引言

由于can總線的系統(tǒng)集成特點，基于汽車車身控制系統(tǒng)的can總線技術(shù)應(yīng)用范圍已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越汽車控制領(lǐng)域，擴展到了機械工業(yè)、家用電器及傳感器等各種其它測控領(lǐng)域，被國際公認(rèn)為是重要的的工業(yè)現(xiàn)場總線。作為運動控制對象，步進(jìn)電動機作為一種將離散的電脈沖信號轉(zhuǎn)化成角位移的機械執(zhí)行裝置，具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、定位精度高和無誤差累積等優(yōu)點，已被廣泛應(yīng)用于各種自動控制系統(tǒng)中。隨著微型計算機和微電子技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電機的這一性能必將得到更為廣泛的應(yīng)用。因此對于can總線的步進(jìn)電動機控制研究具有十分明顯的現(xiàn)實意義。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

該系統(tǒng)可由一臺pc機作為命令發(fā)送主機，通過bus-can接口轉(zhuǎn)換模塊接入can總線，各節(jié)點是有單片機控制的具有can總線數(shù)據(jù)收發(fā)功能的模塊，來控制步進(jìn)電機驅(qū)動器及電機終端。在pc機的應(yīng)用層根據(jù)事先規(guī)定的格式把數(shù)據(jù)由usb接口發(fā)送給基于usb總線的通用設(shè)備接口芯片ch372的usb-can接口轉(zhuǎn)換模塊上的單片機，單片機處理之后，再把數(shù)據(jù)傳送到連接著各個步進(jìn)電機驅(qū)動器的節(jié)點的can總線上，各個節(jié)點的控制模塊根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理，實現(xiàn)對步進(jìn)電機的速度、正反轉(zhuǎn)及行程控制。圖1為本設(shè)計的系統(tǒng)方案圖。

圖1 系統(tǒng)總體方案圖

3 硬件設(shè)計方案

系統(tǒng)的硬件包括usb-can接口模塊和can節(jié)點接收模塊電路的設(shè)計。

3.1 usb-can接口模塊電路的設(shè)計

bus-can接口模塊主要是由51單片機、ch372、sja1000及82c250組成，主機通過ch372把數(shù)據(jù)發(fā)送到單片機，單片機再把數(shù)據(jù)通過sja1000發(fā)送到can總線上。圖2中給出了從pc機的usb口到can總線的主要元件及其連接。圖2及圖3中的vdd、vcc均為+5v直流電源，ch372有支持兩種電源，+5v和+3.3v，本設(shè)計中使用的是+5v，可以直接從usb口獲得，簡化了電路設(shè)計。與單片機連接的ch372和sja1000通過片選信號實現(xiàn)互不干涉的讀寫過程，完成各自的任務(wù)。

圖2 usb-can接口轉(zhuǎn)換模塊原理圖

can控制要實現(xiàn)其功能，必須具有外圍擴展接口，構(gòu)成完整的can通信系統(tǒng)，本設(shè)計選用pca82c250器件作為can控制器的sja1000和物理總線間的接口，提供總線的差動發(fā)送和接收能力，處理來自canh和canh線的信號，并將處理后的信號傳至控制單元的can接收區(qū)。為了保護(hù)芯片并提高抗干擾能力，在控制器sja1000和82c250之間加入高速光電隔離器6n137。can總線網(wǎng)絡(luò)兩端要接120歐姆的匹配電阻，可大大的提高通信的抗干擾性和可靠性。

3.2 can節(jié)點模塊電路的設(shè)計

can節(jié)點模塊的can接口部分與usb-can接口轉(zhuǎn)換模塊的can接口部分的電路設(shè)計是一樣的，如圖3所示。單片機把接收到的數(shù)據(jù)處理之后，從p1.0、p1.1表現(xiàn)出來，分別輸出電機轉(zhuǎn)動方向信號和頻率及個數(shù)一定的pwm脈沖信號提供給電機驅(qū)動器，實現(xiàn)電機的控制。為了提高抗干擾能力，加光電隔離器tlp5621，因為輸出的數(shù)字信號頻率不是很高，tlp5621的轉(zhuǎn)換時間已滿足要求。為了電機運行的安全性，可在電機負(fù)載周圍合適的位置設(shè)置兩個機械急停按鈕，負(fù)載發(fā)生故障時按下按鈕，通知單片機停止pwm輸出，實現(xiàn)電機故障急停。

