南京大學運動空轉(zhuǎn)研究所 舒志兵、嚴彩忠、黃益群、張海榮 隨著計算機技術的進展，運動控制交流伺服系統(tǒng)在經(jīng)過廣泛運用的前景下正向著網(wǎng)絡化控制方向發(fā)展。本文討論了基于CAN總線和以太網(wǎng)的網(wǎng)絡伺服控制系統(tǒng)的設計原則和實現(xiàn)方法，介紹了一種基于CAN總線和以太網(wǎng)的運動控制系統(tǒng)的硬件和軟件設計。以太網(wǎng)是目前最流行的現(xiàn)場總線接入因特網(wǎng)的方案之一，它在發(fā)揮現(xiàn)場總線優(yōu)點的同時解決了現(xiàn)場總線難以接入因特網(wǎng)的問題。文章以實現(xiàn)CAN現(xiàn)場總線接入因特網(wǎng)為目標，在對CAN協(xié)議及ＴＣＰ/ＩＰ協(xié)議進行深入研究的基礎上，設計了以太網(wǎng)與CAN總線互聯(lián)網(wǎng)關，從而實現(xiàn)以太網(wǎng)與CAN總線的互聯(lián)，為實現(xiàn)企業(yè)信息網(wǎng)絡與控制網(wǎng)絡集成提供了一種可行的方法。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)控制精度高、響應速度快、低速運行平穩(wěn)，同時還具有連接簡單、系統(tǒng)可靠和易于實現(xiàn)等優(yōu)點。 1　引言 制造企業(yè)信息化必須實現(xiàn)信息網(wǎng)絡與控制網(wǎng)絡集成，工業(yè)網(wǎng)絡承載的信息是多層次的，有位信息、字節(jié)信息、幀信息等，信息量大小、反應時間、傳輸速度、實時性要求各不相同，不同的現(xiàn)場總線適用于不同的現(xiàn)場情況，選用什么總線方案要根據(jù)實際情況而定。而以太網(wǎng)可能實現(xiàn)全部功能，但在經(jīng)濟上卻不會很合理。而且以太網(wǎng)難以逾越信號碰撞這個障礙，在系統(tǒng)大、控制點多的情況下問題更為明顯。因此，筆者“現(xiàn)場總線+以太網(wǎng)”的方案。在企業(yè)管理層和生產(chǎn)監(jiān)控層采用以太網(wǎng)，而在下層車間和生產(chǎn)現(xiàn)場采用現(xiàn)場總線CAN總線。 以太網(wǎng)是目前最流行的因特網(wǎng)接入方案之一，它在發(fā)揮現(xiàn)場總線優(yōu)點的同時解決了現(xiàn)場總線難以接入因特網(wǎng)的問題。CAN總線,是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r控制的串行通信局域網(wǎng)絡,由于其高性能、高可靠性、實時性好及其獨特的設計,已廣泛應用于控制系統(tǒng)中的各檢測和執(zhí)行機構之間的數(shù)據(jù)通信,已在工控領域興起應用熱潮。而交流伺服電機具有結(jié)構緊湊、控制容易、運行穩(wěn)定、響應快等優(yōu)異特性,已在數(shù)控機床等重要行業(yè)中,得到了普遍的應用。通過CAN總線進行數(shù)據(jù)傳輸與控制,使伺服電機的性能更加穩(wěn)定,能更好更靈活地地應用于數(shù)控系統(tǒng)中。本文提出了一種基于以太網(wǎng)的CAN總線方案，將設備聯(lián)網(wǎng)和因特網(wǎng)接入兩個問題合二為一，簡化了解決方案，并實現(xiàn)了以太網(wǎng)與CAN總線的互聯(lián)。 2　網(wǎng)絡化系統(tǒng)體系結(jié)構 在網(wǎng)絡化伺服驅(qū)動器研究方面，美國、德國和日本在技術上處于領先行列。國內(nèi)的交流伺服研究起步比較晚，到目前為止，還沒有網(wǎng)絡化交流伺服產(chǎn)品問世。筆者對網(wǎng)絡化全數(shù)字交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)進行了研究，研制了基于以太網(wǎng)和CAN總線的網(wǎng)絡化交流伺服控制系統(tǒng)。 基于Ethernet-CAN的網(wǎng)絡化交流伺服體系結(jié)構見圖1?？