摘要：介紹了CAN總線和DSP TMS320F2812，提出了一種基于串行總線的運動控制系統(tǒng)，并給出了系統(tǒng)的軟硬件設計。 1 引言 CAN（Controller Area Network）總線，屬于現場總線技術范疇，是一種有效支持分布式控制或實時控制的串行通信局域網絡，以半雙工的方式工作，采用基于數據的傳輸方式，消息可以在任何時刻由任何節(jié)點發(fā)送到總線上，并被其它所有節(jié)點接受、判斷后決定是否應用這個消息。由于其具有通信速率高、開放性好、實時性好、糾錯能力強以及控制簡單、傳輸可靠性高、擴展能力強、系統(tǒng)成本低等特點，已廣泛應用于控制系統(tǒng)中的各檢測和執(zhí)行機構之間的數據通信，是當今自動化領域中公認為最具有應用前景的技術之一。 運動控制技術是推動新的技術革命和新的產業(yè)革命的關鍵技術。由于數字信號處理器具有高速運算能力使許多復雜的控制算法和功能得以實現和將實時處理能力和控制的外設功能集于一身等優(yōu)點，所以它在運動控制技術中越來越被廣泛應用。本文設計了一種基于TI公司數字信號處理器TMS－320F2812的運動控制器，用其實現了數控系統(tǒng)的高速和高精度。它把計算機嵌入到運動控制器中，能夠獨立完成伺服電機的實時運動控制。此控制系統(tǒng)是應用于生產現場的分布式實時控制系統(tǒng)中最底層的現場節(jié)點系統(tǒng)。通過PC機、CAN總線、TMS320F2812和CPLD進行數據傳輸與控制，使伺服電機的工作更加穩(wěn)定，能更好更靈活地應用于數控系統(tǒng)中。 2 運動控制系統(tǒng)的構成 在本系統(tǒng)中，CAN總線上掛有兩個節(jié)點：PC機和運動控制器。PC機通過CAN接口適配卡與CAN總線相連，而PC機和運動控制器通過CAN總線進行信息交換。 2.1 總線節(jié)點的CAN接口電路 CAN總線系統(tǒng)的硬件電路主要由TMS320F2812、CAN總線收發(fā)器PCA82C250等芯片組成。TMS320－F2812是集成的混合信號片—卜系統(tǒng)SOC，片內還集成了數據采集和控制系統(tǒng)中常用的模擬部件和其它數字外設及功能部件。功能部件包括16通道的ADC、兩個SCI、SPI、增強型CAN控制器、7個計數器/定時器、通用數字I/O端口、兩個事件管理器模塊（EVA和EVB）、看門狗定時器（WDT）等。該數字信號處理器有128K字的FLASH程序存儲器和18K字的RAM，執(zhí)行速度可達150MIPS。其JTAG仿真電路可提供全速、非侵入式的電路仿真，支持斷點、單步觀察點、運行和停止等調試命令，支持存儲器和寄存器校驗和修改等功能。 TMS320F2812中的CAN有32個郵箱，占用512字節(jié)RAM，并且所有郵箱都具有獨立的接收屏蔽寄存器，都可以配置為發(fā)送或接收郵箱，且都有一個可編程的接收屏蔽寄存器。所有進行數據傳輸和接收濾波的協議功能都是由CAN控制器執(zhí)行的，通過DSP內的特殊功能寄存器可配置CAN控制器訪問接收到的數據以及傳輸數據。因此，TMS320 F2812可完成CAN總線協議的數據鏈路層和應用層的所有功能。 圖1 DSP內嵌CAN模塊與其驅動器的接口電路圖 圖2 程序設計流程 圖3 CAN模塊通信流程圖 PCA82C250作為CAN控制器和物理總線間的接口，可提供對總線的差動發(fā)送能力和對控制器的差動接收能力，它與ISO 11898標準完全兼容，具有高速、抗瞬間干擾和保護總線能力，并可通過管腳8的接地電阻控制脈沖斜率，降低射頻干擾。CAN總線收發(fā)器PCA82C250工作電壓為5V，而TMS320－F2812的I/O口電壓為3．3V，故需由電阻R1l、R12、R13及二極管D1組成簡易的電平轉換電路將TMS-320F2812與PCA82C250連接。斜率電阻輸入端RS（引腳8）允許選擇三種不同的工作方式：待機方式（VRS>0.75VCC），斜率控制方式（0.4VCC2.2 上位機通訊卡 由于CAN總線在工業(yè)控制上的應用越來越廣泛，很多公司都推出了支持CAN總線的接口適配卡，用戶可以通過這些接口適配卡，來運行復雜的通信任務，進行各CAN節(jié)點與上位主機之間的數字通信和監(jiān)視管理。PC機與CAN總線的通訊過程，實質是對PC-CAN內存數據的讀（數據接收）、寫（數據發(fā)送），PC機不參與CAN總線的通訊過程，所有通訊過程由PC-CAN卡上的CAN總線控制器自動完成。 