基于ＣＡＮ總線數控系統遠程輸入輸出模塊的設計與實現

摘 要：CAN作為一種可靠性高、價格低廉、技術成熟、實現簡單的現場總線技術在眾多領域得到了廣泛的應用。在數控系統領域中，經濟型數控系統輸入輸出接口緊缺和輸入輸出信號在遠程傳輸過程中易受干擾問題越來越明顯， 在對以上問題研究的基礎上，提出了一種基于CAN總線設計數控系統遠程輸入輸出模塊的方案。

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關鍵詞：CAN總線;遠程輸入輸出;數控系統;模塊化設計

中圖分類號：TP27 文獻標識碼：B

文章編號：1004-373X(2008)09-114-02

Design and Realization of Long-distance I/O Station Based on CAN-bus for CNC System

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LI Meiling，XIAO Baojin

(School of Information Engineering，Taiyuan University of Technology，Taiyuan，030024，China)

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Abstract：CAN is a kind of excellent field bus with high reliability，low cost，has been applied in many fields.In the field of the CNC system，the shortage problem of input-output nodes in economical CNC system is very distinctive and the error ratio of input-output signal in teletransmission is very high.In order to solve the problem above，it will be introduced that CAN bus technology is used in CNC system with an example of designing a long-distance I/O station.

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Keywords：CAN-bus;long-distance I/O station;CNC system;modular design

1 引 言

CAN即控制器局域網，他的通信具有突出的可靠性、實時性和靈活性。他的應用不再局限于汽車行業，其中CAN在機床數控系統方面實現的功能主要包括：程序管理；機床系統參數輸入輸出診斷、參數的通訊；機床狀態采集；機床工作模式采集；數據庫管理等。

目前，國產數控系統的主要份額是經濟型機床數控系統。經濟型數控系統與機床基本輸入輸出接口的數量都是有限的，經常不能滿足實際操作中的需求，同時在實際車間中，機床與數控系統可能距離較遠，輸入輸出信號在遠程傳輸過程中非常容易受到干擾而出錯，而CAN總線在傳輸較遠距離的信號時傳輸時間短，受干擾概率低，還具有較高的傳輸速度，基于這些原因本文提出了基于CAN總線的數控系統遠程輸入輸出模塊的設計思想。

2 模塊結構設計

該模塊的組成結構設計如下:CANIN，CANOUT是CAN總線的輸入輸出接口。DI，DO是模塊與機床的接口，DI：機床信息輸入接口；DO：來自數控系統的信息輸出給機床的接口。且DI，DO接口接收的信息都是開關量信息。

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圖1 模塊組成結構

3 模塊硬件設計

本輸入輸出模塊中的微處理器選用宏晶公司的單片機STC89C516RD+。在CAN總線通信接口中，CAN通信控制器選用 SJA1000，CAN總線驅動器采用 PCA82C250。由圖 2 CAN遠程輸入輸出模塊硬件原理圖可以看出，電路主要由6部分組成：微控制器STC89C516RD+、獨立 CAN 控制器、電氣隔離器件6N137、CAN 總線驅動器PCA82C250、輸出模塊和輸入模塊。微處理器STC89C516RD+ 負責向輸出模塊傳出要輸出的數據，對輸入模塊的輸入點進行掃描輸入，以及初始化SJA1000，并通過控制 SJA1000實現數據的接收和發送等通信任務。

SJA1000的AD0~AD7連接到STC89C516RD+的P0口，片選信號CS*由P2.7控制，其為0時CPU片外存儲器地址可選中SJA1000，進而可對SJA1000執行相應的讀/寫操作。SJA1000的RD*WR*ALE分別與STC89C516RD+的對應引腳相連，INT*接STC89C516RD+的INT0*，使單片機可通過中斷方式對SJA1000進行實時訪問。P1口3個端口外接一撥碼開關，用來確定自身模塊的標識號即該模塊的ID號，撥碼開關的取值為000~111，所以該ID號的取值為0～7。[HT2.][HT10.SS]

圖2 模塊原理圖

為了增強CAN總線節點的抗干擾能力，SJA1000的TX0和RX0并不是直接與PCA82C250的TXD和RXD相連，而是在中間加入了一級高速光耦6N137，這樣就很好地實現了總線上各CAN節點間的電氣隔離，但前提是光耦部分電路所采用的兩個電源VCC和VDD必須完全隔離，否則就只是利用其響應速度做低通濾波器用。電源的完全隔離可采用小功率的DC-DC，或帶多5 V隔離輸出的開關電源模塊實現。這雖然增加了接口電路的復雜性及成本，但卻提高了節點的穩定性和安全性。