刂葡到y(tǒng)由PC機、基于PC的以太網(wǎng)信息管理終端、嵌入式透明網(wǎng)關（多軸控制器）、交流伺服電機和具有CAN總線接口的交流伺服驅(qū)動器組成。其核心部分是嵌入式透明網(wǎng)關（多軸控制器）和帶有CAN總線接口的全數(shù)字交流伺服驅(qū)動器。 系統(tǒng)總體結(jié)構圖如圖1所示： 圖1基于CAN總線和以太網(wǎng)的交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)體系結(jié)構 CAN（Controller Area Network）總線是一個設備互連總線型控制網(wǎng)絡，在CAN總線上可以掛接多達110個設備節(jié)點，各設備間可以自主相互通信，實現(xiàn)復雜網(wǎng)絡控制系統(tǒng)。但設備信息層無法直接到達信息管理層，要想設備信息進入信息管理層需通過數(shù)據(jù)網(wǎng)關。多軸控制器的嵌入式透明網(wǎng)關就是為此而設計的。 透明式網(wǎng)關由通信處理器、CAN總線控制器和以太網(wǎng)控制器三部分組成。通信處理器為核心處理器，它實現(xiàn)了CAN控制網(wǎng)絡與以太網(wǎng)之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換。以太網(wǎng)信息管理層的控制指令發(fā)送到嵌入式透明網(wǎng)關，將TCP/IP協(xié)議包數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為CAN協(xié)議形式發(fā)送至CAN控制網(wǎng)絡中的指定設備節(jié)點，完成信息管理層對現(xiàn)場設備層的控制。同樣地，當CAN網(wǎng)絡上的設備數(shù)據(jù)（如定時采樣數(shù)據(jù)或報警信息）要傳輸?shù)叫畔⒐芾韺訒r，可將數(shù)據(jù)發(fā)送到嵌入式透明網(wǎng)關，再通過網(wǎng)關協(xié)議轉(zhuǎn)換程序?qū)AN協(xié)議數(shù)據(jù)封裝成 TCP/IP協(xié)議的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀發(fā)送至以太網(wǎng)上的監(jiān)控計算機。 以太網(wǎng)信息管理終端是一個根據(jù)用戶的具體要求而設計的用戶層應用軟件。它可以是一個WIN32監(jiān)控程序或網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫（記錄CAN節(jié)點設備數(shù)據(jù)）軟件等；甚至可能是CAN節(jié)點設備的服務器軟件，為設備提供較復雜的數(shù)據(jù)處理工作。 3　系統(tǒng)的硬件設計 在該控制模式下，系統(tǒng)的硬件構件由上位機PC電腦，普通網(wǎng)絡通訊卡（10/100M），多軸控制器，帶有CAN總線接口的交流伺服驅(qū)動器和交流伺服電機構成。圖2為系統(tǒng)構成硬件示意圖。 圖2 基于以太網(wǎng)和CAN總線的多軸分布式控制系統(tǒng) 該運動控制系統(tǒng)通過集中控制器（多軸控制器）分別實現(xiàn)以太網(wǎng)和CAN總線控制。多軸控制器與上位機PC電腦的通訊是通過TCP/IP協(xié)議構成以太網(wǎng)。多軸控制器可以作為一臺小型的PC電腦，具有自主式控制系統(tǒng)，同時它可以作為網(wǎng)關，通過TCP/IP與網(wǎng)絡上的電腦相互訪問，實現(xiàn)遠程網(wǎng)絡控制，不僅如此，多軸控制器還具有運動控制板卡的功能，它集成了CAN總線接口、RS232接口，可以實現(xiàn)多種控制方式。 3.1　總線網(wǎng)絡設備接口設計 CAN總線網(wǎng)絡設備接口設計較網(wǎng)關設計簡單。它是在完成設備功能的基礎上加入一個CAN通信控制器接口芯片，實現(xiàn)與CAN總線網(wǎng)絡的連接。 