CAN總線的嵌入式數(shù)控系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

車麗麗

(煙臺汽車工程職業(yè)學院 汽車工程系, 山東 煙臺 265500)

0 引言

近年來，基于CAN總線的嵌入式數(shù)控技術成為了我國發(fā)展的一大趨勢，嵌入式技術的迅速發(fā)展更是給我國，乃至整個制造行業(yè)領域帶來了巨大的改革，很大程度上提高了行業(yè)生產(chǎn)的能力水平。本文由ARM9嵌入式數(shù)控系統(tǒng)作為基礎，引發(fā)一系列設計，ARM9嵌入式數(shù)控系統(tǒng)中最主要的硬件是S3C2410微處理器以及MCX314AL運動控制芯片，S3C2410微處理器以及MCX314AL運動控制芯片的加入使整個系統(tǒng)具有多項任務同時處理的能力，是整個系統(tǒng)的核心設計，對于建立基于CAN總線的嵌入式數(shù)控系統(tǒng)具有重大意義。

1 嵌入式數(shù)控系統(tǒng)硬件設計

1.1 ARM9嵌入式數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

ARM9嵌入式數(shù)控系統(tǒng)是基于CAN總線的設計，由各個小部分形成的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，其主要結(jié)構(gòu)分別是S3C2410、MCX314AL、MCP2515、MCP2551、輸入濾波器、開關電源以及伺服電機，還有一個直流電機伺服控制器。這些微處理器在系統(tǒng)中起著至關重要的作用，例如濾波器是為了排除外部因素對系統(tǒng)造成的影響，從而提高系統(tǒng)的抗干擾能力；S3C2410的作用是將自身的SP1接口與CAN總線的控制器相連，再通過收發(fā)器與CAN總線建立聯(lián)系；CAN總線的控制器主要作用是將各個部分的處理器聯(lián)系在一起，從而達成系統(tǒng)建立成功的目的。該系統(tǒng)主要通過MCP2515建立通信協(xié)議的橋梁。系統(tǒng)的流程是，S3C2410將系統(tǒng)接收成功的代碼進行翻譯處理后形成二進制代碼，再由MCX314AL控制板通過接口接收進行處理，產(chǎn)生的信號由放大器后，可達到驅(qū)動伺服電機的目的。ARM9嵌入式數(shù)控系統(tǒng)硬件設計[1],如圖1所示。

圖1 ARM9嵌入式數(shù)控系統(tǒng)硬件設計圖

1.2 S3C2410與MCP2515的連接

S3C2410將自身的SPI接口分為兩路，每條路徑分別含有兩個8位轉(zhuǎn)移寄存器，其中還含有獨立的16KB指令Cache和16KB數(shù)據(jù)Cache，MMU，支持TFT的LCD控制器，NAND閃存控制器，3路UART,4路DMA，4路帶PWM的Timer，8路10位ADC等，其目的是為了更好的處理數(shù)據(jù)，將處理器運行能力發(fā)揮到極致。而SPI系統(tǒng)中還含有四個I/O引腳，主機中的數(shù)據(jù)線MISO等，將S3C2410與MCP2515進行連接是嵌入式數(shù)控系統(tǒng)硬件設計的一大亮點，其主要是使系統(tǒng)更加完善。S3C2410與MCP2515的連接模式,如圖2所示。

圖2 S3C2410與MCP2515的連接模式圖

1.3 CAN收發(fā)器MCP2551與MCP2515的連接

系統(tǒng)中MCP2551的作用是為了將CAN控制器與CAN總線連接在一起，使CAN總線接收到的數(shù)據(jù)更加全面。通過實驗表明CAN總線的抗干擾能力有待加強，為了強化CAN總線排除不良因素的影響，特將CAN收發(fā)器MCP2551與MCP2515進行連接，完成連接后可以更好地實現(xiàn)CAN總線中的各個節(jié)點之間的電氣隔離，其主要方法是將高速光耦6N137與MCP2551進行連接，該過程不可以將CAN收發(fā)器MCP2551中的TXD和RXD與CAN控制器中的TXCAN和RXCAN進行直接連接，若連接后可造成電氣之間不能完全隔離，高速光耦將達不到作用[2]。該過程應注意連接時必須將電源完全隔離，方可發(fā)揮高速光耦的全部作用。CAN收發(fā)器MCP2551與MCP2515的連接程序圖,如圖3所示。

圖3 CAN收發(fā)器MCP2551與MCP2515的連接程序圖

1.4 S3C2410與MCX314AL的信號連接

MCX314AL運動控制芯片具有功率消耗低、電壓不需要轉(zhuǎn)換等特點，與S3C2410進行連接后可以迅速達到驅(qū)動馬達的目的，S3C2410與MCX314AL主要是通過ARM9的電路接口將二者之間的所有信號連接在一起，在ARM9嵌入式數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，所有的設計幾乎都是分開的，其目的是為了排除各個部分之間的信號相互干擾，影響系統(tǒng)進行測試，為了達到該目的，設計過程中應避免平行排線在板子間的連線之中出現(xiàn)，正確方法是使用雙絞線或者加上磁環(huán)，可以有效的避免該現(xiàn)象的發(fā)生，另外還需要特別注意在MCX314AL運動控制芯片的引腳H16L8中將高電平連接上，因為過程中使用的是16位數(shù)據(jù)線傳輸系統(tǒng)，S3C2410與MCX314AL的信號連接有效降低了系統(tǒng)信號傳輸過程中出現(xiàn)的不良因素影響。

