引言

　　現代組合機床裝備了大量的電子設備來滿足加工精度、加工速度等要求，如果采用常規的點到點方式，直接把12V/24V電源連到負載設備上(如電機、液壓泵等)，用開關(guan) 使電路閉合，勢必造成導線數量不斷增加，而有限的布線空間則在相對減少。此外,這些電控單元還要進行複雜的控製決(jue) 策運算，包括從(cong) 周邊設備收集信息，發出控製命令，再根據反饋的信息做下一步的決(jue) 策等。這一過程需要不同的電控單元之間進行通信，彼此影響。這些是不能通過簡單的連接所能實現的。

　　有多種信息傳(chuan) 輸手段可以實現不同的電控單元之間的通信，如常用的RS-232、RS-485和CAN。RS-232雖然應用廣泛，但是傳(chuan) 輸速率較低，傳(chuan) 輸距離較短，抗幹擾能力較差，而且最重要的是它隻適合點對點的連接方式；RS-485也是一個(ge) 常用的通信規範，它可以實現半雙工的總線型的網絡，總線上允許連接多收發器，即具有多站能力；而CAN(控製器局域網)具有現場總線的特征，與(yu) RS-485相比，CAN的信號形式更適合於(yu) 熱插拔，而且它的網絡層協議在滿足模塊間通信高實時性要求的同時，與(yu) 定時觸發的TIP相比更適合不定時傳(chuan) 送信息的要求。CAN繼承了集散控製係統(DCS)的優(you) 點，可以更方便地構建模塊間通信網絡。

　　本文介紹利用CAN總線，實現組合機床電控係統間通信的係統設計與(yu) 應用，給出模塊控製器以及監控PC機的CAN總線接口的硬件設計，和應用層協議軟件的設計思路。

　　係統的描述

　　● 係統的組成及網絡結構
　　係統的組成如圖1所示，係統由監控主機、並聯組合機床電控的數據采集模塊和CAN總線組成。

　　本文研究的組合機床采用了上述CAN總線接口的微處理器係統。該係統包括數據采集和加工過程控製兩(liang) 部分，前者由掛接在CAN總線上的數據采集單元完成，主要是從(cong) 總線上收集有關(guan) 組合機床的運行數據(由組合機床上的控製單元提供)，進行一些基本的數據處理和診斷，如有關(guan) 傳(chuan) 感器、執行器是否失效，然後將有關(guan) 數據和加工狀況存儲(chu) 在擴展的EPROM中，在適當時刻將存儲(chu) 的數據通過RS232總線上傳(chuan) 到監控主機(PC)進行分析。實際上可以直接把PC機掛接在CAN總線上。加工過程控製運行在PC機上，主要是處理由數據采集係統發送的數據，如動力頭轉速、進給量、切削深度等。這種分層處理的好處在於(yu) 可以更好地利用PC數據處理能力以及已有的一些控製軟件資源，並且可以脫機處理。

　　監控主機通過CAN總線從(cong) 各模塊獲取現場控製數據，監控整個(ge) 係統的工作狀態，控製各模塊的投入和退出，完成人機對話，響應近端和遠端的操作。

　　各個(ge) 組合機床電控單元間以及模塊與(yu) 監控主機之間通過CAN連接通信，通信網絡拓撲結構采用總線式結構。

　　這種結構的特點是多個(ge) 節點共用一條傳(chuan) 輸線，結構簡單、成本低；采用無源抽頭連接，可靠性高。信息的傳(chuan) 輸采用CAN通信協議，線路利用率高。傳(chuan) 輸介質為(wei) 雙絞線，如需進一步提高抗幹擾能力，還可在控製器和傳(chuan) 輸介質之間加接光電隔離。

　● 硬件介紹
　　硬件包括TMS320LF2407A與(yu) CAN總線的接口、監控機與(yu) CAN的接口。其中LF2407A與(yu) CAN總線的接口如圖2所示。
 

　　由於(yu) LF2407A內(nei) 嵌CAN控製器，因此它的CAN總線接口隻需一個(ge) 完成電平轉換和線路驅動的驅動器PCA82C250T。PCA82C250T是CAN協議控製器和物理總線的接口，對總線提供差動發送能力，對CAN控製器提供差動接收能力，完全符合“ISO11898”標準。在CAN總線的網絡終端，總線上需加一個(ge) 120Ω的匹配電阻。