3.2　嵌入式透明網(wǎng)關設計 嵌入式透明網(wǎng)關由CAN控制器協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊和以太網(wǎng)控制器協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊兩部分組成。在外接100MHz時鐘時，指令執(zhí)行速度可達100MIPS。它可實現(xiàn)TCP/IP協(xié)議棧中的ARP、IP、UDP、TCP、HTTP、SMTP、ICMP等網(wǎng)絡協(xié)議。 CAN控制器協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊由三部分組成：微控制器SX52、獨立CAN通信控制器DS301、CAN總線收發(fā)器82C250。其中SX52為唯一的CPU核心，負責DS301的初始化，通過讀寫DS301內(nèi)部寄存器實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收、發(fā)送和錯誤處理等。PCA82C250則提供對總線的差動發(fā)送能力和對CAN控制器的差動接收能力。 以太網(wǎng)控制器協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊主要由微控制器SX52、以太網(wǎng)通信控制器RTL8019AS和隔離濾波器FB2002組成。RTL8019AS是一種高集成度的全雙工10Mbps以太網(wǎng)控制芯片，實現(xiàn)了基于Ethernet協(xié)議的MAC層的全部功能，內(nèi)置16KB的SRAM、雙DMA通道和FIFO完成數(shù)據(jù)包的接收和發(fā)送功能。AT24C64為8KB EEPROM，主要用來保存嵌入式透明SX52網(wǎng)關的配置信息，如網(wǎng)關IP地址、DS402的ID網(wǎng)絡標示符、網(wǎng)絡子網(wǎng)掩碼AMR和總線定時等。這樣，可以靈活方便地修改網(wǎng)關參數(shù)，適應不同環(huán)境，同時也考慮到以后的擴展。采用隔離濾波器FB2002是為了提高網(wǎng)絡通信的抗干擾能力。 4　系統(tǒng)軟件設計 整個互聯(lián)系統(tǒng)的軟件設計可以分為4部分：CAN總線設備接口通信程序、透明網(wǎng)關協(xié)議轉(zhuǎn)換程序和以太網(wǎng)層應用程序設計、系統(tǒng)控制界面的設計、下位機控制設計。其中，CAN總線設備接口通信程序和透明網(wǎng)關協(xié)議轉(zhuǎn)換程序的CAN控制器協(xié)議模塊在結(jié)構上有較大的相似性，但有可能因采用微控制器不同而導致實現(xiàn)的程序語言相異。因而，在此不作論述，而主要討論后兩個方面的程序設計。 4.1　透明網(wǎng)關協(xié)議轉(zhuǎn)換程序 透明網(wǎng)關協(xié)議轉(zhuǎn)換程序的整體設計思路為：以太網(wǎng)應用層有數(shù)據(jù)要發(fā)送到CAN節(jié)點時，首先，數(shù)據(jù)發(fā)送到透明網(wǎng)關由以太網(wǎng)控制器協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊從傳輸層數(shù)據(jù)報文中解析出完整的 CAN據(jù)包，存放在數(shù)據(jù)緩沖區(qū)B通知總調(diào)度模塊，由它調(diào)用CAN控制器協(xié)議模塊將 CAN 協(xié)議數(shù)據(jù)包發(fā)送到CAN總線上。反過來，當CAN 設備有數(shù)據(jù)要發(fā)送到用戶層時，首先，數(shù)據(jù)發(fā)送到透明網(wǎng)關由 CAN 控制器協(xié)議模塊將完整的CAN協(xié)議數(shù)據(jù)包存放在數(shù)據(jù)緩沖區(qū)B通知總調(diào)度模塊，由它調(diào)用以太網(wǎng)控制器協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊將完整的 CAN 協(xié)議數(shù)據(jù)包作為應用層數(shù)據(jù)封裝起來，再發(fā)送到以太網(wǎng)的應用層。 