CAN总线的嵌入式数控系统设计与实现

车丽丽

(烟台汽车工程职业学院 汽车工程系, 山东 烟台 265500)

0 引言

近年来，基于CAN总线的嵌入式数控技术成为了我国发展的一大趋势，嵌入式技术的迅速发展更是给我国，乃至整个制造行业领域带来了巨大的改革，很大程度上提高了行业生产的能力水平。本文由ARM9嵌入式数控系统作为基础，引发一系列设计，ARM9嵌入式数控系统中最主要的硬件是S3C2410微处理器以及MCX314AL运动控制芯片，S3C2410微处理器以及MCX314AL运动控制芯片的加入使整个系统具有多项任务同时处理的能力，是整个系统的核心设计，对于建立基于CAN总线的嵌入式数控系统具有重大意义。

1 嵌入式数控系统硬件设计

1.1 ARM9嵌入式数控系统结构框图

ARM9嵌入式数控系统是基于CAN总线的设计，由各个小部分形成的系统结构框图，其主要结构分别是S3C2410、MCX314AL、MCP2515、MCP2551、输入滤波器、开关电源以及伺服电机，还有一个直流电机伺服控制器。这些微处理器在系统中起着至关重要的作用，例如滤波器是为了排除外部因素对系统造成的影响，从而提高系统的抗干扰能力；S3C2410的作用是将自身的SP1接口与CAN总线的控制器相连，再通过收发器与CAN总线建立联系；CAN总线的控制器主要作用是将各个部分的处理器联系在一起，从而达成系统建立成功的目的。该系统主要通过MCP2515建立通信协议的桥梁。系统的流程是，S3C2410将系统接收成功的代码进行翻译处理后形成二进制代码，再由MCX314AL控制板通过接口接收进行处理，产生的信号由放大器后，可达到驱动伺服电机的目的。ARM9嵌入式数控系统硬件设计[1],如图1所示。

图1 ARM9嵌入式数控系统硬件设计图

1.2 S3C2410与MCP2515的连接

S3C2410将自身的SPI接口分为两路，每条路径分别含有两个8位转移寄存器，其中还含有独立的16KB指令Cache和16KB数据Cache，MMU，支持TFT的LCD控制器，NAND闪存控制器，3路UART,4路DMA，4路带PWM的Timer，8路10位ADC等，其目的是为了更好的处理数据，将处理器运行能力发挥到极致。而SPI系统中还含有四个I/O引脚，主机中的数据线MISO等，将S3C2410与MCP2515进行连接是嵌入式数控系统硬件设计的一大亮点，其主要是使系统更加完善。S3C2410与MCP2515的连接模式,如图2所示。

图2 S3C2410与MCP2515的连接模式图

1.3 CAN收发器MCP2551与MCP2515的连接

系统中MCP2551的作用是为了将CAN控制器与CAN总线连接在一起，使CAN总线接收到的数据更加全面。通过实验表明CAN总线的抗干扰能力有待加强，为了强化CAN总线排除不良因素的影响，特将CAN收发器MCP2551与MCP2515进行连接，完成连接后可以更好地实现CAN总线中的各个节点之间的电气隔离，其主要方法是将高速光耦6N137与MCP2551进行连接，该过程不可以将CAN收发器MCP2551中的TXD和RXD与CAN控制器中的TXCAN和RXCAN进行直接连接，若连接后可造成电气之间不能完全隔离，高速光耦将达不到作用[2]。该过程应注意连接时必须将电源完全隔离，方可发挥高速光耦的全部作用。CAN收发器MCP2551与MCP2515的连接程序图,如图3所示。

图3 CAN收发器MCP2551与MCP2515的连接程序图

1.4 S3C2410与MCX314AL的信号连接

MCX314AL运动控制芯片具有功率消耗低、电压不需要转换等特点，与S3C2410进行连接后可以迅速达到驱动马达的目的，S3C2410与MCX314AL主要是通过ARM9的电路接口将二者之间的所有信号连接在一起，在ARM9嵌入式数控系统结构中，所有的设计几乎都是分开的，其目的是为了排除各个部分之间的信号相互干扰，影响系统进行测试，为了达到该目的，设计过程中应避免平行排线在板子间的连线之中出现，正确方法是使用双绞线或者加上磁环，可以有效的避免该现象的发生，另外还需要特别注意在MCX314AL运动控制芯片的引脚H16L8中将高电平连接上，因为过程中使用的是16位数据线传输系统，S3C2410与MCX314AL的信号连接有效降低了系统信号传输过程中出现的不良因素影响。

1.5 MCX314AL运动控制板的硬件设计

该系统为了MCX314AL运动控制板能够正常运行，特别构建了MCX314AL的最小系统，MCX314AL芯片中总共含有144个引脚，为了建立最小系统，需要将16MHz晶振连接好，首先，需要在引脚EXPLSN、TESTN中加入高电平，在引脚VCC和GND中接上电源，再将各种数据线连接完成，即可完成MCX314AL运动控制板的硬件设计[3]。

为了系统可以更加稳定的运行，特别将各部分之间的信号通过高速光耦进行隔离，在MCX314AL运动控制板的硬件设计过程中，为了使系统在工业控制中可以更加稳定可靠、满足业界的需求，将模拟电路中的各个硬件进一步优化。

2 嵌入式数控系统软件设计

嵌入式数控系统功能的达成，是由各个子程序进行数据处理、任务协调以及运动控制实现的，而该系统的软件设计部分设计了5个模块，分别是数据处理模块、人机界面模块、任务协调模块、运动控制模块和PLC模块，每个模块都有属于自己负责的功能。嵌入式数控系统软件结构,如图4所示。

