CAN總線技術(shù)在組合機(jī)床通信系統(tǒng)中的應(yīng)用

摘 要：文章結(jié)合組合機(jī)床數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，較為全面地分析了CAN總線技術(shù)在組合機(jī)床通信系統(tǒng)中的軟硬件設(shè)計，并針對組合機(jī)床在實際操作中電磁干擾問題，給出了CAN總線抗干擾能力的硬件設(shè)計圖，較好地突出了CAN總線的高實時性、可靠性高、傳輸速率高、傳輸距離遠(yuǎn)等優(yōu)點。

關(guān)鍵詞：CAN總線技術(shù)；組合機(jī)床；通信系統(tǒng)；電磁干擾

引言

隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代組合機(jī)床裝備了大量的電控系統(tǒng)來滿足加工精度、加工速度等要求，而這些電控單元需要通過通信系統(tǒng)來配合進(jìn)行復(fù)雜的決策運算，完成加工任務(wù)。機(jī)床監(jiān)控技術(shù)的出現(xiàn)更是使得組合機(jī)床朝著遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展[3]。因此，為組合機(jī)床電控系統(tǒng)添加通信和控制功能的總線技術(shù)顯得尤為關(guān)鍵。目前傳統(tǒng)的通信方式有RS-232、RS-485、CAN總線技術(shù)等。而RS-232傳輸速率偏低，傳輸距離偏短，抗干擾能力差且只適合點對點的連接方式；RS-485可以實現(xiàn)半雙工的總線型網(wǎng)絡(luò)，總線上需要連接多收發(fā)器，通信速率和通信距離同樣偏低，實時性不高[2]。而CAN總線技術(shù)可以很好地克服以上幾種方式的缺點。

1 CAN總線技術(shù)簡介

CAN（Controller Area Network）即控制器局域網(wǎng)，由德國Bosch公司1993年為解決汽車電控單元之間通信而推出的一種現(xiàn)場總線通信技術(shù)。

相比之下，CAN總線技術(shù)具有多工作方式、高實時性、非破壞性的基于優(yōu)先權(quán)的仲裁技術(shù)、報文濾波技術(shù)、系統(tǒng)容量大、短幀結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)出錯率低、可靠性高、通信介質(zhì)選擇靈活以及底層協(xié)議固化等優(yōu)點[5]。當(dāng)然，較為重要的特點是傳輸速率高、傳輸距離遠(yuǎn)。表1為位速率與最大通信距離的關(guān)系。

表1 位速率與最大通信距離的關(guān)系

2 CAN主控制器的硬件設(shè)計

CAN總線通信接口由CAN協(xié)議控制芯片和收發(fā)器組成。一般來說，一個CAN節(jié)點就是一個獨立的具有CAN總線通信功能的單片機(jī)。常見的CAN總線節(jié)點實現(xiàn)方式有三種：微處理器+獨立CAN協(xié)議控制器+CAN收發(fā)器、自帶CAN控制器的微處理器+CAN收發(fā)器、串行I/O器件+CAN收發(fā)器[3]。文章采用第一種方式實現(xiàn)，基本的電路模塊包含微處理器、CAN總線控制器SJA1000、CAN收發(fā)器PCA82C250和光耦隔離電路[1]。它主要實現(xiàn)組合機(jī)床電控單元間基本的通信功能，比如CAN總線協(xié)議格式的數(shù)據(jù)接收和發(fā)送。同時，還可以在其上擴(kuò)展一些其他模塊，進(jìn)而構(gòu)成所需的功能模塊，基本電路組成框圖如圖1所示。

圖1 基本電路模塊框圖

CAN總線控制器內(nèi)部集成了CAN協(xié)議的大部分內(nèi)容，是CAN總線的核心。CAN總線控制器有兩種：SJA1000獨立控制器、微處理器自帶CAN控制器[3]。組合機(jī)床中的電控單位由很多微處理器組成，這些微處理器中集成了CAN總線控制器，這些控制器可以與其他PC、ARM、DSP以及單片機(jī)等各種類型標(biāo)準(zhǔn)總線組合進(jìn)行接口，形成CAN總線上每個單獨的節(jié)點，通信速率快，誤碼率低。為防止單個節(jié)點故障影響整個CAN總線通信，設(shè)計CAN節(jié)點時加設(shè)總線保護(hù)器件來隔離CAN控制器和收發(fā)器[5]。CAN收發(fā)器采用PHILIPS公司的PCA82C250收發(fā)器，提供對CAN總線的差動發(fā)送和接收能力。

