利用獨(dú)立CAN總線控制器實(shí)現(xiàn)自絡(luò)筒通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、 引言

隨著紡織工業(yè)技術(shù)進(jìn)步，紡織機(jī)械日益趨向成套化、自動化和系統(tǒng)化。自動絡(luò)筒機(jī)是紡織工業(yè)上檔次的關(guān)鍵設(shè)備，起著承上啟下、改善紗線性能的重要作用，它是紡部的整理設(shè)備和織部的準(zhǔn)備設(shè)備，機(jī)電氣一體化，自動化程度高，速度快，生產(chǎn)效率高。自動絡(luò)筒機(jī)是一種具有高速、高產(chǎn)、高效、高質(zhì)和高自動化功能，并綜合了最新機(jī)械、電子、材料、儀表及計(jì)算機(jī)信息處理和控制等技術(shù)的機(jī)電一體化產(chǎn)品。自動絡(luò)筒機(jī)的出現(xiàn)，從根本上改變了普通絡(luò)筒機(jī)的面貌，其生產(chǎn)的筒子卷裝大，絡(luò)紗速度高，對紗線的絡(luò)紗全過程自動化控制程度和勞動生產(chǎn)率高，從而成為機(jī)械、電子、氣動、儀表和計(jì)算機(jī)信息處理相結(jié)合的高新技術(shù)產(chǎn)品。自動絡(luò)筒機(jī)是科技含量最高的紡織機(jī)械設(shè)備，有“紡織機(jī)械皇冠上的明珠”之稱。

CAN總線是一種有效支持分布式控制系統(tǒng)或?qū)崟r(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)，是一個(gè)多主總線，總線上的各個(gè)節(jié)點(diǎn)都有權(quán)隨時(shí)向其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，總線沖突時(shí)通過總線仲裁機(jī)制來決定占用總線的節(jié)點(diǎn)。CAN能夠使用多種物理介質(zhì)傳播，例如雙絞線、同軸電纜、光纖等。最常用的就是雙絞線。CAN總線描述的是ISO/OSI七層協(xié)議中的第一層和第二層的高速協(xié)議。目前，CAN 總線的規(guī)范常見的是2.0A和2.0B版本。本自動絡(luò)筒機(jī)通信統(tǒng)中采用的是2.0B擴(kuò)展幀，29位標(biāo)志符。

CAN中的信號包括幀起始、仲裁場、控制場、數(shù)據(jù)場、CRC 場、應(yīng)答場、幀結(jié)尾等部分。報(bào)文傳輸由數(shù)據(jù)幀、遠(yuǎn)程幀、錯(cuò)誤幀、過載幀、表示和控制。數(shù)據(jù)幀/遠(yuǎn)程幀通過幀間空間相分隔。信號使用差分電壓傳送，兩條信號線被稱為“CAN_H”和“CAN_L”，靜態(tài)時(shí)均是2.5V左右，此時(shí)狀態(tài)表示為邏輯“1”，也可以叫做“隱性”。用CAN_H比CAN_L高表示邏輯“0”，稱為“顯性”，此時(shí)，通常電壓值為：CAN_H = 3.5V 和CAN_L = 1.5V 。

2、基于SJA1000的自絡(luò)筒通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1、SJA1000簡介

SJA1000是Philips公司生產(chǎn)的獨(dú)立CAN 總線控制器，它是早期的PCA82C200 的替代產(chǎn)品。它與 PCA82C200在管腳、電氣特性上完全兼容，不僅有 和PCA82C200一樣的基本CAN （BasicCAN）工作模式，而且新增加了增強(qiáng)CAN （ PeliCAN）工作模式，這種模式支持具有很多新特性的CAN2. 0B 協(xié)議。SJA1000是一種應(yīng)用于汽車和一般工業(yè)環(huán)境的獨(dú)立CAN總線控制器，經(jīng)過簡單總線連接可完成CAN總線的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的所有功能。其硬件與軟件設(shè)計(jì)和PCA82C200的基本CAN模式BasicCAN兼容。同時(shí)，新增加的增強(qiáng)CAN模式PeliCAN還可支持CAN2.0B協(xié)議。SJA1000的主要特性如下 ：1、管腳及電氣特性與獨(dú)立CAN總線控制器PCA82C200兼容 ；2、軟件與PCA82C200兼容（缺省為基本CAN模式）；3、擴(kuò)展接收緩沖器（64字節(jié)FIFO）；4、支持CAN2.0B時(shí)支持11和29位標(biāo)識符；5、位通訊速率為1Mbits/s；6、增強(qiáng)CAN模式（PeliCAN）；7、采用24ＭＨｚ時(shí)鐘頻率；8、支持多種微處理器接口；9、可編程CAN輸出驅(qū)動配置；10、工作溫度范圍為-40~+125℃。

