CAN總線的嵌入式數控系統設計與實現

車麗麗

(煙臺汽車工程職業學院 汽車工程系, 山東 煙臺 265500)

0 引言

近年來，基于CAN總線的嵌入式數控技術成為了我國發展的一大趨勢，嵌入式技術的迅速發展更是給我國，乃至整個制造行業領域帶來了巨大的改革，很大程度上提高了行業生產的能力水平。本文由ARM9嵌入式數控系統作為基礎，引發一系列設計，ARM9嵌入式數控系統中最主要的硬件是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具有多項任務同時處理的能力，是整個系統的核心設計，對于建立基于CAN總線的嵌入式數控系統具有重大意義。

1 嵌入式數控系統硬件設計

1.1 ARM9嵌入式數控系統結構框圖

ARM9嵌入式數控系統是基于CAN總線的設計，由各個小部分形成的系統結構框圖，其主要結構分別是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造成的影響，從而提高系統的抗干擾能力；S3C2410的作用是將自身的SP1接口與CAN總線的控制器相連，再通過收發器與CAN總線建立聯系；CAN總線的控制器主要作用是將各個部分的處理器聯系在一起，從而達成系統建立成功的目的。該系統主要通過MCP2515建立通信協議的橋梁。系統的流程是，S3C2410將系統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，產生的信號由放大器后，可達到驅動伺服電機的目的。ARM9嵌入式數控系統硬件設計[1],如圖1所示。

圖1 ARM9嵌入式數控系統硬件設計圖

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位轉移寄存器，其中還含有獨立的16KB指令Cache和16KB數據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據，將處理器運行能力發揮到極致。而SPI系統中還含有四個I/O引腳，主機中的數據線MISO等，將S3C2410與MCP2515進行連接是嵌入式數控系統硬件設計的一大亮點，其主要是使系統更加完善。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收發器MCP2551與MCP2515的連接

系統中MCP2551的作用是為了將CAN控制器與CAN總線連接在一起，使CAN總線接收到的數據更加全面。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收發器MCP2551與MCP2515進行連接，完成連接后可以更好地實現CAN總線中的各個節點之間的電氣隔離，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，方可發揮高速光耦的全部作用。CAN收發器MCP2551與MCP2515的連接程序圖,如圖3所示。

圖3 CAN收發器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、電壓不需要轉換等特點，與S3C2410進行連接后可以迅速達到驅動馬達的目的，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嵌入式數控系統結構中，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，正確方法是使用雙絞線或者加上磁環，可以有效的避免該現象的發生，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位數據線傳輸系統，S3C2410與MCX314AL的信號連接有效降低了系統信號傳輸過程中出現的不良因素影響。

1.5 MCX314AL運動控制板的硬件設計

該系統為了MCX314AL運動控制板能夠正常運行，特別構建了MCX314AL的最小系統，MCX314AL芯片中總共含有144個引腳，為了建立最小系統，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，再將各種數據線連接完成，即可完成MCX314AL運動控制板的硬件設計[3]。

為了系統可以更加穩定的運行，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，為了使系統在工業控制中可以更加穩定可靠、滿足業界的需求，將模擬電路中的各個硬件進一步優化。

2 嵌入式數控系統軟件設計

嵌入式數控系統功能的達成，是由各個子程序進行數據處理、任務協調以及運動控制實現的，而該系統的軟件設計部分設計了5個模塊，分別是數據處理模塊、人機界面模塊、任務協調模塊、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。嵌入式數控系統軟件結構,如圖4所示。

圖4 嵌入式數控系統軟件結構圖

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，將指令傳輸到數據處理模塊中，傳輸的指令可以包括系統的運行狀態、參數信息、G代碼、各種文件以及報警信息等，該模塊采用的顯示系統更加方便操作者對系統進行操作。

2.2 數據處理模塊

數據處理模塊成功接收由人機界面模塊傳輸的數據之后，將狀態信息以及翻譯過后形成的NC代碼發送給任務協調模塊進行任務分配，該模塊主要負責將接收的代碼翻譯成系統可以識別的新代碼，對系統進行刀具補償。

2.3 任務協調模塊

任務協調模塊是整個嵌入式數控系統軟件設計中的核心部分，主要對數據處理模塊傳輸的信息進行分配，達到控制整個系統正常運作的目的。

2.4 運動控制模塊

運動控制模塊主要受任務協調模塊的支配，對信息處理的速度、插補預處理、插補運算以及運輸的位置進行嚴格把控。

2.5 PLC模塊

PLC模塊主要接收任務協調模塊分配的S、M、T指令，通過指令對機床的功能進行診斷，最后形成數據對系統進行反饋。

3 基于CAN總線方式的數控系統與伺服系統通訊建立

基于CAN總線方式的數控系統與伺服系統之間有一接口，主要負責通訊信息的建立，向系統傳輸各種狀態數據，CNC可以向伺服系統中發送伺服參數的修改值、控制信號等信息[4-5]。

3.1 CNC發往伺服的數據

3.1.1 CNC發送數據結構定義

CNC存在的目的是為了向伺服系統發送位置與速度的比值增量、參數以及控制指令等信息，其中發送的數據結構為數據類型type(1 byte)、數據內容value(1 word/2byte)。而數據內容對于伺服系統傳輸的控制信號以16位字來定義數據結構，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 數據發送方式

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

3.2 伺服發送CNC的數據

3.2.1 伺服發送數據結構定義

伺服系統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信息、伺服參數，發送的數據結構是數據類型type(1 byte)、數據內容value(1 word/2byte)。狀態信號16位字的定義，如表2所示。

表2 狀態信號16位字的定義

3.2.2 數據發送方式

數據發送方式將以伺服向系統發送狀態信號，當伺服發出報警信號，系統會采用廣播發送狀態信號，它有著自己突出的頻帶寬度以及精度的性能，可以更好的傳送數據[6]。

4 CAN總線的嵌入式數控系統調試與實現

為了CAN總線的嵌入式數控系統可以更好的運行，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系。為了對系統進行調試，特別對系統安裝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。將驅動程序后的文件進行分類，可執行的文件下載至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軸脈沖狀態圖，如圖6所示。

5 CAN總線的嵌入式數控系統優化設計

5.1 數控系統與數字交流伺服的CAN總線通訊

為了數控系統與數字交流伺服可以與CAN總線建立進行良好的通訊聯系，特別進行了優化環節，在過程中使用電磁藕合夾，并在機床車間這樣的強干擾環境下進行操作，目的是為了對系統進行干擾，充當人工干擾源的工具，使優化結果更加準確。在優化過程中由CNC向3個伺服中發送8字節數據，當伺服接收到信息之后立即返回原數據系統，經CNC驗證顯示正確后，方可繼續發送數據，經過多次試驗后得出的數據建立成表格形式。通訊數據結果，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)驅動脈沖輸出實例

表3 通訊數據結果

經數據表明，該系統傳輸距離較以往的更遠，在如此惡劣的環境下依然可以運行[7-8]。

5.2 CAN總線的嵌入式數控系統機械加工

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

6 結束語

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