基于DSP和CAN總線的分布式電機(jī)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(cè)及控制的局域網(wǎng)。最初由德國(guó)Bosch公司用于汽車的監(jiān)控系統(tǒng)而設(shè)計(jì)，具有良好的功能特性和極高的可靠性，現(xiàn)場(chǎng)抗干擾能力極強(qiáng), 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(chǔ)器容量大，A/D轉(zhuǎn)換速度快等特點(diǎn)，是基于工業(yè)控制而設(shè)計(jì)的DSP（數(shù)字信號(hào)處理）類芯片。LF2407A以其豐富的集成外設(shè)，提供了電機(jī)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(shí)現(xiàn)分布式工業(yè)監(jiān)控局域網(wǎng)絡(luò)提供了一個(gè)解決方案。

　　CAN總線簡(jiǎn)介

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

　　區(qū)別與傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)采用按控制回路進(jìn)行一對(duì)一連接的方法，現(xiàn)場(chǎng)總線采用智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，具有運(yùn)算、控制和通信功能，可以在現(xiàn)場(chǎng)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(jī)及其它現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)可徹底的分布式控制。

　　CAN總線特點(diǎn)：

　　1系統(tǒng)的開放性。2現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備具有高度的自治性和智能化的特點(diǎn)。3系統(tǒng)的高度分散性。4對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的適應(yīng)性強(qiáng)。

　　CAN節(jié)點(diǎn)的分層結(jié)構(gòu)

• 　　CAN對(duì)象層(the object layer)
• 　　CAN傳輸層(the transfer layer)
• 　　物理層(the physical layer)

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

圖1 CAN節(jié)點(diǎn)分層結(jié)構(gòu)

　　LF2407A簡(jiǎn)介

　　DSP(Digital Signal Processing)數(shù)字信號(hào)處理，是以數(shù)字形式對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集、變換、濾波、估值、增強(qiáng)、壓縮、識(shí)別等處理，以得到符合人們需要的信號(hào)形式。LF2407A是一款新型工控型數(shù)字信號(hào)處理芯片，具有如下特點(diǎn)：

　　一、芯片特點(diǎn):

　　1) 32位CPU，32位ALU，16*16位并行乘法器，3個(gè)定標(biāo)移位器，8個(gè)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(chǔ)器尋址范圍；

　　2) 四級(jí)流水線操作，八級(jí)硬件堆棧，五個(gè)外部中斷；

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

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

　　5) 41個(gè)可單獨(dú)編程的多路復(fù)用I/O引腳；基于鎖相環(huán)電路（PLL）的時(shí)鐘模塊；帶實(shí)時(shí)中斷的看門狗定時(shí)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(gè)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(biāo)準(zhǔn)格式和擴(kuò)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 2 LF2407-A CAN模塊框圖

　　CAN控制/狀態(tài)寄存器部分包含16個(gè)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(duì)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(shí)現(xiàn)控制幀結(jié)構(gòu)、執(zhí)行仲裁、錯(cuò)誤檢測(cè)、出錯(cuò)標(biāo)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(duì)總線提供差動(dòng)發(fā)送能力，對(duì)CAN 控制器提供差動(dòng)接收能力，符合“ISO11898 ”標(biāo)準(zhǔn)。

　　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　本系統(tǒng)為一個(gè)基于分布式現(xiàn)場(chǎng)總線CAN總線進(jìn)行通訊，以DSP為微控制器的電機(jī)控制系統(tǒng)。為一個(gè)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(diǎn)結(jié)合起來的分布式工業(yè)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)主體分為兩部分：其一執(zhí)行部件：LF2407-A控制電機(jī)動(dòng)作；其二為網(wǎng)絡(luò)通訊：CAN實(shí)現(xiàn)分布式監(jiān)控通信。

　　節(jié)點(diǎn) 1 節(jié)點(diǎn)

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(jī)與CAN總線接口層----實(shí)現(xiàn)PC機(jī)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(shí)現(xiàn)；第二層、CAN總線與DSP控制器LF2407接口層----實(shí)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(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)接口----實(shí)現(xiàn)對(duì)LF2407-A板的電氣隔離保護(hù)和步進(jìn)電機(jī)的大電流驅(qū)動(dòng)，完成電機(jī)的實(shí)際動(dòng)作。

　　PC機(jī)作為該系統(tǒng)的上位機(jī)，有效的利用PC機(jī)計(jì)算能力強(qiáng)、容量大、人機(jī)界面良好的優(yōu)點(diǎn)。PC-CAN是具有高性能價(jià)格比的智能CAN總線通訊適配卡，它使PC機(jī)方便的連接到CAN總線上，實(shí)現(xiàn)CAN總線與主機(jī)PC的高速數(shù)據(jù)交換。PC-CAN上自帶光電隔離，保護(hù)PC機(jī)避免由于地環(huán)流的損壞，增強(qiáng)系統(tǒng)在惡劣環(huán)境中使用的可靠性。

