基于CAN總線嵌入式數字控制系統的設計

尹 明，王 杰

（1. 重慶三峽學院 計算機科學系，萬州 404000；2. 南京中興通訊股份有限公司，南京 210000）

0 引言

目前國內生產的直流電機調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有各自的優缺點，阻礙了多臺電動機機組的進一步網絡化發展和群控控制。本文分析和研究了多臺直流電機CAN總線的通信協議以及軟件數據的傳輸[1,2]，對工業網絡控制的實現具有一定的指導意義。CAN總線控制網絡工作于多主方式，網絡中的各節點都可根據總線訪問優先權（取決于報文標識符）采用無損結構的逐位仲裁的方式競爭向總線發送數據，且CAN協議廢除了站地址編碼，采用對通信數據進行編碼，這可使不同的節點同時接收到相同的數據，這些特點使得CAN總線構成的網絡各節點之間的數據通信適時性強，并且容易構成冗余結構，提高系統的可靠性和靈活性。

1 系統總體設計

多臺直流電動機CAN總線控制系統如圖1所示，本系統由直流電機、直流電機調速控制器、CAN總線通信控制板、上位機和CAN總線五部分構成。CAN總線能完成網絡的建立、網絡信號的傳遞、總線控制以及與上位機之間的數據通信；同時還完成對直流電機電壓、電流數據的測試、傳輸以及直流電機轉矩、轉速的檢測并進行閉環控制等[1]。

圖1 多臺電機CAN總線控制框圖

2 數據通信設計

在直流電機調速系統結構中有一個通信接口模塊，用來實現與CAN總線通信控制板之間的數據交換，首先用DSP實現AD采樣電路對速度反饋、速度給定、電流反饋等數據處理。采樣所得數據經再發送給ARM處理器，最終ARM處理器實現CAN總線通信[3,4]。

2.1 直流電機的CAN總線通信設計

CAN協議標準中規定了CAN總線支持的兩種傳輸介質：雙絞線和光纖。目前，絕大多數CAN總線系統采用的都是雙絞線傳輸。光纖一般應用于大容量、高速率的傳輸中，對于CAN總線這種傳輸速率較低、數據量較小的現場總線通信，光纖傳輸的優勢得不到完全發揮。所以，本文使用雙絞線作為通信介質。

每個直流電機都是網絡中的一個節點，其在運行時的數據經DSP采集后發送到CAN總線通信控制板，然后傳輸到CAN總線上，再由CAN總線適配器傳給上位機，實現對電機的實時監測。這樣就可以實現上位機對電機的實時監控。其中CAN總線適配器實現上位機與CAN總線的數據交換。

CAN總線適配器由CAN的微控制器完成與上位機通信的協調工作，根據需要可對CAN適配器微控處理器中的寄存器進行讀寫操作，實現初始化及數據采集。CAN總線適配器上電復位和初始化后，等待著命令和數據，當命令或數據送給CAN的寄存器并置位標志位，即完成一次通訊，然后取出數據做進一步處理。與CAN適配器間的通訊有查詢和中斷兩種方式。

2.2 CAN總線網絡通訊調試

首先要測試CAN總線適配器與上位機能否實現通信，從前面的介紹可以知道它們是通過串口實現通訊的。打開串口調試工具，由適配器向串口發送數據，如果串口調試工具可以接收到數據，則說明它們之間的通訊正常。接著要對兩個CAN節點的調試，我們采用雙絞線作為通訊介質。總線傳輸速度與雙絞線的長度成反比關系，所以可以根據對通訊速度的要求確定雙絞線的長度，由于是簡單通訊實驗，因而對雙絞線的長度沒有要求。設置一個節點為發送端，另一節點為接收端，取消報文濾波器，如果能夠完成發送接收任務則它們已經能夠實現簡單的通訊。

本設計設定傳輸運行狀態與故障狀態兩種運行參數，其中運行狀態包括直流電機的：給定速度、反饋速度、反饋電路、電樞電壓。運行狀態是由DSP自帶的AD轉換模塊經采樣所得。DSP的AD采樣器精度是12位的，所以經模數轉換后的數值是一個12位的二進制數，對其前端補零轉換成16位數據經串口直接發送給ARM處理器。因為兩者的傳輸距離很近，所以不需要經過電平轉換就可直接發送。而電機的故障狀態則由0、1表示，0代表沒有故障，1代表電機出現故障。

要實現DSP與ARM以及CAN總線的通信，需要設置一個通信控制協議，協議設定每個要傳輸的參數一個控制地址。CAN總線每次可以發送8個字節數據，每個字節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行參數需要占據兩個字節，而故障狀態只需占據一個字節。CAN總線數據幀的第一個字節存放控制地址，第二、三個字節存放數據。其中，第二字節存高地址，第三字節存低地址。如果發送的是故障狀態則只有第二個字節是傳輸數據。CAN總線每次只發送一種運行參數，其中給定速度、反饋速度、反饋電路及電樞電壓依次輪流發送。而故障狀態在程序中設置為優先級最高，當有故障出現時則優先發送，正常狀態下不發送。圖2是整個系統的數據傳輸流程圖[5,6]。

圖2 數據傳輸流程圖

3 實驗

圖3為上位機數據顯示界面，圖中顯示為調試某一時刻的傳輸數據。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是在電機空載時的測量值，隨著負載的增加，反饋電流會逐漸增大。電樞電壓是直流電機母線上的電壓，由于電機在實際應用中主要工作在220V，所以調試時首先將電樞電壓穩定在這一電壓值，然后再對速度進行調節。在正常情況下，故障狀態始終顯示為“無”，當有故障信號發出時，故障狀態顯示為“有”并發出報警信號。

圖3 上位機數據顯示界面

這樣上位機就收到某臺電機此時的各種運行參數，由此可以實現使用上位機監控整個廠房中所有電機的運行狀況。

在系統調試時，使用三米長的雙絞線作為通信介質，上位機、直流電機、直流電機調速器等作為調試工具。實驗證明，上位機能夠順利接收到直流電機發送的各種運行參數，說明系統已經實現了數據通信的要求。由于直流電機、測速機本身都是比較大的干擾源，在此情況下數據仍能順利傳輸，這也一定程度上驗證了CAN總線的抗干擾能力。

4 結束語

本文針對CAN總線在直流電機調速系統中的應用，通過整體結構設計，實現了直流電機調速器與CAN總線控制器之間的數據交換以及CAN總線與上位機間的數據傳輸，最終實現CAN總線對直流電機的運行狀態的監視。

[1] 劉松,王渝.基于CAN總線的數字式直流電機控制系統[J].微計算機信息,2003,19(4):7-9.

[2] 曹太強,許建平,吳昊,王杰.基于DSP的直流電機數字調速系統的設計[J].電力電子技術,2008,42(2):73-77.

[3] 王田苗.嵌入式系統設計與實例開發[M].清華大學出版社,2002.

[4] 王澤民,蘆東昕,謝鑫,徐立峰.基于 VxWorks 的異常處理的研究和實現[J].計算機工程,2005,31(13):90-92.

[5] 曹珊,于秀敏,周 學文,等.混合動力汽車CAN總線系統智能節點設計[J].計算機工程與應用,2006,42(15):92-93.

[6] 王彥堂,李貽斌,宋銳.基于ARM Linux平臺的CAN設備驅動程序設計與實現[J].計算機工程與應用.2007,43(15):79-82.