4.1.1　CAN控制器協(xié)議模塊 CAN控制器協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊程序主要由DS402的通訊部分程序Driver::DriverConnect（）、Driver::GetCanService（）;寄存器讀程序Driver::CANRead（）;寫程序Driver::CANWrite（）;初始化程序Driver::CANInit（）;發(fā)送程序Driver::SendCommand（）;接收程序Driver::GetInf（）組成。 選用CAN2.0B協(xié)議構建CAN總線控制網(wǎng)絡 ，對DS402的初始化主要完成控制寄存器CR、驗收代碼寄存器ACR、驗收屏蔽寄存器AMR、總線定時寄存器BTRO和輸出控制寄存器OCR的設置。初始化完成后，由總調(diào)度模塊監(jiān)控DS402控制器。 當CAN總線上有數(shù)據(jù)到達時，它調(diào)用接收子程序Driver::GetInf（）時，把這一幀數(shù)據(jù)包存入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)B中，然后釋放接收緩沖器。同樣，當有按CAN2.0B協(xié)議格式組合成的一幀數(shù)據(jù)報文在數(shù)據(jù)緩沖區(qū)A中要發(fā)送到CAN總線上去時，總調(diào)度模塊將調(diào)CAN發(fā)送子程序Driver::SendCommand（）發(fā)送。 4.1.2以太網(wǎng)控制器協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊 在圖3的透明網(wǎng)關協(xié)議轉(zhuǎn)換程序結(jié)構圖中，以太網(wǎng)控制器協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊主要負責從UDP數(shù)據(jù)包中解析出完整CAN協(xié)議報文，存入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)A。同時，可能將數(shù)據(jù)緩沖區(qū)B中的完整CAN協(xié)議報文封裝成UDP數(shù)據(jù)報，然后將其發(fā)送到以太網(wǎng)上。 在通信傳輸層采用UDP協(xié)議是考慮到CAN協(xié)議數(shù)據(jù)報為短幀形式（每個數(shù)據(jù)幀最多為8字節(jié)）。如果采用TCP傳輸協(xié)議，要傳輸8字節(jié)CAN協(xié)議數(shù)據(jù)，要先通過3次握手建立連接，再傳輸數(shù)據(jù)，之后還要通過握手釋放連接。這樣傳輸效率對有限的網(wǎng)絡資源來說無疑是一種浪費。當然UDP傳輸協(xié)議是不可靠的，對于控制網(wǎng)絡來說是不允許的。為了提高通信的可靠性，采用了回傳校驗機制。 圖3 透明網(wǎng)關協(xié)議轉(zhuǎn)換程序結(jié)構圖 4.2　CAN總線現(xiàn)場節(jié)點軟件設計 CAN現(xiàn)場智能節(jié)點作為CAN總線控制網(wǎng)絡監(jiān)控節(jié)點，主要完成以下幾項任務：①向交流伺服驅(qū)動器（Bassoon）傳送上位控制命令；②接受上位機通過以太網(wǎng)發(fā)送來的控制信息；③接受現(xiàn)場設備輸入并進行相應的處理。檢測輸入與控制輸出在交流伺服驅(qū)動器中完成，接收和發(fā)送數(shù)據(jù)等通信功能在中斷服務程序中完成。 CAN信息發(fā)送程序：該程序是由CAN控制器自動完成的，用戶只需將發(fā)送的數(shù)據(jù)送到CAN發(fā)送緩存器即可。節(jié)點以一定的時間間隔向CAN網(wǎng)絡主動發(fā)送信息。 