CAN总线在五轴嵌入式数控磨削系统中的应用

0 引言

　　多轴数控系统在加工复杂型面时，需要各个轴之间协同工作，实时性、可靠性要求较高。CAN总线可提供高达1Mbit／s的数据传输速率，这使实时控制变得非常容易。另外，硬件的错误检测特性也增强了CAN的抗电磁干扰能力。它是一种有效支持分布式控制和实时控制的串行通信网络，这些特点决定了CAN总线技术在多轴数控系统中有很好的应用前景。本文利用CAN总线技术为五轴数控系统提供了一个实时可靠的信息交互网络，解决了传统总线插板I／O模块多，干扰严重、系统软件复杂、硬件兼容性差等问题，提高了信号传输实时性和可靠性，便于安装、调试和维护，经济效益明显，是自动化领域发展的一个重要方向。

1 基于CAN总线数控系统的结构

　　如图1所示，本控制系统在结构分布上采用的是完全分布式控制，数控系统的核心是一个基于ARM9核的主控芯片$3C2410。s3C2410负责根据加工图形进行数据处理，计算刀具半径补偿量，设置进给速度，执行辅助功能代码。进行插补运算，把插补后的数据通过总线送到伺服驱动器，并接收从伺服控制器反馈回来的转速；脉冲信息，实现闭环控制以及接收传感器传来的电压、电流、位置等参数，显示并记录。其他每个ARM9控制芯片$3C2410仅仅负责一轴的伺服进给控制，另外主控机还要根据PLC传来的信号来控制伺服电机，调整设置。PLC模块主要负责接收面板的控制信号、设置信号以及极限报警信号，这些数据通过CAN总线传到上位机后，转化为伺服电机的控制信号，再发送到总线，控制伺服电机和变频器以及更改电机设置。主控单元、电机驱动单元均以S3C2410为核心构成并通过CAN总线相连。其中，主控单元通过自带的键盘发送电机运行参数和控制命令，LCD显示电机运行状态。这样的分布式控制方式能够实现高精度的伺服进给控制，每个节点不会相互影响，容易扩展，故障率低。

图1基于CAN总线的数控系统的结构图 

2 CAN总线通信系统硬件设计

　　电机控制的各个节点问的通信是通过CAN总线来完成。一般有2种CAN总线器件可供选择：一种是集成了CAN控制器的微控制器，如Philips公司的P8XC592，Intel的87C196CA，TI公司的TMS320LF2407(DSP)等，这类集成器件电路图紧凑，硬件结构简单。另一种是独立的CAN控制器，如Philips的82C200，SJAl000，Intel的82526，82527，Microchip的MCP2510、MCP2515。这类独立的控制器可使设计灵活，从众多类型MCU中选择最合适的方案。文中所涉及的系统选用的是独立的CAN控制器MCP2515和CAN收发器MCP2551。MCP2515完全支持具有很多新特性的CAN2．0B协议，能够发送和接收标准数据帧以及扩展数据帧以及远程帧，自带的2个验收屏蔽寄存器和6个验收滤波寄存器可以过滤掉不想要的报文，可有效减少主单片机(MCU)的开销，并具有接收过滤和信息管理的功能。MCP2515支持0，0和1，1的SPI模式，通过其SPI引脚同MCU进行数据传输，最高数据传输速率可达1Mbps。另外，MCP2515具有灵活的中断管理功能，可以很好地用在数控系统控制中。CAN收发器MCP2551是一个可容错的高速CAN器件，对总线提供差动发送能力，对CAN控制器提供差动接收能力。它完全符合ISO一11898标准，它的工作速率高达1 Mbps。MCP2515和MCP2551接口部分的电路图如图2所示。CAN控制器MCP2515的串行数据输出线(TX)和串行数据输入线(RX)分别通过高速光耦6N137和5V电源隔离模块HDNl—5S5与收发器相连，MCP2551通过有差动发送和接收功能的2个总线端CANH和CANL接到总线电缆。8脚是输入Rs，用于模式控制，不同连接方式可以实现3种不同的工作方式：高速、斜率控制和待机。本系统采用1．6kQ的电阻使之工作于斜率模式，有效降低射频干扰。MCP2551的额定电源电压是5 V，总线两端接120 Q的电阻，用以提高整个系统通信的可靠性和抗干扰能力。在设计接口电路时，首先要根据微处理器选择MCP2515的接口模式，MCP2515的片选地址应与其它的外部存储器无冲突，注意MCP2515的复位电路是低电平有效。另外，微处理器对MCP2515的控制访问是以外部存储器的方式来访问的内部寄存器。

图2 CAN接口部分电路原理图 

3 CAN总线通信的程序设计

　　CAN总线通信程序设计主要包括CAN总线初始化、报文的发送程序设计和接收程序设计。MCP25 15只有在配置模式下才能初始化，在初始上电或复位时器件自动进入配置模式，也可以将CANTRL寄存器的REQQP设置为‘100’使器件进入配置模式。在配置模式对位定时配置(CNFl，CNF2，CNF3)、发送请求寄存器TXRTSCTRL、接收滤波寄存器、接收屏蔽寄存器作相应的修改即可。数据的发送由MCP2515自动完成，用户只须将被发送的数据送到MCP2515的发送缓存器，然后将命令寄存器的“发送请求”标志置位，启动发送命令即可。发送过程可由MCP2515的中断请求或控制段的轮询状态标志控制，采用，中断方式，其数据发送程序流程图如图3。数据的接收自动完成，接收程序只须从接收缓存器中读取接收的数据，再进行相应的处理即可，接收程序也采用中断方式，其数据接收程序流程图如图4 。[page]

图3发送程序流程图 

图4接收程序流程图 

4 基于CAN总线通信的数控系统的特点

　　(1)CAN为多主工作方式，网络上任何一节点均可作为主节点主动地与其他节点交换数据，不分主从，方式灵活，大大提高了系统的性能。多点同时发送信息时，按优先级顺序通信，避免网络瘫痪，可以进行点对点、一点对多点和全域广播方式传递信息。CAN总线每帧数据都包含有CRC校验及其他校验措施，数据出错率低，平均误码率小于10-3。网络节点在错误严重的情况下可以自动关闭输出功能，脱离网络M1。因此采用CAN总线通信的数控系统除了通信高可靠性外，还具有很强的抗干扰和错误检测能力。

　　(2)CAN网络节点的信息帧可分出优先级，且单帧字节长度短，有效字节数为8个的短帧结构占用总线的时间很少，其提供高达1 MbiCs的数据传输速率，使实时控制变得非常容易。另外CAN采用非破坏性的总线仲裁技术，节省总线冲突仲裁时间，具有比令牌网和CSMA／CD网更高的实时性。

　　(3)CAN总线与较传统的串行通信相比，在硬件上可减少走线，易于系统扩充和改型，在软件上通讯更加灵活。CAN的通信介质可以根据现场需要选用双绞线、同轴电缆或光纤。同时CAN总线已经实现了标准化、规范化(国际标准ISO．11898)。因此该数控系统具有很强的灵活性和开放性。

5 结语

　　本文提出了一种基于CAN总线的新型分布式控制策略，成功应用于五轴数控磨削系统。新一代的数字伺服系统通过CAN总线与开放式数控系统互连，是运动控制领域发展的一个重要方向，相别于传统的封闭式多轴控制系统，它的应用将为分布式运动控制提供一种新的解决方案，受到人们越来越多的重视。