (BSP)、位時(shí)序邏輯 (BTL)和錯(cuò)誤管理邏輯(EML)組成。

本項(xiàng)目中自動(dòng)絡(luò)筒機(jī)控制系統(tǒng)中共有60個(gè)單錠，通過(guò)上位機(jī)來(lái)對(duì)各個(gè)單錠進(jìn)行控制。

根據(jù)自動(dòng)絡(luò)筒機(jī)通信系統(tǒng)的功能及要求，選SJA1000作為CAN控制器，并且使用了CAN控制器接口芯片PCA82C250，PCA82C250是 CAN協(xié)議控制器和物理總線(xiàn)之間的接口。此器件對(duì)總線(xiàn)提供差動(dòng)發(fā)送能力，對(duì)CAN控制器提供差動(dòng)接收能力。整個(gè)系統(tǒng)以Atmel AVR單片機(jī)Mega64L。ATMEL公司的AVR單片機(jī)，是增強(qiáng)型RISC內(nèi)載Flash的單片機(jī)，芯片上的Flash存儲(chǔ)器附在用戶(hù)的產(chǎn)品中，可隨時(shí)編程，再編程，使用戶(hù)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)容易，更新?lián)Q代方便。AVR單片機(jī)采用增強(qiáng)的RISC結(jié)構(gòu) ，使其具有高速處理能力，在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)可執(zhí)行復(fù)雜的指令。本系統(tǒng)采用的AVR mega64L還具有：用32個(gè)通用工作寄存器代替累加器，從而可以避免傳統(tǒng)的累加器和存儲(chǔ)器之間的數(shù)據(jù)傳送造成的瓶頸現(xiàn)象;一個(gè)時(shí)鐘周期執(zhí)行一條指令;可直接訪(fǎng)問(wèn)8M字節(jié)程序存儲(chǔ)器和8M字節(jié)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寄存器等特點(diǎn)。因此，采用ATMEL公司生產(chǎn)的AVR位單片機(jī)Mega64L機(jī)作為控制系統(tǒng)的主控制器是十分理想的選擇。SJA1000在自絡(luò)筒通信系統(tǒng)中單錠的硬件配置與CAN總線(xiàn)接口的電路如圖 2示。硬件電路中使用 PCA82C250的目的是為了增大通信距離，提高系統(tǒng)的瞬間抗干擾能力，保護(hù)總線(xiàn)，降低射頻干擾，實(shí)現(xiàn)熱防護(hù)等。

SJA1000在電路中是一個(gè)總線(xiàn)接口芯片，實(shí)現(xiàn)從上位機(jī)PC-CAN接口到現(xiàn)場(chǎng)微處理器之間的數(shù)據(jù)通信。對(duì)于微處理器而言，SJA1000是一個(gè)總線(xiàn)接口，SJA1000片內(nèi)的存儲(chǔ)單元相對(duì)Mega64L來(lái)說(shuō)是片外的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，因此，可以按照擴(kuò)展片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的形式來(lái)訪(fǎng)問(wèn)SJA1000的寄存器地址。Mega64L是CAN控制器的微處理器，把Mega64L的ALE、RD、WR和 SJA1000的ALE、RD、WR相連就構(gòu)成一個(gè)最小系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)。Mega64L通過(guò)地址總線(xiàn)經(jīng)GAL譯碼來(lái)選通 SJA1000，并由此決定CAN控制器各寄存器的地址，通過(guò)讀、寫(xiě)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的形式來(lái)訪(fǎng)問(wèn) SJA1000。在系統(tǒng)中我們將SJA1000的TX1腳懸空，RX1引腳接地，形成CAN協(xié)議所要求的電平邏輯。該電路的主要功能就是通過(guò)CAN總線(xiàn)接收來(lái)自上位機(jī)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析組態(tài)，然后下傳給下位機(jī)的控制電路實(shí)現(xiàn)控制功能，當(dāng)智能控制系統(tǒng)接收到下位機(jī)的上傳數(shù)據(jù)，SJA1000的中斷輸出INT腳就會(huì)被激活，出現(xiàn)一個(gè)由高電平到低電平的躍變，產(chǎn)生一個(gè)中斷，從而引發(fā)微處理器Mega64L產(chǎn)生中斷，通過(guò)中斷處理程序接收每一幀信息并通過(guò)CAN總線(xiàn)上傳給上位機(jī)進(jìn)行分析，以便及時(shí)糾正誤碼、錯(cuò)碼。

在進(jìn)行電路設(shè)計(jì)時(shí)需注意：為進(jìn)一步提高系統(tǒng)抗干擾能力，在CAN控制器SJA1000和CAN控制器接口PCA82C250之間加接6N137光電隔離芯片，并采用DC-DC變換器隔離電源;通信信號(hào)傳輸?shù)綄?dǎo)線(xiàn)的端點(diǎn)時(shí)會(huì)發(fā)生反射，反射信號(hào)會(huì)干擾正常信號(hào)的傳輸，因而總線(xiàn)兩端兩個(gè)124歐姆電阻對(duì)匹配總線(xiàn)阻抗起著相當(dāng)重要的作用，忽略掉它們，會(huì)使數(shù)據(jù)通信的抗干擾性和可靠性大大降低，甚至無(wú)法通信;PCA82C250第8腳與地之間的電阻RS稱(chēng)為斜率電阻，它的取值決定了系統(tǒng)處于高速工作方式還是斜率控制方式。把該引腳直接與地相連，系統(tǒng)將處于高速工作方式。在這種方式下，為避免射頻干擾，建議使用屏蔽電纜作總線(xiàn);而在波特率較低、總線(xiàn)較短時(shí)，一般采用斜率控制方式，上升和下降的斜率取決于RS的阻值。