CAN總線在波動(dòng)仿生推進(jìn)器中的應(yīng)用

　　為進(jìn)一步提高CAN總線的可靠性，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采取了一系列的抗干擾措施。一方面將SJA1000與82C250通過(guò)高速光耦6N137相連，從而實(shí)現(xiàn)了CAN總線上各CAN節(jié)點(diǎn)的電氣隔離。另一方面，在82C250與CAN物理總線的接口部分也采用一定的安全和抗干擾措施。比如，82C250的CANH和CANL引腳各自通過(guò)一個(gè)5Ω的電阻與CAN總線相連，可起到一定的限流作用，保護(hù)82C250免受過(guò)流的沖擊;CANH和CANL與地之間分別并聯(lián)一個(gè)30P的小電容，可以起到濾除總線上的高頻干擾和一定的防電磁輻射的能力;CANH和CANL與地之間分別反接了一個(gè)保護(hù)二極管，這樣，當(dāng)CAN總線有較高的負(fù)電壓時(shí)，通過(guò)二極管的短路可起到一定的過(guò)壓保護(hù)作用。

　　另外，為了保護(hù)各CAN節(jié)點(diǎn)控制端不受電機(jī)端的影響，在單片機(jī)與電機(jī)接口處均采用了基于6N137的光電隔離方案。這樣，當(dāng)伺服電機(jī)端有大電壓電流產(chǎn)生時(shí)，由于光耦的保護(hù)作用，不會(huì)對(duì)控制端產(chǎn)生較大影響。

　　在應(yīng)用光電隔離方案時(shí)要注意的一個(gè)重要問(wèn)題是要必須確保光耦兩端的兩個(gè)電源完全隔離，否則光電隔離將起不到其應(yīng)有的保護(hù)作用。在本系統(tǒng)中，通過(guò)采用廣州金升陽(yáng)公司的小功率電源隔離模塊B0505S-1W很好地實(shí)現(xiàn)了各電源之間的完全隔離。

3CAN網(wǎng)絡(luò)的軟件設(shè)計(jì)

　　CAN網(wǎng)絡(luò)的軟件主要包括三部分：初始化設(shè)計(jì)、通信設(shè)計(jì)、電機(jī)協(xié)調(diào)控制設(shè)計(jì)。下面從CAN控制節(jié)點(diǎn)的角度對(duì)它們進(jìn)行說(shuō)明。

　　3.1初始化設(shè)計(jì)

　　CAN網(wǎng)絡(luò)的初始化包括對(duì)微控制器內(nèi)部資源的初始化和CAN控制器SJA1000的初始化。微控制器的內(nèi)部資源包括程序中使用的各控制變量、定時(shí)器、外部中斷、串口等，需要在程序進(jìn)入正常工作前對(duì)它們進(jìn)行合理的設(shè)置。這里重點(diǎn)對(duì)SJA1000的初始化進(jìn)行說(shuō)明。

　　SJA1000的初始化只能在復(fù)位模式下進(jìn)行。其主要內(nèi)容包括工作方式的設(shè)置、接收濾波方式的設(shè)置、接收屏蔽寄存器和接收代碼寄存器的設(shè)置、波特率參數(shù)的設(shè)置、中斷允許寄存器的設(shè)置等等。在完成SJA1000的初始化設(shè)置之后，應(yīng)使SJA1000回到工作模式，進(jìn)行正常的通信任務(wù)。圖3是SJA1000的初始化流程圖。需要特別引起注意的是，在同一個(gè)CAN網(wǎng)絡(luò)中，各個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)必須設(shè)置成相同的波特率，否則無(wú)法進(jìn)行CAN通信。

　　3.2通信設(shè)計(jì)

　　CAN網(wǎng)絡(luò)能否正常工作很大程度上取決于基于CAN總線的發(fā)送和接收程序能否正確設(shè)計(jì)。跟大多數(shù)的通信過(guò)程一樣，CAN的發(fā)送和接收也分為查詢和中斷兩種方式。在本系統(tǒng)中，發(fā)送采用查詢方式，接收采用中斷方式。發(fā)送時(shí)用戶只需將待發(fā)送的數(shù)據(jù)按特定格式組合成一幀報(bào)文，送入SJA1000的發(fā)送緩存區(qū)中，然后啟動(dòng)SJA1000發(fā)送即可。其間需要對(duì)CAN總線的發(fā)送緩存區(qū)狀態(tài)進(jìn)行判斷。發(fā)送流程如圖4。