　　監控機使用了工業(ye) 控製用PC機，與(yu) CAN的接口用一塊CAN總線通信接口適配卡實現，適配卡插在PC機的擴展槽內(nei) 。

　　● LF2407A的CAN控製器

　　LF2407A的CAN控製器是一個(ge) 16位的外設模塊，可以通過設置或讀取內(nei) 部寄存器來訪問CAN控製器。LF2407A的CAN控製器由可編程位定時器和6個(ge) 郵箱組成。郵箱方式是CAN控製器的特點，郵箱是一個(ge) 48×16位的RAM空間，此空間分為(wei) 6個(ge) 郵箱，每個(ge) 郵箱由郵箱標識寄存器、郵箱控製寄存器及4×16位的存儲(chu) 空間組成，其中郵箱0和郵箱1是接收郵箱，郵箱4和郵箱5是發送郵箱，而郵箱2和郵箱3則可隨意配置成發送或接收郵箱。CPU以統一的內(nei) 存編址來訪問這些郵箱寄存器。

　　LF2407A的CAN控製器支持CAN2.0協議，有自動重發功能，支持數據幀和遠程幀，數據收發采用郵箱方式，可工作在標準模式和擴展模式，有可編程位定時器，可編程實現總線喚醒功能，可對中斷配置編程。TMS320LF2407A芯片的這些特點方便了係統功能的實現。

　　CAN網絡發送周期

 　　CAN網絡發送周期如圖3所示。該圖為(wei) 在其他站處於(yu) 等待狀態時，一次成功發送周期的時序圖，成功發送周期=傳(chuan) 輸時延+傳(chuan) 輸時間。

　　由於(yu) CAN網絡的信息傳(chuan) 遞是基於(yu) ID優(you) 先權的競爭(zheng) 機製仲裁。當t時刻發生在A節點仲裁場結束之前，即有不少於(yu) 兩(liang) 個(ge) 站同時發送時，需根據優(you) 先權的比較結果，決(jue) 定發送站的成功發送周期時序。這裏的“同時”可定義(yi) 為(wei) ，“當節點A發送信息時，另一個(ge) 節點B在t時刻發送信息，若t時刻發生在A節點仲裁場結束之前，則稱A節點和B節點為(wei) 同時發送信息”。在仲裁場結束之後，信息的成功發送周期由優(you) 先權的比較結果決(jue) 定。此時，優(you) 先權高的占據總線，信息得以成功發送，優(you) 先權低的發送失敗，等待下一次發送。此時若A的優(you) 先權高於(yu) B的優(you) 先權，成功發送周期不變。否則，則成功發送節點為(wei) B節點，成功發送周期為(wei) B節點的發送時間加上兩(liang) 節點同時發送進行優(you) 先權比較時A節點的仲裁場時間，即成功發送周期=傳(chuan) 輸時間+2×最大傳(chuan) 輸時延+仲裁場時間，若t時刻發送在A節點仲裁場結束之後，則B節點等待下一次發送，成功發送周期不變。

　　CAN控製器的編程

● 包過濾功能的編程

　　CAN結點對數據包的選擇接收是通過接收包過濾功能來實現的。在數據鏈路層LLC(邏輯鏈路控製)子層實現數據包過濾。隻有符合一定條件的數據包才會(hui) 被該節點接收，其他數據包在底層即被丟(diu) 棄。因此隻要在發送節點為(wei) 數據包設置正確的標示符，即可將其發送到指定的一個(ge) 或多個(ge) 節點。利用CAN總線

端口驗收碼AC，驗收屏蔽碼AM，報文標識符ID的關(guan) 係，即可實現上述目的。設目的CAN端口驗收碼、驗收屏蔽碼分別為(wei) AC、AM，則源CAN端口報文標識符ID設置應滿足如下條件，(ID.10～ID.3)或(AC.7～AC.0))或(AM.7～AM.0)=11111111B。應用中可以靈活設置CAN節點的驗收碼和驗收屏蔽碼，達到點對點，一點對多點，以及多主機的工作方式。

　　● 波特率設置的編程

　　CAN總線的傳(chuan) 輸速率與(yu) 兩(liang) 個(ge) 節點之間最大距離有關(guan) ，如表1所示。表中還同時給出了LF2407A的可編程位定時器的數值。這些值還與(yu) LF2407A的主時鍾頻率有關(guan) ，表中的數值是在主時鍾頻率為(wei) 16MHz下得到的，一般地可以按下麵的公式計算位速率。

