摘 要：CAN作為一種可靠性高、價格低廉、技術(shù)成熟、實(shí)現(xiàn)簡單的現(xiàn)場總線技術(shù)在眾多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。在數(shù)控系統(tǒng)領(lǐng)域中，經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)輸入輸出接口緊缺和輸入輸出信號在遠(yuǎn)程傳輸過程中易受干擾問題越來越明顯， 在對以上問題研究的基礎(chǔ)上，提出了一種基于CAN總線設(shè)計(jì)數(shù)控系統(tǒng)遠(yuǎn)程輸入輸出模塊的方案。

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關(guān)鍵詞：CAN總線;遠(yuǎn)程輸入輸出;數(shù)控系統(tǒng);模塊化設(shè)計(jì)

中圖分類號：TP27 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1004-373X(2008)09-114-02

Design and Realization of Long-distance I/O Station Based on CAN-bus for CNC System

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LI Meiling，XIAO Baojin

(School of Information Engineering，Taiyuan University of Technology，Taiyuan，030024，China)

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Abstract：CAN is a kind of excellent field bus with high reliability，low cost，has been applied in many fields.In the field of the CNC system，the shortage problem of input-output nodes in economical CNC system is very distinctive and the error ratio of input-output signal in teletransmission is very high.In order to solve the problem above，it will be introduced that CAN bus technology is used in CNC system with an example of designing a long-distance I/O station.

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Keywords：CAN-bus;long-distance I/O station;CNC system;modular design

1 引 言

CAN即控制器局域網(wǎng)，他的通信具有突出的可靠性、實(shí)時性和靈活性。他的應(yīng)用不再局限于汽車行業(yè)，其中CAN在機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)方面實(shí)現(xiàn)的功能主要包括：程序管理；機(jī)床系統(tǒng)參數(shù)輸入輸出診斷、參數(shù)的通訊；機(jī)床狀態(tài)采集；機(jī)床工作模式采集；數(shù)據(jù)庫管理等。

目前，國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)的主要份額是經(jīng)濟(jì)型機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)。經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)與機(jī)床基本輸入輸出接口的數(shù)量都是有限的，經(jīng)常不能滿足實(shí)際操作中的需求，同時在實(shí)際車間中，機(jī)床與數(shù)控系統(tǒng)可能距離較遠(yuǎn)，輸入輸出信號在遠(yuǎn)程傳輸過程中非常容易受到干擾而出錯，而CAN總線在傳輸較遠(yuǎn)距離的信號時傳輸時間短，受干擾概率低，還具有較高的傳輸速度，基于這些原因本文提出了基于CAN總線的數(shù)控系統(tǒng)遠(yuǎn)程輸入輸出模塊的設(shè)計(jì)思想。

2 模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該模塊的組成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如下:CANIN，CANOUT是CAN總線的輸入輸出接口。DI，DO是模塊與機(jī)床的接口，DI：機(jī)床信息輸入接口；DO：來自數(shù)控系統(tǒng)的信息輸出給機(jī)床的接口。且DI，DO接口接收的信息都是開關(guān)量信息。

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圖1 模塊組成結(jié)構(gòu)

3 模塊硬件設(shè)計(jì)

本輸入輸出模塊中的微處理器選用宏晶公司的單片機(jī)STC89C516RD+。在CAN總線通信接口中，CAN通信控制器選用 SJA1000，CAN總線驅(qū)動器采用 PCA82C250。由圖 2 CAN遠(yuǎn)程輸入輸出模塊硬件原理圖可以看出，電路主要由6部分組成：微控制器STC89C516RD+、獨(dú)立 CAN 控制器、電氣隔離器件6N137、CAN 總線驅(qū)動器PCA82C250、輸出模塊和輸入模塊。微處理器STC89C516RD+ 負(fù)責(zé)向輸出模塊傳出要輸出的數(shù)據(jù)，對輸入模塊的輸入點(diǎn)進(jìn)行掃描輸入，以及初始化SJA1000，并通過控制 SJA1000實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送等通信任務(wù)。

SJA1000的AD0~AD7連接到STC89C516RD+的P0口，片選信號CS*由P2.7控制，其為0時CPU片外存儲器地址可選中SJA1000，進(jìn)而可對SJA1000執(zhí)行相應(yīng)的讀/寫操作。SJA1000的RD*WR*ALE分別與STC89C516RD+的對應(yīng)引腳相連，INT*接STC89C516RD+的INT0*，使單片機(jī)可通過中斷方式對SJA1000進(jìn)行實(shí)時訪問。P1口3個端口外接一撥碼開關(guān)，用來確定自身模塊的標(biāo)識號即該模塊的ID號，撥碼開關(guān)的取值為000~111，所以該ID號的取值為0～7。[HT2.][HT10.SS]

圖2 模塊原理圖

為了增強(qiáng)CAN總線節(jié)點(diǎn)的抗干擾能力，SJA1000的TX0和RX0并不是直接與PCA82C250的TXD和RXD相連，而是在中間加入了一級高速光耦6N137，這樣就很好地實(shí)現(xiàn)了總線上各CAN節(jié)點(diǎn)間的電氣隔離，但前提是光耦部分電路所采用的兩個電源VCC和VDD必須完全隔離，否則就只是利用其響應(yīng)速度做低通濾波器用。電源的完全隔離可采用小功率的DC-DC，或帶多5 V隔離輸出的開關(guān)電源模塊實(shí)現(xiàn)。這雖然增加了接口電路的復(fù)雜性及成本，但卻提高了節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定性和安全性。