　　在PeliCAN模式中，SJA1000有8個(gè)不同的中斷，接收中斷是其中的一個(gè)。一旦CAN產(chǎn)生中斷，SJA1000就將中斷輸出設(shè)為低電平，直到主控制器通過(guò)讀SJA1000的中斷寄存器對(duì)中斷采取相應(yīng)措施，或釋放接收緩存器后產(chǎn)生接收中斷。在主控制器完成該動(dòng)作后，SJA1000將輸出中斷跳到高電平。處理中斷請(qǐng)求的握手信號(hào)或兩個(gè)中斷之間的高電平脈沖要求主控制器的中斷由電平觸發(fā)。中斷接收的流程如圖5所示。相比發(fā)送子程序而言，它除了進(jìn)行單純的數(shù)據(jù)幀接收之外，還要對(duì)中斷運(yùn)行寄存器中允許引起中斷的各種錯(cuò)誤（比如總線脫落、錯(cuò)誤報(bào)警、接收溢出等）進(jìn)行判斷并作相應(yīng)處理。在波動(dòng)仿生推進(jìn)器的應(yīng)用里，設(shè)置了接收中斷和數(shù)據(jù)溢出中斷，并在主程序里定時(shí)檢測(cè)總線狀態(tài)，如果發(fā)現(xiàn)總線脫離，則對(duì)SJA1000進(jìn)行復(fù)位處理。

　　3.3電機(jī)協(xié)調(diào)控制設(shè)計(jì)

　　波動(dòng)仿生推進(jìn)器單柔性長(zhǎng)鰭的波動(dòng)控制要求其多電機(jī)系統(tǒng)按照設(shè)定的波動(dòng)參數(shù)帶動(dòng)多個(gè)鰭條形成相應(yīng)的波形。由于采用了高性能的伺服電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器，我們可以很精確的控制電機(jī)的運(yùn)行速度，故在形成了各電機(jī)之間按設(shè)定波長(zhǎng)要求的相位差之后，只要保持各個(gè)電機(jī)之間速度的嚴(yán)格同步，就可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)電機(jī)之間的協(xié)調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)。為此，需要在各個(gè)電機(jī)控制節(jié)點(diǎn)里預(yù)先設(shè)置一些相關(guān)的控制原語(yǔ)，如電機(jī)原點(diǎn)定位、相位調(diào)整、速度設(shè)定、方向設(shè)定以及停機(jī)等基本電機(jī)控制指令。主控模塊PC/104通過(guò)對(duì)這些控制原語(yǔ)的合理調(diào)用，便可實(shí)現(xiàn)各種類型的波形。

　　另一種更合理可靠的方法是，各電機(jī)控制節(jié)點(diǎn)采集伺服電機(jī)上增量編碼器的角度脈沖信號(hào)，經(jīng)過(guò)解析將角度數(shù)字信號(hào)送往PC/104。在每個(gè)控制周期內(nèi)，PC/104對(duì)這些角度信號(hào)進(jìn)行綜合處理，通過(guò)一定的協(xié)調(diào)機(jī)制來(lái)實(shí)時(shí)修改對(duì)電機(jī)的控制量。由于CAN總線在一定條件下其最高通信速率可達(dá)1Mbps，通過(guò)設(shè)定適當(dāng)?shù)目刂浦芷?，可以滿足本系統(tǒng)的需要。

4結(jié)論

　　本文設(shè)計(jì)的CAN總線系統(tǒng)在波動(dòng)仿生推進(jìn)器的波動(dòng)控制中得到了成功應(yīng)用。與基于RS-232總線的控制系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)在通信的可靠性和快速性上體現(xiàn)出了較大優(yōu)勢(shì)。在通信速率為250Kbps以及13個(gè)底層節(jié)點(diǎn)的情況下，通過(guò)實(shí)際反復(fù)的靜水和航行試驗(yàn)表明其通信效果完全可以滿足系統(tǒng)的需要，同時(shí)該CAN總線系統(tǒng)也具備良好的波形控制和狀態(tài)監(jiān)測(cè)功能。

　　本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：基于CAN總線技術(shù)設(shè)計(jì)了新型的波動(dòng)仿生推進(jìn)器控制系統(tǒng)，給出了詳細(xì)的軟硬件設(shè)計(jì)方案，并對(duì)多個(gè)電機(jī)的協(xié)調(diào)控制作了相應(yīng)分析。