波特率=ICLK/[(BRP+1)+BitTime]#p#分頁標題#e#

其中ICLK為(wei) DSP的係統頻率，BRP由總線時序寄存器0(BTR0)決(jue) 定。
BitTime=(TSEG1+1)+(TSEG2)+1
其中TSEG1和TSEG2由總線時序寄存器1(BTR1)決(jue) 定。

　　● 幀結構設計

　　按照CAN2.0規範，CAN總線上傳(chuan) 送的報文由3～11個(ge) 字節組成，其中包含3個(ge) 字節的控製字節和0～8個(ge) 數據字節，見表2。

　　其中，方向位決(jue) 定一半的優(you) 先級，而剩餘(yu) 的優(you) 先級由節點地址決(jue) 定，低地址優(you) 先級為(wei) 高。當方向位為(wei) “1”時，地址域是源節點地址(從(cong) 節點到主節點)，優(you) 先級由地址決(jue) 定；當方向位為(wei) “0”時，地址域是目標節點地址(主節點到從(cong) 節點)，優(you) 先級由地址決(jue) 定。類型的三個(ge) 比特可以有多個(ge) 取值，10×為(wei) 單幀(廣播)，111為(wei) 非結束多幀(廣播)，110為(wei) 結束多幀(廣播)，00×為(wei) 單幀(點對點)，011為(wei) 非結束多幀(點對點)，010為(wei) 結束多幀(點對點)。每幀字節數用五個(ge) 比特表示。忙信號位表示主節點正在與(yu) 某一從(cong) 節點通信，如果有另外從(cong) 節點提出與(yu) 主節點通信的要求時，主節點就向此從(cong) 節點發出忙反饋信號，通知此節點稍後再與(yu) 主節點通信，否則，從(cong) 節點會(hui) 連續向主節點提出通信請求，如果一直未收到任何響應，此節點會(hui) 發出報警信息，從(cong) 而會(hui) 造成通信係統的誤操作。控製命令表示該幀所傳(chuan) 送消息的具體(ti) 意義(yi) ，可對各個(ge) 消息(如測量、調整、控製等)編碼，實現模塊間的信息交換以及對外界的安全保密。

　　係統的軟件

　　● 主控節點的確認

　　為(wei) 了使連接在一起的組合機床電控單元模塊能夠協調工作，在所有入網的模塊中動態地確立一個(ge) 主模塊。所有非主模塊的數據基準取自主模塊。為(wei) 了適應模塊熱插拔的要求，並避免主模塊故障導致係統的工作失常，主模塊是動態確立的。每隔一定的時間間隔，各個(ge) 模塊都要廣播一個(ge) “爭(zheng) 主”請求，如果有已經確立的主模塊，則主模塊廣播一個(ge) “反對”應答，禁止其他模塊成為(wei) 主模塊；如果尚未確立主模塊、或者已經確立的主模塊因故障而不能發出“反對”應答，則發出“爭(zheng) 主”請求的模塊就可以成為(wei) 新的主模塊。利用多主競爭(zheng) 的原則，在某一主機失效的情況下，由其他從(cong) 機競爭(zheng) 成為(wei) 主模塊，代替原有主機的地位，這樣的機製可以保證整個(ge) 係統不會(hui) 因為(wei) 一台通信主節點的癱瘓造成整個(ge) 組合機床電控單元間通信係統的癱瘓。

● 監控主機的軟件

　　用一台工控機作為(wei) 監控機，通過適配卡與(yu) CAN連接。在監控機上用VB6.0編寫(xie) 監控的操作軟件，並且把監控機作為(wei) 局域網上的一台操作服務器，用戶通過它可以對各個(ge) 模塊進行操作。

　　結束語

　　本文介紹了TI公司TMS320LF2407A芯片中內(nei) 嵌CAN控製器的特點,並在其基礎上把CAN總線技術應用在組合機床電控數據通信係統的設計與(yu) 實現中，該係統主要采用了高性能的DSP芯片和適配卡，通過靈活的通信協議和接口的設計，使係統滿足CAN總線短突發、高實時性、高數據率的要求。此係統還可以應用到其他工業(ye) 控製領域，具有廣泛的應用前景。