輸出模塊中各輸出點(diǎn)通過鎖存器74ALS273與STC89C516RD+的P0口相接，并由P2譯出的地址以及寫信號WR*進(jìn)行鎖存控制。而輸入模塊中各輸入點(diǎn)通過總線緩沖器74ABT245與P0口相連，74ABT245由P2譯出的地址以及讀信號RD*進(jìn)行選通控制。這樣STC89C516RD+就可以方便地對外部I/O進(jìn)行訪問而無須其他額外的軟硬件開支，大大提高了STC89C516RD+的執(zhí)行效率。

4 模塊軟件設(shè)計(jì)

CAN總線數(shù)控系統(tǒng)遠(yuǎn)程輸入輸出模塊的軟件設(shè)計(jì)主要包括6大部分：STC89C516RD+初始化、CAN控制器初始化、報文發(fā)送、報文接收、對輸出點(diǎn)的輸出訪問和輸入點(diǎn)的掃描輸入。本設(shè)計(jì)應(yīng)用的CAN的pelic模式的標(biāo)準(zhǔn)幀格式。

程序流程如圖3所示。SJA1000初始化只有在復(fù)位模式下才能進(jìn)行，初始化主要包括通過調(diào)節(jié)撥碼開關(guān)設(shè)置本模塊的標(biāo)識符，工作方式的設(shè)置、接收濾波方式的設(shè)置、接收屏蔽寄存器(AMR)和接收代碼寄存器(ACR)的設(shè)置、波特率設(shè)置和中斷允許寄存器(IER)的設(shè)置等。

機(jī)床信息傳到數(shù)控系統(tǒng):當(dāng)掃描到機(jī)床的輸入信號有電平變化時，模塊把自身的ID信息和輸入信號一起打包成標(biāo)準(zhǔn)幀發(fā)送給數(shù)控系統(tǒng)。

數(shù)控系統(tǒng)指令傳到機(jī)床：模塊實(shí)時監(jiān)控總線，當(dāng)總線上有來自數(shù)控系統(tǒng)的信息，啟動CAN接收，根據(jù)AMR和ACR來判斷是否該接收該指令幀，如果不應(yīng)該接收，將信息丟棄，如果應(yīng)該接收，將指令輸出給機(jī)床。

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圖3 模塊程序流程圖

5 模塊應(yīng)用

在實(shí)際應(yīng)用中，多塊輸入輸出模塊相連接組成CAN的網(wǎng)絡(luò)，多塊輸入輸出模塊的上位機(jī)都是機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)，各模塊的輸入輸出接口均與機(jī)床相連如圖4所示。

注意在該網(wǎng)絡(luò)中，在總線的兩端應(yīng)各接有一個終端電阻，終端電阻的作用是吸收信號線上電脈沖的多余能量，防止反射形成信號混淆，而信號混淆將導(dǎo)致通訊錯誤。

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圖4 應(yīng)用數(shù)控系統(tǒng)遠(yuǎn)程輸入輸出模塊的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

由于各模塊的ID號的取值為0~7，所以本設(shè)計(jì)數(shù)控系統(tǒng)外部可擴(kuò)展8個輸入輸出模塊，其中各個模塊ID號設(shè)置不能相同，且站號越小，優(yōu)先級越高。在本設(shè)計(jì)中每個模塊的輸入點(diǎn)為64個，輸出點(diǎn)為64個，則一共可以擴(kuò)展到512(64*8)個輸入輸出點(diǎn)。

6 結(jié) 語

基于CAN總線的數(shù)控系統(tǒng)遠(yuǎn)程輸入輸出模塊不僅擴(kuò)

展了經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)的輸入輸出節(jié)點(diǎn)，而且提高了遠(yuǎn)程輸入輸出信號傳輸?shù)恼_率。本系統(tǒng)通過了現(xiàn)場進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)測試，總線單接一個模塊;接兩個模塊；串接8個模塊，分別測試各個模塊的工作情況，機(jī)床和數(shù)控系統(tǒng)之間的信息都能正確傳送，通信速率完全能滿足系統(tǒng)實(shí)時性能的要求，運(yùn)行可靠。系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單，集成度、智能化程度高，結(jié)構(gòu)與功能可擴(kuò)展性好，安全可靠，極大地增加了數(shù)控系統(tǒng)和機(jī)床通信的輸入輸出節(jié)點(diǎn)。隨著未來工廠自動化的發(fā)展，CAN總線將具有廣闊的應(yīng)用前景。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］饒運(yùn)濤，鄒繼軍，鄭勇蕓.現(xiàn)場總線CAN原理與應(yīng)用技術(shù)［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2003.

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［2］張培仁，孫占輝，張欣，等.基于C語言編程MCS-51單片機(jī)原理與應(yīng)用［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2003.

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［3］譚劍波，謝川，石忠東，等.基于CAN總線的智能I/O站點(diǎn)設(shè)計(jì)［J］.微計(jì)算機(jī)信息，2005，21(10Z):1-2.

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［4］李干林，韓念杭.基于DSP和CAN總線的信號轉(zhuǎn)換裝置設(shè)計(jì)［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2007，30(6):17-19，22.

作者簡介 李美玲 女，1982年出生，山東淄博人，碩士。主要從事CAN總線控制技術(shù)和信號處理方面的研究。

蕭寶瑾 男，1949年出生，山西太原人，教授。主要從事信號處理和反相對稱方面的研究。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文。