圖3 can節(jié)點模塊電路原理圖

4 軟件設(shè)計方案

4.1 通信協(xié)議

pc機客戶端應(yīng)用軟件發(fā)送相應(yīng)的控制命令后，利用計算機應(yīng)用層提供的ch372接口協(xié)議，usb端口會依次向下發(fā)送一個或多個雙字節(jié)的數(shù)據(jù)信息，兩個模塊中的單片機處理各自接收到的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)電機控制。每一個雙字節(jié)數(shù)據(jù)位的定義如下：

(1)電機選擇：每一個不同的高字節(jié)數(shù)據(jù)和各個can節(jié)點的sja1000中的驗收代碼寄存器的值一一對應(yīng)，可以使低字節(jié)的控制命令準(zhǔn)確的到達(dá)對應(yīng)的電機驅(qū)動器。

(2) 電機啟停選擇：1為啟動，0為停止。

(3) 電機正反轉(zhuǎn)選擇：1為正轉(zhuǎn)，0為反轉(zhuǎn)。

(4) 電機速度選擇：從00到11分別設(shè)有四個檔位的速度。通過改變脈沖周期改變速度。

(5) 電機行程選擇：從0000到1111分別代表十六個不同行程的脈沖數(shù)。

4.2 軟件流程

pc機發(fā)送的每一個雙字節(jié)數(shù)據(jù)都是先發(fā)高字節(jié)，后發(fā)低字節(jié)，usb總線接口芯片ch372選用單向數(shù)據(jù)流通訊方式，接收完數(shù)據(jù)塊后，以外部中斷請求方式通知單片機接收數(shù)據(jù)，單片機應(yīng)答后進(jìn)入中斷服務(wù)程序，把接收到第一個雙字節(jié)數(shù)據(jù)的高字節(jié)寫入正處在復(fù)位模式的can控制器sja-1000的數(shù)據(jù)發(fā)送緩沖區(qū)的標(biāo)識碼字節(jié)1的地址，低字節(jié)寫入can控制器sja1000的數(shù)據(jù)發(fā)送緩沖區(qū)的tx數(shù)據(jù)1的地址，can控制器sja1000由復(fù)位模式進(jìn)入工作模式，并發(fā)送數(shù)據(jù)到can總線，數(shù)據(jù)發(fā)送完畢并對方收到后，can控制器回到復(fù)位狀態(tài)，把接收到的下一雙字節(jié)數(shù)據(jù)的高字節(jié)寫入正處在復(fù)位模式的can控制器sja1000的數(shù)據(jù)發(fā)送緩沖區(qū)的標(biāo)識碼字節(jié)1的地址，低字節(jié)寫入can控制器sja1000的數(shù)據(jù)發(fā)送緩沖區(qū)的tx數(shù)據(jù)1的地址，can控制器sja1000由復(fù)位模式重新進(jìn)入工作模式，并發(fā)送數(shù)據(jù)到can總線……，直到讀到的ch372緩沖區(qū)中所有數(shù)據(jù)發(fā)送完畢，單片機退出中斷，等待下一次中斷。圖4為轉(zhuǎn)換模塊程序流程。

在can節(jié)點模塊數(shù)據(jù)接收端，單片機接收到saj1000緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)后，通知對方收到數(shù)據(jù)并清空sja1000接收緩沖區(qū)，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，通過單片機i/o口控制電機動作，數(shù)據(jù)處理完后，準(zhǔn)備下次數(shù)據(jù)接收。圖5為can節(jié)點模塊流程。

圖4 usb-can模塊流程

圖5 can節(jié)點模塊流程

5 結(jié)束語

can現(xiàn)場總線具有通信距離遠(yuǎn)、傳輸速度快的特點，該系統(tǒng)可實現(xiàn)對電機的全集成數(shù)字控制。基于步進(jìn)電機行程的可控性，本系統(tǒng)可實現(xiàn)對運動對象的精確位置控制。此外，可以在can節(jié)點模塊上多加幾路限位等機械急停按鈕，使電機更加安全、可靠的運行。