2.3 位置、速度反饋信號處理電路 準確可靠的位置和速度檢測環(huán)節(jié)是多軸運動控制器的主要功能之—。為此，我們采用一片CPLD來實現4倍頻計數電路，由于在CPLD內的門電路和觸發(fā)器的特性完全一致。所以在相同轉速下各電機軸倍頻信號的脈沖周期可以保持一致。為抑制長距離傳輸中可能引入的干擾信號，輸出至驅動器的脈沖和方向信號采用差分輸出方式。基于同樣的理由，編碼器反饋信號經由差動輸入進人CPLD。 該方案與采用其它分立芯片設計的電路相比，可改善整個電路的邏輯和電氣特性，增強電路的抗干擾性能，從而提高整個數控系統(tǒng)的加工精度和工作的可靠性。 3 系統(tǒng)軟件設計 3.1 主PC機 主PC機主要完成人機接口任務和對其它功能模塊的調度與管理。其整個軟件結構建立在Windows98/2000平臺上，用Visual C++等功能強大的編程語言來實現與之響應的功能，可以使系統(tǒng)的結構組織得比較清晰，便于功能的擴展與剪裁，以運行各種現有的軟件。主PC機擴展槽中插有一塊PC-CAN總線適配卡，通過該卡PC機即可與CAN總線相連，從而實現數控的各功能模塊的通信。 通訊模塊向下再細化為初始化模塊、數據接收與發(fā)送模塊、實時報警4個模塊。對CAN通訊適配卡的初始化主要是初始化適配卡的各個寄存器，設置中斷向量、通訊波特率和濾波接收碼以及中斷屏蔽字等必要的參數，為正常通信做準備。由于上位主機所接插的CAN通訊適配卡一般都提供CAN的驅動函數，所以在上位機軟件的編制過程中，實現與CAN總線的通信部分可以直接調用相應的函數讀取緩沖隊列的數據或者通過適配卡對CAN總線發(fā)送信息。在數據接收與發(fā)送模塊中，PC機通過CAN通訊適配卡接收、發(fā)送數據和控制信號。在PC機上可設置PID控制參數，傳送給DSP，DSP再傳送給CPLD。PC機接收并分析從DSP反饋來的當前各軸電機的信息（如位置、速度、加速度以及出錯信息等）。根據事先給定情況，實時分析誤差，實現PID在線參數的自調整。在實時報警模塊中，對系統(tǒng)通訊過程中出現的一些錯誤發(fā)出警告并進入相應處理程序。其程序設計流程圖如圖2所示。 在本系統(tǒng)中，主窗口上實現通訊的接通與關閉，位置與控制參數的在線調整及發(fā)送等。上位主機通過對CAN驅動函數的不斷調用，從而控制DSP發(fā)送控制命令或參數設定命令給伺服電機控制模塊，驅動伺服電機的啟停運轉；同時通過DSP接收來自伺服控制芯片的伺服電機的速度、相位、轉動方向等各種數據及狀態(tài)信息，并進行分析處理，然后按照系統(tǒng)的實際控制需要再給伺服控制芯片發(fā)送相應的命令以驅動伺服電機，構成伺服電機系統(tǒng)的閉環(huán)控制。 3.2 DSP內嵌CAN模塊的通訊程序設計 CAN節(jié)點對應的DSP運動控制系統(tǒng)執(zhí)行全部的實時任務：圖形繪制，插補運算，伺服控制等。利用DSP強大的運算功能，可采用高速的插補算法和位置控制算法，驅動伺服電機，完成高速高精度的運動控制。DSP運動控制器通過內嵌的CAN模塊與CAN總線連接，實現與PC機的數據通訊。在通訊過程中，DSP控制器采用中斷方式接收PC機傳送的控制信息與數據，并實時發(fā)回伺服電機的運行狀態(tài)信息，以實現系統(tǒng)的實時控制與調整。TMS320 F2812內嵌CAN模塊的通信流程圖如圖3所示。 4 結束語 從CAN總線的特點不難看出，它較傳統(tǒng)的串行通信，在硬件上可減少走線、易于系統(tǒng)擴充或改型，在軟件上通訊更加靈活、實時性更好、糾錯能力更強。本文所述系統(tǒng)可以實現小到生產線、車間，大到工廠的信息化制造技術。這一切都表明CAN總線是高可靠性分布式實時控制系統(tǒng)的理想總線，實踐證明亦是如此?；贑AN總線的運動控制系統(tǒng)有廣闊的應用前景。采用DSP TMS320 F281和CPLD作為交流伺服系統(tǒng)控制器的核心，可使系統(tǒng)控制結構大為簡化，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，調試方便，易于實現各種較復雜的運動軌跡控制。 串行總線的數控系統(tǒng)具有很多優(yōu)點：引線少、連接簡單、成本較低，在大型、特大型機床/機械，或檢測點和控制軸（或點）很多的情況下更加明顯。系統(tǒng)與系統(tǒng)之間、單元與單元之間容易隔離，系統(tǒng)可靠性高。故我們可以預測串行總線數控系統(tǒng)將逐漸取代并行總線數控系統(tǒng)，成為數控系統(tǒng)的又一新的發(fā)展方向。