摘　要：隨著制造過(guò)程信息化的發(fā)展，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。本文在討論了傳統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)在電子制造設(shè)備中使用問(wèn)題的基礎(chǔ)上，介紹SJA1000的主要特點(diǎn)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，提出了一種基于SJA1000的現(xiàn)場(chǎng)總線多軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)方案，最后設(shè)計(jì)了基于SJA1000的CAN總線通信的硬件系統(tǒng)。 關(guān)鍵詞：運(yùn)動(dòng)控制 CAN總線 網(wǎng)絡(luò)化 SJA1000 1 引言 運(yùn)動(dòng)控制在工業(yè)生產(chǎn)中的作用舉足輕重。伺服控制是運(yùn)動(dòng)控制中的重要分支。尤其21世紀(jì)以來(lái)，市場(chǎng)對(duì)伺服控制產(chǎn)品的需求方興未艾，各行各業(yè)都對(duì)伺服控制產(chǎn)品有著越來(lái)越旺盛的需求，同時(shí)人們對(duì)伺服控制系統(tǒng)性能的要求也越來(lái)越高。 現(xiàn)場(chǎng)總線作為一種先進(jìn)的工業(yè)控制技術(shù)，將當(dāng)今網(wǎng)絡(luò)通信與信息管理的觀念帶入工業(yè)控制領(lǐng)域。單個(gè)分散的測(cè)量控制設(shè)備變成網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，以現(xiàn)場(chǎng)總線為紐帶，將它們連接成可以相互溝通信息、共同完成自控任務(wù)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與控制系統(tǒng)，它是工廠的底層控制網(wǎng)絡(luò)。 根據(jù)國(guó)際IEC1158標(biāo)準(zhǔn)定義，現(xiàn)場(chǎng)總線是一種互連現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化設(shè)備及其控制系統(tǒng)的雙向數(shù)字通信協(xié)議。也就是說(shuō)現(xiàn)場(chǎng)總線是控制系統(tǒng)中底層的通信網(wǎng)絡(luò)具有雙向數(shù)字傳輸功能，在控制系統(tǒng)中允許智能現(xiàn)場(chǎng)裝置全數(shù)字化、多變量、雙向、多節(jié)點(diǎn)，并通過(guò)一條物理媒體互相交換信息。 在近年來(lái)，隨著工業(yè)自動(dòng)化的快速發(fā)展，而使得機(jī)器設(shè)備上的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)出現(xiàn)了以下幾點(diǎn)技術(shù)需求： （1）多軸運(yùn)動(dòng)控制。機(jī)器設(shè)備因自動(dòng)化程度提高而使得單一機(jī)器上所需要的軸數(shù)增多，一臺(tái)設(shè)備上十幾軸是常見(jiàn)的事情。在軸數(shù)變多后，如何協(xié)調(diào)各軸動(dòng)作就是一個(gè)重要的課題。 （2）體積要小。由于廠房空間的限制，機(jī)器的體積要求越小越好，機(jī)器內(nèi)控制器的體積也就被要求愈來(lái)愈小，相對(duì)的走線空間也愈來(lái)愈小。 （3）要更精確。隨著半導(dǎo)體制程已經(jīng)精密到100nm一下，在制程及檢測(cè)相關(guān)設(shè)備所要求的運(yùn)動(dòng)精度也要更精確，其它如LCD設(shè)備，SMD制程設(shè)備也有相同要求。 （4）要更穩(wěn)定。因?yàn)樗性O(shè)備的投資經(jīng)費(fèi)龐大，系統(tǒng)停機(jī)的成本就更顯的突出，因此所有機(jī)器設(shè)備制造商都必須追求系統(tǒng)的穩(wěn)定性。同時(shí)也必須考慮在組件損壞要維修時(shí)，必須能快速替換且不出差錯(cuò)。 綜合以上幾點(diǎn)的需求分析可以看到，既要在一個(gè)控制器內(nèi)進(jìn)行多軸運(yùn)動(dòng)控制，又要控制器的體積更小，配線的維修要更更容易，這些條件看來(lái)是相沖突的。而使用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)便可以解決這些問(wèn)題。 2 SJA1000主要特點(diǎn)及結(jié)構(gòu) SJA1000是一種能應(yīng)用于一般工業(yè)環(huán)境的獨(dú)立CAN總線控制器，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單總線連接可完成報(bào)文控制、數(shù)據(jù)濾波等CAN總線的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的功能。