1.5 MCX314AL運動控制板的硬件設計

該系統(tǒng)為了MCX314AL運動控制板能夠正常運行，特別構(gòu)建了MCX314AL的最小系統(tǒng)，MCX314AL芯片中總共含有144個引腳，為了建立最小系統(tǒng)，需要將16MHz晶振連接好，首先，需要在引腳EXPLSN、TESTN中加入高電平，在引腳VCC和GND中接上電源，再將各種數(shù)據(jù)線連接完成，即可完成MCX314AL運動控制板的硬件設計[3]。

為了系統(tǒng)可以更加穩(wěn)定的運行，特別將各部分之間的信號通過高速光耦進行隔離，在MCX314AL運動控制板的硬件設計過程中，為了使系統(tǒng)在工業(yè)控制中可以更加穩(wěn)定可靠、滿足業(yè)界的需求，將模擬電路中的各個硬件進一步優(yōu)化。

2 嵌入式數(shù)控系統(tǒng)軟件設計

嵌入式數(shù)控系統(tǒng)功能的達成，是由各個子程序進行數(shù)據(jù)處理、任務協(xié)調(diào)以及運動控制實現(xiàn)的，而該系統(tǒng)的軟件設計部分設計了5個模塊，分別是數(shù)據(jù)處理模塊、人機界面模塊、任務協(xié)調(diào)模塊、運動控制模塊和PLC模塊，每個模塊都有屬于自己負責的功能。嵌入式數(shù)控系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu),如圖4所示。

圖4 嵌入式數(shù)控系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖

2.1 人機界面模塊

人機界面模塊可以由操作者向其中輸入指令，將指令傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理模塊中，傳輸?shù)闹噶羁梢园ㄏ到y(tǒng)的運行狀態(tài)、參數(shù)信息、G代碼、各種文件以及報警信息等，該模塊采用的顯示系統(tǒng)更加方便操作者對系統(tǒng)進行操作。

2.2 數(shù)據(jù)處理模塊

數(shù)據(jù)處理模塊成功接收由人機界面模塊傳輸?shù)臄?shù)據(jù)之后，將狀態(tài)信息以及翻譯過后形成的NC代碼發(fā)送給任務協(xié)調(diào)模塊進行任務分配，該模塊主要負責將接收的代碼翻譯成系統(tǒng)可以識別的新代碼，對系統(tǒng)進行刀具補償。

2.3 任務協(xié)調(diào)模塊

任務協(xié)調(diào)模塊是整個嵌入式數(shù)控系統(tǒng)軟件設計中的核心部分，主要對數(shù)據(jù)處理模塊傳輸?shù)男畔⑦M行分配，達到控制整個系統(tǒng)正常運作的目的。

2.4 運動控制模塊

運動控制模塊主要受任務協(xié)調(diào)模塊的支配，對信息處理的速度、插補預處理、插補運算以及運輸?shù)奈恢眠M行嚴格把控。

2.5 PLC模塊

PLC模塊主要接收任務協(xié)調(diào)模塊分配的S、M、T指令，通過指令對機床的功能進行診斷，最后形成數(shù)據(jù)對系統(tǒng)進行反饋。

3 基于CAN總線方式的數(shù)控系統(tǒng)與伺服系統(tǒng)通訊建立

基于CAN總線方式的數(shù)控系統(tǒng)與伺服系統(tǒng)之間有一接口，主要負責通訊信息的建立，向系統(tǒng)傳輸各種狀態(tài)數(shù)據(jù)，CNC可以向伺服系統(tǒng)中發(fā)送伺服參數(shù)的修改值、控制信號等信息[4-5]。

3.1 CNC發(fā)往伺服的數(shù)據(jù)

3.1.1 CNC發(fā)送數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義

CNC存在的目的是為了向伺服系統(tǒng)發(fā)送位置與速度的比值增量、參數(shù)以及控制指令等信息，其中發(fā)送的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為數(shù)據(jù)類型type(1 byte)、數(shù)據(jù)內(nèi)容value(1 word/2byte)。而數(shù)據(jù)內(nèi)容對于伺服系統(tǒng)傳輸?shù)目刂菩盘栆?6位字來定義數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，每位的意義可以自行立意。控制信號16位字的定義，如表1所示。