輸出模塊中各輸出點通過鎖存器74ALS273與STC89C516RD+的P0口相接，并由P2譯出的地址以及寫信號WR*進行鎖存控制。而輸入模塊中各輸入點通過總線緩沖器74ABT245與P0口相連，74ABT245由P2譯出的地址以及讀信號RD*進行選通控制。這樣STC89C516RD+就可以方便地對外部I/O進行訪問而無須其他額外的軟硬件開支，大大提高了STC89C516RD+的執行效率。

4 模塊軟件設計

CAN總線數控系統遠程輸入輸出模塊的軟件設計主要包括6大部分：STC89C516RD+初始化、CAN控制器初始化、報文發送、報文接收、對輸出點的輸出訪問和輸入點的掃描輸入。本設計應用的CAN的pelic模式的標準幀格式。

程序流程如圖3所示。SJA1000初始化只有在復位模式下才能進行，初始化主要包括通過調節撥碼開關設置本模塊的標識符，工作方式的設置、接收濾波方式的設置、接收屏蔽寄存器(AMR)和接收代碼寄存器(ACR)的設置、波特率設置和中斷允許寄存器(IER)的設置等。

機床信息傳到數控系統:當掃描到機床的輸入信號有電平變化時，模塊把自身的ID信息和輸入信號一起打包成標準幀發送給數控系統。

數控系統指令傳到機床：模塊實時監控總線，當總線上有來自數控系統的信息，啟動CAN接收，根據AMR和ACR來判斷是否該接收該指令幀，如果不應該接收，將信息丟棄，如果應該接收，將指令輸出給機床。

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圖3 模塊程序流程圖

5 模塊應用

在實際應用中，多塊輸入輸出模塊相連接組成CAN的網絡，多塊輸入輸出模塊的上位機都是機床數控系統，各模塊的輸入輸出接口均與機床相連如圖4所示。

注意在該網絡中，在總線的兩端應各接有一個終端電阻，終端電阻的作用是吸收信號線上電脈沖的多余能量，防止反射形成信號混淆，而信號混淆將導致通訊錯誤。

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圖4 應用數控系統遠程輸入輸出模塊的網絡拓撲

由于各模塊的ID號的取值為0~7，所以本設計數控系統外部可擴展8個輸入輸出模塊，其中各個模塊ID號設置不能相同，且站號越小，優先級越高。在本設計中每個模塊的輸入點為64個，輸出點為64個，則一共可以擴展到512(64*8)個輸入輸出點。

6 結 語

基于CAN總線的數控系統遠程輸入輸出模塊不僅擴

展了經濟型數控系統的輸入輸出節點，而且提高了遠程輸入輸出信號傳輸的正確率。本系統通過了現場進行的實驗測試，總線單接一個模塊;接兩個模塊；串接8個模塊，分別測試各個模塊的工作情況，機床和數控系統之間的信息都能正確傳送，通信速率完全能滿足系統實時性能的要求，運行可靠。系統具有結構簡單，集成度、智能化程度高，結構與功能可擴展性好，安全可靠，極大地增加了數控系統和機床通信的輸入輸出節點。隨著未來工廠自動化的發展，CAN總線將具有廣闊的應用前景。

參 考 文 獻

［1］饒運濤，鄒繼軍，鄭勇蕓.現場總線CAN原理與應用技術［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2003.

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［2］張培仁，孫占輝，張欣，等.基于C語言編程MCS-51單片機原理與應用［M］.北京：清華大學出版社，2003.

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［3］譚劍波，謝川，石忠東，等.基于CAN總線的智能I/O站點設計［J］.微計算機信息，2005，21(10Z):1-2.

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［4］李干林，韓念杭.基于DSP和CAN總線的信號轉換裝置設計［J］.現代電子技術，2007，30(6):17-19，22.

作者簡介 李美玲 女，1982年出生，山東淄博人，碩士。主要從事CAN總線控制技術和信號處理方面的研究。

蕭寶瑾 男，1949年出生，山西太原人，教授。主要從事信號處理和反相對稱方面的研究。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。