　　PCA82C250: 為L(zhǎng)F2407內(nèi)嵌式CAN 控制器與CAN 總線的接口收發(fā)器。8腳，高速，可達(dá)1Mbps傳輸速率。它提供了對(duì)CAN總線的差動(dòng)發(fā)送能力以及對(duì)CAN控制器的差動(dòng)接收能力。

圖5 DSP 2407－A與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)接口

　　驅(qū)動(dòng)電路接口實(shí)現(xiàn)了DSP芯片與步進(jìn)電機(jī)之間的電氣隔離，保護(hù)了DSP芯片的安全性，又完成了從DSP輸出弱電流（不足10mA）到步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)所需的大電流（+1.5A）的轉(zhuǎn)換，提供電機(jī)所需驅(qū)動(dòng)電流。其中，TLP521為DSP與步進(jìn)電機(jī)之間的光電隔離耦合器，它起了電平隔離作用，保護(hù)了DSP芯片，又完成了信號(hào)轉(zhuǎn)換。RIF530 為VMOS管，是步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電流開關(guān)。

　　CAN 總線物理層：CAN 的物理鏈接通信介質(zhì)可采用雙絞線、同軸電纜或光纖。采用非破壞性的基于優(yōu)先權(quán)的總線仲裁方式。在本系統(tǒng)中，以雙絞線作為通信介質(zhì)。

　　軟件設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)是完成基于CAN總線的分布式控制系統(tǒng)的關(guān)鍵所在。CAN總線的多機(jī)通訊由軟件編程實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接受和發(fā)送。在兩塊LF2407-A板上實(shí)現(xiàn)兩節(jié)點(diǎn)通訊：一塊為本地節(jié)點(diǎn)，接受遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)的請(qǐng)求數(shù)據(jù)幀，并發(fā)送數(shù)據(jù)幀；另一塊為遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)，發(fā)送一個(gè)請(qǐng)求幀以請(qǐng)求遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)。

　　主要分為：1、電機(jī)控制系統(tǒng)整體---實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)初始化，并生成電機(jī)控制頻率信號(hào)，以中斷方式實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制字的修改，延時(shí)子程序?qū)崿F(xiàn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制，初始化CAN模塊。2、CAN 發(fā)送一個(gè)遠(yuǎn)程幀請(qǐng)求-----初始化CAN請(qǐng)求幀，令CAN郵箱3為發(fā)送請(qǐng)求幀郵箱，CAN郵箱0為接收數(shù)據(jù)幀郵箱。郵箱3發(fā)送一個(gè)請(qǐng)求幀請(qǐng)求電機(jī)控制字?jǐn)?shù)據(jù)，當(dāng)查詢到接收?qǐng)?bào)文標(biāo)志位為1時(shí)（RMP=1），郵箱0接收數(shù)據(jù)。3、CAN 初始化一個(gè)自動(dòng)回答遠(yuǎn)程幀請(qǐng)求----初始化CAN自動(dòng)回答遠(yuǎn)程幀請(qǐng)求，令CAN郵箱3為發(fā)送郵箱。當(dāng)接受到一個(gè)遠(yuǎn)程請(qǐng)求時(shí)，發(fā)送一幀數(shù)據(jù)。以下以CAN 初始化一個(gè)自動(dòng)回答遠(yuǎn)程幀請(qǐng)求為例給出軟件程序流程圖，見圖6。

圖6 CAN 初始化一個(gè)自動(dòng)回答遠(yuǎn)程幀請(qǐng)求程序流程圖

　　結(jié)束語(yǔ)

　　本文研究了基于CAN總線的分布式電機(jī)控制系統(tǒng)的組成和實(shí)現(xiàn)。將DSP的高速處理能力與CAN現(xiàn)場(chǎng)總線的高可靠性和高穩(wěn)定性結(jié)合起來，對(duì)于構(gòu)建新型實(shí)時(shí)快速響應(yīng)分布式工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)提供了一個(gè)較好的解決方案。尤其針對(duì)本款工控芯片LF2407A的內(nèi)嵌模塊：脈沖寬度編碼PWM,比較單元CMP，捕獲單元CAP，積分編碼脈沖QEP單元等提供了直流交流電機(jī)的直接控制應(yīng)用,免去以往在單片機(jī)控制系統(tǒng)中所需作的大量繁瑣的算法編程,有效的加快工控系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用.