CAN接收信息處理程序：該程序同樣是由CAN控制器自動完成的，接收程序只需從接收緩存器中讀取接收的數(shù)據(jù)，再進行相應的處理即可。接收程序采用中斷方式，這是便于用戶隨時控制節(jié)點的狀態(tài)。 （1）上位機的軟件開發(fā) CAN驅(qū)動器為PC機的系統(tǒng)總線和CAN總線（高速串行）提供一個互連通道，在CAN驅(qū)動器上，面向PC系統(tǒng)開辟了一個2Kb的高速雙口RAM，直接映射到主機內(nèi)存空間，可以實現(xiàn)CAN與主機PC的高速數(shù)據(jù)交換。 上位機的通信程序應具有的功能有： ① 程序開始 上位機首先采用廣播的方法，向下位機發(fā)送起動指令，隨后發(fā)送第一個指令數(shù)據(jù)，用一幀發(fā)送； ② 第一個指令發(fā)送之后，上位機可以處理其他數(shù)據(jù)； ③ 當下位機收到上位機的數(shù)據(jù)包后，它也立即向上位機發(fā)送一組數(shù)據(jù)。 圖4為CAN總線信號控制流程圖，數(shù)據(jù)的內(nèi)容包含電機運行的實際情況，數(shù)據(jù)到達上位機之后，采用中斷的形式，使上位機轉(zhuǎn)入中斷服務子程序，接收下位機傳來的數(shù)據(jù)。上位機根據(jù)下位機傳來的數(shù)據(jù)信號，實時判斷各電機的位置，從而根據(jù)預先設定的速度協(xié)調(diào)各電機的運動，依次向下位機發(fā)送運動指令； ④ 上位機如果想停止下位機的工作，可以通過鍵盤中止和結(jié)束指令兩種方式。向下位機發(fā)送停止指令。 圖 6-19 CAN總線信號控制流程圖 （2）下位機軟件的開發(fā) 整個系統(tǒng)的時序由下位機確定，當下位機接到起動命令后開始對動力機構進行控制。通常定時器的定時周期為2 ms，在2 ms內(nèi)完成任務有：數(shù)據(jù)接收、A/D轉(zhuǎn)換、控制策略運算、D/A轉(zhuǎn)換和向上位機發(fā)送數(shù)據(jù)。 總結(jié)上面的思想，編制控制器的程序主要考慮的方而有： ①上位機的指令到達下位機之后.采用中斷的形式.使下位機轉(zhuǎn)入通信中斷服務子程序.首先處理上位機的指令.然后執(zhí)行A/D ，控制算法、D/A等相應的模塊.最后向上位機提供必要的參數(shù)。 ②數(shù)據(jù)傳輸所使用的中斷優(yōu)先級高于定時中斷的優(yōu)先級.以保證上位機的指令可以及時地送達下位機。 ③實質(zhì)是以下位的時序為主的.實現(xiàn)上位機周期地尋找下位機的地址.發(fā)送速度和位置指令.并隨后接收所需參數(shù)。 ④實現(xiàn)同步控制。 圖5為CAN軟件程序的下位機程序流程圖： 5　結(jié)論 本文提出的以太網(wǎng)和CAN總線相結(jié)合的網(wǎng)絡化交流伺服控制系統(tǒng)為交流伺服的網(wǎng)絡化研究和應用作出了一次有益的新探索。CAN總線可以很好地滿足現(xiàn)場總線運動控制系統(tǒng)對實時響應的較高要求，同時使用CAN總線還使得系統(tǒng)具有很好的擴展性能。當需要更多軸運動控制時，只需要簡單地再增加新運動控制單元，把新的運動控制單元作為新的CAN總線節(jié)點掛接到CAN總線上就可以形成一個分布式多軸運動控制系統(tǒng)，而且無需在硬件上對原有的運動控制單元做任何的修改，在擴展距離上同樣也不會受到限制，這樣為將來向多軸或多點的分布式運動控制網(wǎng)絡發(fā)展打下堅實的基礎。實驗結(jié)果表明，在軸數(shù)不多、速度不是特別快的條件下，能夠保證一定的加工質(zhì)量。本研究實現(xiàn)了3-4軸聯(lián)動，對于多軸聯(lián)動同樣適合。只是隨著軸數(shù)增加，網(wǎng)絡性能呈現(xiàn)下降趨勢。文獻給出了網(wǎng)絡性能指標變換趨勢圖，從中可以看出網(wǎng)絡負載加重，通信速度明顯變慢，對系統(tǒng)的精度和速度都有影響?；谝蕴W(wǎng)和CAN總線的分布式運動控制系統(tǒng)無論在系統(tǒng)穩(wěn)定性、成木還是可操作性上都滿足當初設計的要求，取得了較好的效果。