表1 控制信號16位字的定義

3.1.2 數(shù)據(jù)發(fā)送方式

該系統(tǒng)通常采用開機(或重新啟動)初始化完成；當CNC要改變對伺服的控制時；發(fā)生警報時三種方式發(fā)送控制信號。而發(fā)送數(shù)據(jù)時通常采用點對點的方式，及特殊情況出現(xiàn)時，將采用廣播形式發(fā)送數(shù)據(jù)。

3.2 伺服發(fā)送CNC的數(shù)據(jù)

3.2.1 伺服發(fā)送數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義

伺服系統(tǒng)主要是在沒有任何機械進行連接的情況之下，由輸入軸對遠處的輸出軸進行控制，最終實現(xiàn)遠距離同步傳送信息，主要由小功率指令大功率進行負載傳送信息，傳送的信息主要包括狀態(tài)信息、伺服參數(shù)，發(fā)送的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是數(shù)據(jù)類型type(1 byte)、數(shù)據(jù)內(nèi)容value(1 word/2byte)。狀態(tài)信號16位字的定義，如表2所示。

表2 狀態(tài)信號16位字的定義

3.2.2 數(shù)據(jù)發(fā)送方式

數(shù)據(jù)發(fā)送方式將以伺服向系統(tǒng)發(fā)送狀態(tài)信號，當伺服發(fā)出報警信號，系統(tǒng)會采用廣播發(fā)送狀態(tài)信號，它有著自己突出的頻帶寬度以及精度的性能，可以更好的傳送數(shù)據(jù)[6]。

4 CAN總線的嵌入式數(shù)控系統(tǒng)調(diào)試與實現(xiàn)

為了CAN總線的嵌入式數(shù)控系統(tǒng)可以更好的運行，特將MCX314AL運動控制芯片中接通3個接口，其主要目的是為了更加便捷的與其他模塊建立聯(lián)系。為了對系統(tǒng)進行調(diào)試，特別對系統(tǒng)安裝4個LED指示燈，建立X軸、Y軸、Z軸以及U軸，LED的顯示情況表示運行狀態(tài)。將驅(qū)動程序后的文件進行分類，可執(zhí)行的文件下載至ARM9中，從而達到控制MCX314AL的目的。MCX314AL運動控制板的硬件組成，如圖5所示。

程序運行后得到的X、Y軸脈沖狀態(tài)圖，如圖6所示。

5 CAN總線的嵌入式數(shù)控系統(tǒng)優(yōu)化設計

5.1 數(shù)控系統(tǒng)與數(shù)字交流伺服的CAN總線通訊

為了數(shù)控系統(tǒng)與數(shù)字交流伺服可以與CAN總線建立進行良好的通訊聯(lián)系，特別進行了優(yōu)化環(huán)節(jié)，在過程中使用電磁藕合夾，并在機床車間這樣的強干擾環(huán)境下進行操作，目的是為了對系統(tǒng)進行干擾，充當人工干擾源的工具，使優(yōu)化結(jié)果更加準確。在優(yōu)化過程中由CNC向3個伺服中發(fā)送8字節(jié)數(shù)據(jù)，當伺服接收到信息之后立即返回原數(shù)據(jù)系統(tǒng)，經(jīng)CNC驗證顯示正確后，方可繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)，經(jīng)過多次試驗后得出的數(shù)據(jù)建立成表格形式。通訊數(shù)據(jù)結(jié)果，如表3所示。

圖5 MCX314AL運動控制板的硬件組成框圖

終點(X=20,Y=9)驅(qū)動脈沖輸出實例

表3 通訊數(shù)據(jù)結(jié)果

經(jīng)數(shù)據(jù)表明，該系統(tǒng)傳輸距離較以往的更遠，在如此惡劣的環(huán)境下依然可以運行[7-8]。

5.2 CAN總線的嵌入式數(shù)控系統(tǒng)機械加工

該過程將采用CAN總線的嵌入式機床數(shù)控系統(tǒng)與CAN總線的伺服驅(qū)動器進行結(jié)合進行機械加工，加工后的結(jié)果顯示誤差結(jié)果為零，優(yōu)化過程將對螺塞進行加工，為保證結(jié)果無誤差，采取分別對含有內(nèi)、外螺紋的圓筒進行單獨加工，將圓筒內(nèi)置滿水后將螺塞擰緊至倒立后仍滴水不漏為止[9-10]。

6 結(jié)束語

本文對基于ARM9的CAN總線嵌入式數(shù)控系統(tǒng)進行研究，該研究在很大程度上解決了數(shù)控機床中含有的問題，以及伺服系統(tǒng)之間發(fā)送指令的信息不全造成的影響，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)表明該系統(tǒng)具有抗干擾能力強、傳送距離遠以及在網(wǎng)絡中發(fā)展方向等特點。S3C2410微處理器以及MCX314AL運動控制芯片的設計，簡化了數(shù)控系統(tǒng)設計難點，大量減少研發(fā)過程中負載的任務量，解決數(shù)控系統(tǒng)的局限性等優(yōu)勢，這些優(yōu)勢證明了該研究具有很高的使用價值。