2.2、CAN通信系統(tǒng)中硬件設(shè)計(jì)

CAN控制模塊主要由接口管理邏輯、發(fā)送緩沖器、接收緩沖器（RXFIFO）、接收過濾器、位流處理器 （BSP）、位時(shí)序邏輯 （BTL）和錯(cuò)誤管理邏輯（EML）組成。

本項(xiàng)目中自動絡(luò)筒機(jī)控制系統(tǒng)中共有60個(gè)單錠，通過上位機(jī)來對各個(gè)單錠進(jìn)行控制，自動絡(luò)筒機(jī)中通信系統(tǒng)硬件框圖如圖１所示。

根據(jù)自動絡(luò)筒機(jī)通信系統(tǒng)的功能及要求，選SJA1000作為CAN控制器，并且使用了CAN控制器接口芯片PCA82C250，PCA82C250是CAN協(xié)議控制器和物理總線之間的接口。此器件對總線提供差動發(fā)送能力，對CAN控制器提供差動接收能力。整個(gè)系統(tǒng)以Atmel AVR單片機(jī)Mega64L。ATMEL公司的AVR單片機(jī)，是增強(qiáng)型RISC內(nèi)載Flash的單片機(jī)，芯片上的Flash存儲器附在用戶的產(chǎn)品中，可隨時(shí)編程，再編程，使用戶的產(chǎn)品設(shè)計(jì)容易，更新?lián)Q代方便。AVR單片機(jī)采用增強(qiáng)的RISC結(jié)構(gòu) ，使其具有高速處理能力，在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)可執(zhí)行復(fù)雜的指令。本系統(tǒng)采用的AVR mega64L還具有：用32個(gè)通用工作寄存器代替累加器，從而可以避免傳統(tǒng)的累加器和存儲器之間的數(shù)據(jù)傳送造成的瓶頸現(xiàn)象；一個(gè)時(shí)鐘周期執(zhí)行一條指令；可直接訪問8M字節(jié)程序存儲器和8M字節(jié)數(shù)據(jù)存儲器寄存器等特點(diǎn)。因此，采用ATMEL公司生產(chǎn)的AVR位單片機(jī)Mega64L機(jī)作為控制系統(tǒng)的主控制器是十分理想的選擇。SJA1000在自絡(luò)筒通信系統(tǒng)中單錠的硬件配置與CAN總線接口的電路如圖 2示。硬件電路中使用 PCA82C250的目的是為了增大通信距離，提高系統(tǒng)的瞬間抗干擾能力，保護(hù)總線，降低射頻干擾，實(shí)現(xiàn)熱防護(hù)等。

