基于iCAN協(xié)議的CPV閥島控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

高欽和，董庭瓊，于傳強(qiáng)

(第二炮兵工程大學(xué)，陜西西安710025)

CAN－bus(Controller Area Network)即控制器局域網(wǎng)，是一種多主方式的串行通訊總線，作為一種技術(shù)先進(jìn)、可靠性高、功能完善、成本合理的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)通訊控制方式，已被廣泛應(yīng)用到各個(gè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)中。同時(shí)，在傳統(tǒng)的氣動(dòng)系統(tǒng)中大量的電控?fù)Q向閥和伺服比例閥是通過大量的管道連線以及接插頭來實(shí)現(xiàn)相互間的連接，如果系統(tǒng)中有一個(gè)元件發(fā)生故障，往往會(huì)引起整個(gè)設(shè)備的運(yùn)行不正常甚至引發(fā)設(shè)備事故，所以，為解決這一問題，F(xiàn)ESTO 公司自20世紀(jì)80年代后期即致力于研究新一代的電氣一體化控制元器件，以大幅度簡(jiǎn)化設(shè)備中各種接口，最先推出了閥島技術(shù)并率先引入現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，閥島技術(shù)和現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)相結(jié)合，大大簡(jiǎn)化了選型設(shè)計(jì)和安裝調(diào)試過程進(jìn)而提升了設(shè)備的功能和質(zhì)量。

但是目前真正占領(lǐng)市場(chǎng)的兩個(gè)應(yīng)用層協(xié)議是:DeviceNet 協(xié)議和CANOpen 協(xié)議，這兩個(gè)協(xié)議規(guī)范比較復(fù)雜，理解和開發(fā)難度比較大，對(duì)于機(jī)電教學(xué)不太合適，為了解決這個(gè)問題，提出以周立功公司開發(fā)的CAN 高層協(xié)議—iCAN 協(xié)議來控制FESTO 公司的CPV閥島，構(gòu)建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，便于機(jī)電教學(xué)。

1 系統(tǒng)硬件部分設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件部分主要包含周立功公司開發(fā)的PCI9820 通訊接口卡、數(shù)字量模塊iCAN4050、Sys-Link 接線板和FESTO 公司開發(fā)的CPV 閥島，系統(tǒng)的原理是PC 上的主站程序通過調(diào)用iCAN 主站函數(shù)庫(kù)中的相應(yīng)函數(shù)從而控制PCI9820，PCI9820 發(fā)送數(shù)據(jù)到CAN 總線上，iCAN 模塊接收到數(shù)據(jù)后控制相應(yīng)的I/O 口發(fā)出或接收信號(hào)，而后通過SysLink 接口控制CPV 閥島或讀取傳感器信號(hào)，使執(zhí)行機(jī)構(gòu)按照指令動(dòng)作，其硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

iCAN4050 功能模塊為數(shù)字量輸入輸出模塊，用來檢測(cè)外界狀態(tài)，采集數(shù)字量輸入信號(hào)，并可以輸出數(shù)字量信號(hào)，控制開關(guān)。iCAN4050 功能模塊的數(shù)字量輸入和輸出通道并沒有采用隔離設(shè)計(jì)，具有8 路開關(guān)量輸入通道和8 路開關(guān)量輸出通道。

PCI－9820 接口卡是一款性能優(yōu)秀的2 通道CAN通訊接口卡，采用32 位PCI 數(shù)據(jù)線，兼容PCI2.2 規(guī)范，即插即用;接口卡的每一路CAN 通道均集成獨(dú)立的隔離保護(hù)電路。PCI9820 符合CAN2.0A/B 規(guī)范，支持5 Kb/s ～1 Mb/s 之間任意波特率。

閥島技術(shù)是由德國(guó)FESTO 公司最先發(fā)明和應(yīng)用的，是將多個(gè)閥及相應(yīng)的氣控信號(hào)接口、電控信號(hào)接口甚至電子邏輯器件等集成在一起的一種集合體，通常是一個(gè)電子氣動(dòng)單元。CP 閥島又稱緊湊型閥島，分為CPV 型和CPA 型兩種，CPV 型閥島有獨(dú)立的接口插座，可根據(jù)需要選擇多針插頭式接口、ASI 型接口、現(xiàn)場(chǎng)總線型接口等接口方式，文中所述系統(tǒng)使用的是多針插頭式接口。

SysLink 專用接口，它將8 個(gè)輸出端和8 個(gè)輸出端接至接頭，同時(shí)配有LED 顯示。SysLink 接口是iCAN 模塊與閥島連接的橋梁，便于操作，提高了接線效率，可以避免以后的重復(fù)布線工作。

傳感器采用的是漫射式光電接近開關(guān)和磁感應(yīng)式接近開關(guān)兩種，用來檢測(cè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和工件是否到位。執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要包含1 個(gè)扁平氣缸，1 個(gè)氣動(dòng)抓手和1個(gè)導(dǎo)向氣缸。