其硬件與軟件設(shè)計(jì)不僅兼容PCA82C200的基本CAN模式BasicCAN，還支持增強(qiáng)CAN模式PeliCAN。 SJA1000的主要特點(diǎn)如下：（1）引腳和電氣特性與獨(dú)立CAN總線控制器PCA82C200完全兼容，使該芯片能應(yīng)用于原有的基于PCA82C200的應(yīng)用中，以達(dá)到性能升級(jí)；（2）軟件與PCA82C200兼容（缺省為基本CAN模式）；（3）擴(kuò)展接收緩沖器（64字節(jié)FIFO），可以存儲(chǔ)高達(dá)21個(gè)報(bào)文，這延長(zhǎng)了最大中斷服務(wù)時(shí)間，避免了數(shù)據(jù)超載；（4）支持CAN2.0B時(shí)，同時(shí)支持11和29位標(biāo)識(shí)符，允許在同一系統(tǒng)應(yīng)用這兩種幀結(jié)構(gòu)；（5）采用24MHz時(shí)鐘頻率，位通訊速率為1Mbits/s；（6）提供了增強(qiáng)CAN模式（PeliCAN）；（7）支持多種微處理器接口，可以支持Intel體系和Motorola體系的不同類(lèi)型處理器；（8）提供可編程CAN輸出驅(qū)動(dòng)配置；（9）工作溫度范圍為-40～+125℃。 SJA1000的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由接口管理邏輯IML、報(bào)文緩沖器（含發(fā)送緩沖器TXB和接收緩沖器RXFIFO）、位流處理器BSP、接收過(guò)濾器ASP、位時(shí)序處理邏輯BTL、錯(cuò)誤管理邏輯EML、內(nèi)部振蕩器及復(fù)位電路等構(gòu)成。IML接收來(lái)自CPU的命令，控制CAN寄存器的尋址并向主控器提供中斷信息及狀態(tài)信息。CPU的控制經(jīng)IML把要發(fā)送的數(shù)據(jù)寫(xiě)入TXB，TXB中的數(shù)據(jù)由BSP處理后經(jīng)BTL輸出到CAN BUS。BTL始終監(jiān)視CAN BUS，當(dāng)檢測(cè)到有效的信息頭“隱性電平－控制電平”的轉(zhuǎn)換時(shí)啟動(dòng)接收過(guò)程，接收的信息首先要由位流處理器BSP處理，并由ASP過(guò)濾，只有當(dāng)接收的信息的識(shí)別碼與ASP檢驗(yàn)相符時(shí)，接收信息才最終被寫(xiě)入RXB或RXFIFO中。RXFIFO最多可以緩存64字節(jié)的數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)可被CPU讀取。EML負(fù)責(zé)傳送層中調(diào)制器的錯(cuò)誤管制，它接收BSP的出錯(cuò)報(bào)告，促使BSP和IML進(jìn)行錯(cuò)誤統(tǒng)計(jì)。 3 CAN總線多軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng) CAN總線（Controller Area Network控制局域網(wǎng)絡(luò)）,是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r(shí)控制的串行通信局域網(wǎng)絡(luò),由于其高性能、高可靠性、實(shí)時(shí)性好及其獨(dú)特的設(shè)計(jì),已廣泛應(yīng)用于控制系統(tǒng)中的各檢測(cè)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間的數(shù)據(jù)通信,已在工控領(lǐng)域興起應(yīng)用熱潮。而交流伺服電機(jī)具有結(jié)構(gòu)緊湊、控制容易、運(yùn)行穩(wěn)定、響應(yīng)快等優(yōu)異特性,已在數(shù)控機(jī)床等重要行業(yè)中,得到了普遍的應(yīng)用。通過(guò)CAN總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸與控制,使伺服電機(jī)的性能更加穩(wěn)定,能更好更靈活地地應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中。 如圖2所示，基于CAN總線的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)與控制系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)相比，有兩個(gè)顯著的特點(diǎn)。第一是其控制對(duì)象為伺服運(yùn)動(dòng)控制對(duì)象，第二是其網(wǎng)絡(luò)化控制器包括CAN總線通信媒介和CAN控制器節(jié)點(diǎn)兩部分。