图4 嵌入式数控系统软件结构图

2.1 人机界面模块

人机界面模块可以由操作者向其中输入指令，将指令传输到数据处理模块中，传输的指令可以包括系统的运行状态、参数信息、G代码、各种文件以及报警信息等，该模块采用的显示系统更加方便操作者对系统进行操作。

2.2 数据处理模块

数据处理模块成功接收由人机界面模块传输的数据之后，将状态信息以及翻译过后形成的NC代码发送给任务协调模块进行任务分配，该模块主要负责将接收的代码翻译成系统可以识别的新代码，对系统进行刀具补偿。

2.3 任务协调模块

任务协调模块是整个嵌入式数控系统软件设计中的核心部分，主要对数据处理模块传输的信息进行分配，达到控制整个系统正常运作的目的。

2.4 运动控制模块

运动控制模块主要受任务协调模块的支配，对信息处理的速度、插补预处理、插补运算以及运输的位置进行严格把控。

2.5 PLC模块

PLC模块主要接收任务协调模块分配的S、M、T指令，通过指令对机床的功能进行诊断，最后形成数据对系统进行反馈。

3 基于CAN总线方式的数控系统与伺服系统通讯建立

基于CAN总线方式的数控系统与伺服系统之间有一接口，主要负责通讯信息的建立，向系统传输各种状态数据，CNC可以向伺服系统中发送伺服参数的修改值、控制信号等信息[4-5]。

3.1 CNC发往伺服的数据

3.1.1 CNC发送数据结构定义

CNC存在的目的是为了向伺服系统发送位置与速度的比值增量、参数以及控制指令等信息，其中发送的数据结构为数据类型type(1 byte)、数据内容value(1 word/2byte)。而数据内容对于伺服系统传输的控制信号以16位字来定义数据结构，每位的意义可以自行立意。控制信号16位字的定义，如表1所示。

表1 控制信号16位字的定义

3.1.2 数据发送方式

该系统通常采用开机(或重新启动)初始化完成；当CNC要改变对伺服的控制时；发生警报时三种方式发送控制信号。而发送数据时通常采用点对点的方式，及特殊情况出现时，将采用广播形式发送数据。

3.2 伺服发送CNC的数据

3.2.1 伺服发送数据结构定义

伺服系统主要是在没有任何机械进行连接的情况之下，由输入轴对远处的输出轴进行控制，最终实现远距离同步传送信息，主要由小功率指令大功率进行负载传送信息，传送的信息主要包括状态信息、伺服参数，发送的数据结构是数据类型type(1 byte)、数据内容value(1 word/2byte)。状态信号16位字的定义，如表2所示。

表2 状态信号16位字的定义

3.2.2 数据发送方式

数据发送方式将以伺服向系统发送状态信号，当伺服发出报警信号，系统会采用广播发送状态信号，它有着自己突出的频带宽度以及精度的性能，可以更好的传送数据[6]。

4 CAN总线的嵌入式数控系统调试与实现

为了CAN总线的嵌入式数控系统可以更好的运行，特将MCX314AL运动控制芯片中接通3个接口，其主要目的是为了更加便捷的与其他模块建立联系。为了对系统进行调试，特别对系统安装4个LED指示灯，建立X轴、Y轴、Z轴以及U轴，LED的显示情况表示运行状态。将驱动程序后的文件进行分类，可执行的文件下载至ARM9中，从而达到控制MCX314AL的目的。MCX314AL运动控制板的硬件组成，如图5所示。

程序运行后得到的X、Y轴脉冲状态图，如图6所示。

5 CAN总线的嵌入式数控系统优化设计

5.1 数控系统与数字交流伺服的CAN总线通讯

为了数控系统与数字交流伺服可以与CAN总线建立进行良好的通讯联系，特别进行了优化环节，在过程中使用电磁藕合夹，并在机床车间这样的强干扰环境下进行操作，目的是为了对系统进行干扰，充当人工干扰源的工具，使优化结果更加准确。在优化过程中由CNC向3个伺服中发送8字节数据，当伺服接收到信息之后立即返回原数据系统，经CNC验证显示正确后，方可继续发送数据，经过多次试验后得出的数据建立成表格形式。通讯数据结果，如表3所示。

图5 MCX314AL运动控制板的硬件组成框图

终点(X=20,Y=9)驱动脉冲输出实例

表3 通讯数据结果

经数据表明，该系统传输距离较以往的更远，在如此恶劣的环境下依然可以运行[7-8]。

5.2 CAN总线的嵌入式数控系统机械加工

该过程将采用CAN总线的嵌入式机床数控系统与CAN总线的伺服驱动器进行结合进行机械加工，加工后的结果显示误差结果为零，优化过程将对螺塞进行加工，为保证结果无误差，采取分别对含有内、外螺纹的圆筒进行单独加工，将圆筒内置满水后将螺塞拧紧至倒立后仍滴水不漏为止[9-10]。

6 结束语

本文对基于ARM9的CAN总线嵌入式数控系统进行研究，该研究在很大程度上解决了数控机床中含有的问题，以及伺服系统之间发送指令的信息不全造成的影响，根据实验数据表明该系统具有抗干扰能力强、传送距离远以及在网络中发展方向等特点。S3C2410微处理器以及MCX314AL运动控制芯片的设计，简化了数控系统设计难点，大量减少研发过程中负载的任务量，解决数控系统的局限性等优势，这些优势证明了该研究具有很高的使用价值。