基于DSP-LF2407A和CAN總線的分布式電機控制系統(tǒng)

引言

CAN（Controller Area Network）控制器局域網(wǎng)，主要用于各種設(shè)備監(jiān)測及控制的局域網(wǎng)。最初由德國Bosch公司用于汽車的監(jiān)控系統(tǒng)而設(shè)計，具有良好的功能特性和極高的可靠性，現(xiàn)場抗干擾能力極強, 總線形式為串行數(shù)據(jù)通信總線。

TI 的24X系列芯片，具有處理性能優(yōu)良（30MIPS），外設(shè)集成度高，程序存儲器容量大，A/D轉(zhuǎn)換速度快等特點，是基于工業(yè)控制而設(shè)計的DSP（數(shù)字信號處理）類芯片。LF2407A以其豐富的集成外設(shè)，提供了電機數(shù)字化控制解決方案。其嵌入式CAN總線控制器，基于CAN2.0B規(guī)范要求，提供了CAN通信功能，可為實現(xiàn)分布式工業(yè)監(jiān)控局域網(wǎng)絡(luò)提供了一個解決方案。

CAN總線簡介

CAN屬于現(xiàn)場總線的范疇，有效支持分布式控制或?qū)崟r控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)。CAN的應用范圍很廣，從高速的網(wǎng)絡(luò)到低價位的多路界限都可以使用CAN 。在自動化電子領(lǐng)域的汽車發(fā)動機控制部件、傳感器、抗滑系統(tǒng)等應用中，CAN的位速率可高達1Mbps。

區(qū)別與傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)采用按控制回路進行一對一連接的方法，現(xiàn)場總線采用智能現(xiàn)場設(shè)備，具有運算、控制和通信功能，可以在現(xiàn)場完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、控制處理等功能，并將有關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)送到主機及其它現(xiàn)場設(shè)備，實現(xiàn)可徹底的分布式控制。

CAN總線特點：

1系統(tǒng)的開放性。2現(xiàn)場設(shè)備具有高度的自治性和智能化的特點。3系統(tǒng)的高度分散性。4對現(xiàn)場環(huán)境的適應性強。

CAN節(jié)點的分層結(jié)構(gòu)

．CAN對象層(the object layer)

．CAN傳輸層(the transfer layer)

．物理層(the physical layer)

對象層的功能是報文濾波以及狀態(tài)和報文的處理。傳輸層是CAN協(xié)議的核心。它把接受到的報文提供給對象層，以及接受來自對象層的報文。物理層定義實際信號的傳輸方法。物理層的作用是在不同節(jié)點之間根據(jù)所有的電氣屬性進行位信息的實際傳輸。

圖1 CAN節(jié)點分層結(jié)構(gòu)

LF2407A簡介

DSP(Digital Signal Processing)數(shù)字信號處理，是以數(shù)字形式對信號進行采集、變換、濾波、估值、增強、壓縮、識別等處理，以得到符合人們需要的信號形式。LF2407A是一款新型工控型數(shù)字信號處理芯片，具有如下特點：

一、芯片特點:

1)32位CPU，32位ALU，16*16位并行乘法器，3個定標移位器，8個16位輔助寄存器；544字片內(nèi)數(shù)據(jù)/程序DARAM，2K的SARAM，32K片內(nèi)程序FLASH，64K數(shù)據(jù)和存儲器尋址范圍；

2)四級流水線操作，八級硬件堆棧，五個外部中斷；

3)兩個事件管理器EVA、EVB，包含：16路PWM通道，10路比較CMP單元，4個16位通用定時計數(shù)器，6個捕獲單元CAP，4個積分編碼脈沖QEP單元；

4)16路10位A/D 轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換時間為500ns，最高采樣率為1MHz；

5)41個可單獨編程的多路復用I/O引腳；基于鎖相環(huán)電路（PLL）的時鐘模塊；帶實時中斷的看門狗定時器模塊（WATCH_DOG）；串行通信接口（SPI）和串行外設(shè)接口（SPI），及CAN 通信模塊接口；

6)33ns指令周期，每秒執(zhí)行30MIPS，系統(tǒng)+3.3伏供電。

二、LF2407A 內(nèi)嵌CAN 控制器

LF2407A芯片內(nèi)嵌CAN控制模塊，集成了一個全CAN功能的16位控制芯片，且與CAN2.0B協(xié)議完全兼容，支持標準格式和擴展格式。LF2407A的CAN模塊包含兩大部分：CAN控制/狀態(tài)寄存器和CAN郵箱RAM區(qū)。其結(jié)構(gòu)框圖如下：

圖 2LF2407-ACAN模塊框圖

CAN控制/狀態(tài)寄存器部分包含16個16位的CAN控制/狀態(tài)寄存器，分別為控制寄存器、狀態(tài)寄存器、中斷寄存器和接收屏蔽寄存器。完成對象層和傳輸層包括的所有由ISO/OSI 模型定義的數(shù)據(jù)鏈路層的服務(wù)和功能。實現(xiàn)控制幀結(jié)構(gòu)、執(zhí)行仲裁、錯誤檢測、出錯標定、故障界定等。

CAN 控制器接口----PCA82C250: PCA82C250 是CAN 協(xié)議控制器和物理總線的接口。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，符合“ISO11898 ”標準。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)為一個基于分布式現(xiàn)場總線CAN總線進行通訊，以DSP為微控制器的電機控制系統(tǒng)。為一個具有DSP的高速處理能力和CAN總線通信的高性能和高可靠性的優(yōu)點結(jié)合起來的分布式工業(yè)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)設(shè)計主體分為兩部分：其一執(zhí)行部件：LF2407-A控制電機動作；其二為網(wǎng)絡(luò)通訊：CAN實現(xiàn)分布式監(jiān)控通信。

節(jié)點 1節(jié)點

圖 3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要可分為三層：第一層、PC機與CAN總線接口層----實現(xiàn)PC機與CAN通訊總線之間的可視化操作控制，以PC-CAN----智能型CAN總線通訊適配卡實現(xiàn)；第二層、CAN總線與DSP控制器LF2407接口層----實現(xiàn)CAN總線和LF2407-A板的CAN控制器的物理接口和通訊；第三層、LF2407的I/O口與步進電機的驅(qū)動接口----實現(xiàn)對LF2407-A板的電氣隔離保護和步進電機的大電流驅(qū)動，完成電機的實際動作。