2 系統(tǒng)軟件部分設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件部分的設(shè)計(jì)主要是編寫主站節(jié)點(diǎn)程序。利用VB 編程軟件調(diào)用PCI9820 提供的iCAN 主站函數(shù)庫(kù)，編寫了簡(jiǎn)單的主站程序，程序通過單次發(fā)送數(shù)據(jù)來控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行單動(dòng)，有利于學(xué)生更好地理解CAN 總線的控制原理。

2.1 DLL 動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)

iCAN 協(xié)議是廣州周立功公司提供了PCI9820 的iCAN 主站函數(shù)庫(kù)icandll.dll，iCAN 主站函數(shù)庫(kù)隱藏了iCAN 協(xié)議和對(duì)CAN 接口卡操作的細(xì)節(jié)，是標(biāo)準(zhǔn)的C 語(yǔ)言動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，支持VC、VB 等開發(fā)工具，具有良好的開發(fā)性，其原理如圖2所示。

圖2 iCAN 主站庫(kù)原理

2.2 編程

在VB 中使用主站函數(shù)庫(kù)需要把主站函數(shù)庫(kù)中定義的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和函數(shù)聲明全部轉(zhuǎn)換為VB 可識(shí)別的形式，而后將VCI 函數(shù)庫(kù)拷貝到程序的根目錄下，再進(jìn)行編程，不然程序?qū)?huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤。系統(tǒng)的程序流程如圖3所示。

圖3 程序流程圖

2.3 程序操作介紹

編寫的主站程序界面如圖4所示，在啟動(dòng)程序后，首先要選擇主站設(shè)備的類型、設(shè)備的索引號(hào)、CAN 通道、CAN 波特率、主站ID 以及定時(shí)循環(huán)周期，而后啟動(dòng)系統(tǒng)，在從站設(shè)置中選擇要連接的從站ID，點(diǎn)擊“建立連接”，最后選擇已連接從站ID 和數(shù)據(jù)類型，輸入要發(fā)送的數(shù)據(jù)，點(diǎn)擊發(fā)送數(shù)據(jù)即可。在退出程序時(shí)，要點(diǎn)擊斷開連接和停止系統(tǒng)。

圖4 程序的界面

3 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)主要是設(shè)計(jì)氣動(dòng)抓手將一個(gè)工件從預(yù)定的托盤上抓取，從而驗(yàn)證所搭建的系統(tǒng)能否正常可靠地工作。按照表1所示連接SysLink 和iCAN4050 的I/O 口，而后給系統(tǒng)上電，啟動(dòng)PC 上的主站程序，選擇主站設(shè)備類型為PCI9820，設(shè)備索引號(hào)為0，CAN 通道為0，CAN 波特率為500 K，主站ID 為0，定時(shí)循環(huán)周期為100 ms。設(shè)置好參數(shù)后，點(diǎn)擊啟動(dòng)按鈕，然后選擇未連接的從站ID 為0，點(diǎn)擊建立連接，此時(shí)PC 主站便于從站iCAN4050 模塊都上線了，可以發(fā)送數(shù)據(jù)進(jìn)行通訊。按照表2 規(guī)定的數(shù)據(jù)指令發(fā)送，便可以控制相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作。

表1 接線表

表2 執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作對(duì)應(yīng)表

作者在數(shù)據(jù)框中輸入了0xFB，點(diǎn)擊發(fā)送，返回的DI 數(shù)據(jù)為0xFB，與表2 中的數(shù)據(jù)相吻合，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)能夠正常穩(wěn)定的工作，如圖5所示。

圖5 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

4 總結(jié)

iCAN 總線協(xié)議由于其技術(shù)的先進(jìn)性、可靠性和低成本，必將在國(guó)內(nèi)得到越來越廣泛的應(yīng)用。特別是iCAN 協(xié)議是我國(guó)具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)它的推廣工作是很有意義的。作者將iCAN協(xié)議與閥島技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)建了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但對(duì)于未來CAN 總線的教學(xué)方面有著非常大的啟發(fā)和指導(dǎo)作用。

【1】iCAN 協(xié)議規(guī)范［M］.廣州致遠(yuǎn)電子有限公司，2007.

【2】李輝，李征.基于iCAN 協(xié)議的分布式機(jī)械臂通訊系統(tǒng)研究［J］.硅谷，2011(13):11－12.

【3】龔正大，梁全順，曾維明.基于iCAN 協(xié)議分布式超級(jí)電容監(jiān)測(cè)系統(tǒng)［J］.工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2009，22(2):40－41.

【4】周立功.iCAN 現(xiàn)場(chǎng)總線原理及應(yīng)用［M］.廣州致遠(yuǎn)電子有限公司，2007.