3 系統(tǒng)抗干擾技術(shù)分析與設(shè)計

在組合機(jī)床實際操作中，由于內(nèi)部封閉且空間小，電控單元復(fù)雜，布線較多等因素，難免會造成電磁干擾。CAN總線系統(tǒng)抗干擾技術(shù)主要可以從通信介質(zhì)、電源電路、光電隔離等方面設(shè)計[5]。

3.1 通信介質(zhì)

CAN總線的傳輸介質(zhì)可以采用屏蔽干擾能力較強(qiáng)的屏蔽雙絞線、同軸電纜或者光釬。CAN總線兩端還要并聯(lián)一個120歐姆的終端電阻，即是為了避免收發(fā)信號的反射、減小共模干擾。另外可加設(shè)共模扼流圈進(jìn)一步消弱電磁干擾。

3.2 電源電路設(shè)計

CAN總線硬件電路的供電電源可由帶隔離功能的DC-DC電源模塊以及穩(wěn)壓器穩(wěn)壓電路構(gòu)成。為防止浪涌、過電流以及過電壓，在電路中加了瞬變二極管和自恢復(fù)保險絲，如圖2所示。

3.3 光電隔離

信號進(jìn)入主控制器之前可以加一級光電隔離，文章采用的是高速光耦TLP521來實現(xiàn)CAN總線收發(fā)器與主控制器之間的電氣隔離，如圖3所示。

圖2 電源電路

圖3 光電隔離電路

圖4 CAN總線通信流程圖

4 CAN總線通信軟件設(shè)計

每個節(jié)點的CAN總線通信軟件程序包含三部分：初始化、數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)發(fā)送。此外完整的CAN總線應(yīng)用程序還包含信息判斷、中斷處理等功能部分[4]。

初始化包含設(shè)置波特率、各寄存器、過濾器以及屏蔽器位、選擇工作方式等數(shù)據(jù)幀的設(shè)計。數(shù)據(jù)接收可進(jìn)入接收子程序，發(fā)送可借助先存入緩存，再讀取緩存的方式。

為了充分利用網(wǎng)絡(luò)資源，提高CAN總線的高實時性，可設(shè)置不同傳輸波特率的高低速網(wǎng)關(guān)，不同網(wǎng)關(guān)除了必要的通信外，其余各網(wǎng)絡(luò)的報文是相互獨立傳輸?shù)模@就需要對報文進(jìn)行過濾、屏蔽等處理[6]。整個程序流程如圖4所示。

5 結(jié)束語

文章分析了CAN總線技術(shù)在組合機(jī)床數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)，通過靈活的通信協(xié)議、接口設(shè)計以及抗電磁干擾設(shè)計，充分體現(xiàn)了系統(tǒng)CAN總線短突發(fā)、高實時性、高數(shù)據(jù)率等優(yōu)點。此外，該系統(tǒng)還可以應(yīng)用到其他工業(yè)控制領(lǐng)域，具有廣泛的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

[1]劉家磊，等.CAN總線技術(shù)在車床企業(yè)智能節(jié)能控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[M].機(jī)床與液壓，2015（2）.

[2]姜江，等.CAN總線在組合機(jī)床電控系統(tǒng)通信中的應(yīng)用[M].今日電子，2004（4）.

[3]王彥華.CAN總線機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)通信技術(shù)的設(shè)計應(yīng)用[M].煤礦機(jī)械，2013（7）.

[4]鄔寬明.CAN總線原理和應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2002.

[5]徐澤華.一種基于CAN接口的數(shù)字式控制手柄研制及其功能測試軟件設(shè)計[D].2003.

[6]KONG Hui-fang， WEI Yang. The Research of AMT Communication System Based on CAN Bus[D].Hefei： Hefei University of Technology， 2008.

作者簡介：李忠唐（1985-），男，漢，碩士研究生，畢業(yè)于同濟(jì)大學(xué)，控制工程專業(yè)。