多個(gè)CAN控制器節(jié)點(diǎn)通過(guò)CAN總線通信媒介平行互聯(lián)為一個(gè)單層結(jié)構(gòu)的基于CAN總線的伺服運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，當(dāng)需要更多軸運(yùn)動(dòng)控制時(shí)，只需要簡(jiǎn)單的再增加新運(yùn)動(dòng)控制節(jié)點(diǎn)，把新的運(yùn)動(dòng)控制節(jié)點(diǎn)作為新的CAN總線節(jié)點(diǎn)掛接到CAN總線上就可以形成一個(gè)分布式多軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，而且無(wú)需在硬件上對(duì)原有的運(yùn)動(dòng)控制節(jié)點(diǎn)做任何的修改。也可通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)關(guān)與IE（Industry Ethernet）或Intranet/Internet上下互聯(lián)為一個(gè)多層結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)化伺服運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。 基于CAN總線運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，主要工作在于對(duì)CAN控制器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)，包括硬件和軟件兩部分。硬件設(shè)計(jì)，主要在于選擇合適的芯片和硬件電路分別設(shè)計(jì)圖2所示，CAN控制器節(jié)點(diǎn)的5個(gè)基本組成部分，即主控制器、主控制器與傳感器/執(zhí)行器的接口模塊、主控制器與CAN總線控制器的接口模塊、CAN總線控制器和CAN總線收發(fā)器。軟件設(shè)計(jì)，主要工作在于選擇合適的系統(tǒng)軟件和應(yīng)用開(kāi)發(fā)軟件分別設(shè)計(jì)各種接口驅(qū)動(dòng)軟件、系統(tǒng)管理軟件和控制功能軟件。 4 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 主控制器筆者采用AT89C51單片機(jī)作為處理核心，采用PCA82C250作為CAN總線收發(fā)器，圖3給出了基于SJA1000的CAN總線系統(tǒng)電路圖。為了增強(qiáng)抗干擾能力，SJA1000的TX0和RX0引腳并沒(méi)有直接和PCA82C250的TXD,RXD相連接，而是通過(guò)高速光耦6N137后與PCA82C250相連，這樣可以實(shí)現(xiàn)總線上各CAN節(jié)點(diǎn)之間的電氣隔離，光耦6N137的兩側(cè)使用完全獨(dú)立的兩組電源VCC和+5V。 SJA1000與單片機(jī)的接口比較簡(jiǎn)單，AD0～AD7直接連接到AT89C51的P0端口，RD、WR和ALE信號(hào)也直接和AT89C51的相應(yīng)引腳進(jìn)行連接，MODE接+5V設(shè)置SJA100控制器為Interl模式。SJA1000的片選信號(hào)CS由AT89C51的P2.0決定，因此系統(tǒng)中SJA1000的尋址空間從地址0開(kāi)始，可以使用此地址加上SJA1000內(nèi)部寄存器地址的偏移量來(lái)訪問(wèn)SJA1000內(nèi)部RAM空間。SJA1000的中斷輸出信號(hào)INT與AT89C51的INT0引腳相連，以便AT89C51以中斷方式或查詢(xún)方式對(duì)報(bào)文收發(fā)作出響應(yīng)。 在電路的設(shè)計(jì)中采用了電源電壓和地信號(hào)的隔離。圖3給出2組不同電源電壓+5V和VDD,其中+5V用于AT89C51,SJA1000數(shù)字邏輯和其他數(shù)字邏輯器件供電，VDD用于總線收發(fā)器PCA82C250及6N137另一側(cè)的供電。與此相對(duì)應(yīng)，接口模塊使用了2組不同的地信號(hào)。 5 結(jié)束語(yǔ) 本文分析傳統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的不足之處，提出了基于SJA1000的CAN總線的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)方案，為交流伺服的網(wǎng)絡(luò)化研究和應(yīng)用作出了一次有益的新探索。CAN總線可以很好地滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)總線運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)響應(yīng)的較高要求，同時(shí)使用CAN總線還使得系統(tǒng)具有很好的擴(kuò)展性能。這樣為向多軸或多點(diǎn)的分布式運(yùn)動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)發(fā)展打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。