SJA1000在電路中是一個(gè)總線接口芯片，實(shí)現(xiàn)從上位機(jī)PC-CAN接口到現(xiàn)場微處理器之間的數(shù)據(jù)通信。對于微處理器而言，SJA1000是一個(gè)總線接口，SJA1000片內(nèi)的存儲單元相對Mega64L來說是片外的數(shù)據(jù)存儲器，因此，可以按照擴(kuò)展片外數(shù)據(jù)存儲器的形式來訪問SJA1000的寄存器地址。Mega64L是CAN控制器的微處理器，把Mega64L的ALE、RD、WR和 SJA1000的ALE、RD、WR相連就構(gòu)成一個(gè)最小系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)。Mega64L通過地址總線經(jīng)GAL譯碼來選通 SJA1000，并由此決定CAN控制器各寄存器的地址，通過讀、寫外部數(shù)據(jù)存儲器的形式來訪問 SJA1000。在系統(tǒng)中我們將SJA1000的TX1腳懸空，RX1引腳接地，形成CAN協(xié)議所要求的電平邏輯。該電路的主要功能就是通過CAN總線接收來自上位機(jī)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析組態(tài)，然后下傳給下位機(jī)的控制電路實(shí)現(xiàn)控制功能，當(dāng)智能控制系統(tǒng)接收到下位機(jī)的上傳數(shù)據(jù)，SJA1000的中斷輸出INT腳就會被激活，出現(xiàn)一個(gè)由高電平到低電平的躍變，產(chǎn)生一個(gè)中斷，從而引發(fā)微處理器Mega64L產(chǎn)生中斷，通過中斷處理程序接收每一幀信息并通過CAN總線上傳給上位機(jī)進(jìn)行分析，以便及時(shí)糾正誤碼、錯(cuò)碼。

在進(jìn)行電路設(shè)計(jì)時(shí)需注意：為進(jìn)一步提高系統(tǒng)抗干擾能力，在CAN控制器SJA1000和CAN控制器接口PCA82C250之間加接6N137光電隔離芯片，并采用DC-DC變換器隔離電源；通信信號傳輸?shù)綄?dǎo)線的端點(diǎn)時(shí)會發(fā)生反射，反射信號會干擾正常信號的傳輸，因而總線兩端兩個(gè)124歐姆電阻對匹配總線阻抗起著相當(dāng)重要的作用，忽略掉它們，會使數(shù)據(jù)通信的抗干擾性和可靠性大大降低，甚至無法通信；PCA82C250第8腳與地之間的電阻RS稱為斜率電阻，它的取值決定了系統(tǒng)處于高速工作方式還是斜率控制方式。把該引腳直接與地相連，系統(tǒng)將處于高速工作方式。在這種方式下，為避免射頻干擾，建議使用屏蔽電纜作總線；而在波特率較低、總線較短時(shí)，一般采用斜率控制方式，上升和下降的斜率取決于RS的阻值。

2.3、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目通信系統(tǒng)中軟件設(shè)計(jì)包括兩部分：上位機(jī)和下位機(jī)。上位機(jī)主要通過人機(jī)交互向ＣＡＮ總線發(fā)送信號給各單錠，下位機(jī)軟件主要是Mega64L接收ＣＡＮ總線信息后，完成控制單錠相應(yīng)動作的任務(wù)，比如張力盤增加或是減少張力等等事件。這里主要介紹單錠中各CAN的軟件實(shí)現(xiàn)。

系統(tǒng)上電初始化：系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的指導(dǎo)思想是系統(tǒng)上電后首先對Mega64L和SJA1000進(jìn)行初始化，以確定工作主頻、波特率、輸出特性等，然后通過查詢方式獲取模數(shù)轉(zhuǎn)換采樣值，并把該值通過SJA1000傳送到CAN總線上由上位機(jī)進(jìn)行顯示控制，CAN發(fā)送通過中斷方式向總線發(fā)送信息，而對CAN總線上來的信息也采用中斷方式，系統(tǒng)每接收到一幀信息，便產(chǎn)生一次中斷以觸發(fā)微處理器進(jìn)入中斷，在中斷服務(wù)程序中讀取該幀信息并傳送到現(xiàn)場。為防止出現(xiàn)死機(jī)和干擾，程序中還采用看門狗技術(shù)進(jìn)行定時(shí)監(jiān)控。

對CAN控制器進(jìn)行初始化，實(shí)際上就是對ACR（驗(yàn)收碼寄存器）、AMR（驗(yàn)收屏蔽寄存器）、BTR0（總線定時(shí)寄存器0）、BTR1（總線定時(shí)寄存器 1）、OCR（輸出控制寄存器）這些寄存器進(jìn)行相關(guān)操作。只有當(dāng)控制寄存器CR中的復(fù)位請求位為高時(shí)，訪問才被允許，否則既寫不進(jìn)去，也讀不出正確的內(nèi)容。對CR進(jìn)行第一次寫操作，要設(shè)定將要開放的中斷類型，并置位復(fù)位請求，允許初始化開始。對ACR、AMR進(jìn)行寫操作，要界定對什么樣的報(bào)文予以接收，因此有時(shí)稱它們?yōu)轵?yàn)收屏蔽濾波器。當(dāng)滿足條件：“ACR與報(bào)文標(biāo)識符的高 8位在AMR為‘0’相關(guān)位上對應(yīng)相等”或 “AMR=0FFH，即ACR的所有位均為不相關(guān)（或屏蔽）位”，并存在空的收發(fā)緩存器時(shí)，完整報(bào)文可被正確收發(fā)。

發(fā)送報(bào)文：當(dāng)?shù)却l(fā)送的報(bào)文成功發(fā)送或被放棄之后，發(fā)送緩沖區(qū)被釋放并產(chǎn)生一個(gè)發(fā)送中斷。在中斷處理中，必須檢查狀態(tài)寄存器的發(fā)送完成標(biāo)志（TCS） ，以確定之前的發(fā)送是否成功。未成功表示發(fā)送被放棄，在這種情況下CPU對放棄的發(fā)送執(zhí)行一個(gè)特殊的處理，例如重復(fù)發(fā)送被放棄的報(bào)文。中斷發(fā)送報(bào)文流程圖如圖３。

接收報(bào)文：對于給出的控制器，主要流程在中斷控制的報(bào)文接收之前必須使能CAN控制器的接收終端和CPU的全局中斷。接收中斷使能標(biāo)志（RIE）位于中斷使能寄存器中。

如果CPU已經(jīng)接收到一個(gè)報(bào)文，該報(bào)文通過驗(yàn)收濾波器并放入接收FIFO，則產(chǎn)生一個(gè)接收中斷。這樣 CPU能夠立即響應(yīng)，將這個(gè)接收到的報(bào)文送到自身的報(bào)文存儲器，并置位命令寄存器的釋放緩沖標(biāo)志RRB。接收緩沖器中其他的報(bào)文將引起新的中斷，所以沒有必要在一次中斷過程中把接收緩沖器FIFO中的所有有效報(bào)文讀取出來。不過，在接收中斷過程結(jié)束時(shí)，CPU 可以通過讀接收緩沖期狀態(tài)標(biāo)志（RBS）來檢查是否還有其他報(bào)文存在。這一點(diǎn)在使用接收級中斷（Receive Level Interrupt）時(shí)通常是有用的。如圖３所示，整個(gè)接收的過程可在中斷服務(wù)程序中完成而不需要與主程序發(fā)生交互作用。

3、總結(jié)

目前，自動絡(luò)筒機(jī)中大量地應(yīng)用先進(jìn)電子技術(shù)、自動控制技術(shù)等，對其通信控制系統(tǒng)也提出了更高的要求。CAN總線技術(shù)及其高性能、高可靠性及其獨(dú)特的設(shè)計(jì)，已成為現(xiàn)場總線家族中最有希望的總線技術(shù)之一。本系統(tǒng)中將高可靠性的CAN-bus和性價(jià)比高、處理能力強(qiáng)大的AVR有機(jī)結(jié)合，使自動絡(luò)筒機(jī)通信系統(tǒng)在傳輸速度、實(shí)時(shí)性、差錯(cuò)率控制、可靠性上都有很好的效果。

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：CAN總線以其卓越的特性、極高的可靠性和獨(dú)特的設(shè)計(jì)，在工業(yè)過程監(jiān)控設(shè)備的互聯(lián)方面得到廣泛的應(yīng)用，受到工業(yè)界的廣泛重視，并被公認(rèn)為是最有前途的現(xiàn)場總線之一。作為通用、有效、可靠及經(jīng)濟(jì)的平臺，CA N總線也已經(jīng)廣泛地受到了歡迎。本文所設(shè)計(jì)的基于Atmel ARV系列增強(qiáng)型單片機(jī)Meag64L和SJA1000控制器為核的CAN總線已經(jīng)投入使用，具有簡單、靈活、使用方便等特點(diǎn)。

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