基于ARM7和CAN總線的電子送經(jīng)卷取系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文利用性價(jià)比高的主控器ARM7-LPC2194($9.0768)、CAN接收器PCA82C250($0.6186)和TLP2631($0.7920)，設(shè)計(jì)了一種基于ARM7的紡織機(jī)送經(jīng)和卷取系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了送經(jīng)卷取系統(tǒng)總線的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，較好地解決了紡織機(jī)的電子送經(jīng)和卷曲系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸問(wèn)題。另外，本文系統(tǒng)的通信方案，對(duì)于其它工業(yè)測(cè)控領(lǐng)域也是可取的。

針對(duì)紡織機(jī)電子送經(jīng)和卷取系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸效率低等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一套基于CAN總線的送經(jīng)和卷取的系統(tǒng)，該系統(tǒng)以CAN總線為通信方式，利用ARM主控制器，設(shè)計(jì)了電子送經(jīng)和卷取系統(tǒng)的CAN總線通信硬件電路和相關(guān)軟件，實(shí)現(xiàn)了主控結(jié)點(diǎn)與卷取驅(qū)動(dòng)器和送經(jīng)驅(qū)動(dòng)器的高效通信，結(jié)果表明了該方法的有效性和可靠性。

電子送經(jīng)卷取系統(tǒng)是紡織工藝流程的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，其控制性能的優(yōu)劣直接影響著工藝過(guò)程及織機(jī)的效率。然而，通信又是該系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，使得電子送經(jīng)卷取系統(tǒng)通信的設(shè)計(jì)受到國(guó)內(nèi)外紡織公司(德國(guó)的百格拉，意大利的舒美特等公司)的高度重視，提出了多種設(shè)計(jì)方案。然而，中國(guó)用戶仍然面臨著劍桿織機(jī)送經(jīng)和卷取系統(tǒng)的價(jià)格昂貴、操作復(fù)雜，數(shù)據(jù)傳輸效率低等問(wèn)題。

CAN(控制器局域網(wǎng))總線是一種有效支持分布式控制和實(shí)時(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)，與其它通訊相比，其數(shù)據(jù)通信具有突出的靈活性和可靠性。ARM控制器可以滿足一般的工業(yè)控制的需要，其具有減少系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的復(fù)雜度和性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用。因此，針對(duì)國(guó)內(nèi)電子送經(jīng)卷取系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸率低和國(guó)外系統(tǒng)價(jià)格昂貴問(wèn)題，本文采用ARM公司的ARM7一UPC2194和Philips公司的PCA82C250為核心器件，研制開(kāi)發(fā)了一種基于ARM芯片作為主控制器，CAN總線為通信方式的嵌入式電子送經(jīng)卷取系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有響應(yīng)速度快、傳輸效率高等優(yōu)點(diǎn)。

1 送經(jīng)卷取系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

根據(jù)技術(shù)及經(jīng)濟(jì)需求，本設(shè)計(jì)選取ARM7-LPC2194為主控制器，作為CAN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)控制器，(其中LPC2194內(nèi)部集成有四路CAN控制器而不必外接CAN控制器)，應(yīng)用CAN總線技術(shù)和接口電路，實(shí)現(xiàn)了節(jié)點(diǎn)間的高效數(shù)據(jù)交換和傳輸。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)CAN總線的實(shí)現(xiàn)

送經(jīng)卷取系統(tǒng)主要由內(nèi)部集成有四路CAN控制器的ARM7-LPC2194芯片、光電隔離器TLP2631、CAN收發(fā)器PCA82C250及送經(jīng)卷取驅(qū)動(dòng)器等元件組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)的硬件電路圖

本設(shè)計(jì)分別將協(xié)議控制器通過(guò)串行數(shù)據(jù)輸出線TX和串行數(shù)據(jù)輸入線RX連接到光電隔離器TLP2631的3管腳和7管腳，實(shí)現(xiàn)了光電隔離。利用CAN收發(fā)器。PCA82C250將從光電隔離器TLP2631輸出的差動(dòng)的總線信號(hào)轉(zhuǎn)換成邏輯信號(hào)電平并在RxD輸出，接收到的串行數(shù)據(jù)通過(guò)與總線電纜相連的差動(dòng)發(fā)送和接收總線終端CANH和CANL將數(shù)據(jù)送到總線協(xié)議控制器譯碼，完成了普通電平到顯、隱性電平的傳輸。CAN總線獲取顯、隱性電平后，再經(jīng)過(guò) PCA82C250和光電耦合器TLP2631將數(shù)據(jù)傳輸給送經(jīng)驅(qū)動(dòng)器、卷取驅(qū)動(dòng)器的CAN接收端口，從而實(shí)現(xiàn)了基于CAN總線的數(shù)據(jù)傳輸。

2.2 系統(tǒng)抗干擾的設(shè)計(jì)

信號(hào)數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，存在著擾動(dòng)，為此本設(shè)計(jì)采取以下措施來(lái)克服干擾的影響：

1)為了滿足光電隔離的要求，本設(shè)計(jì)在協(xié)議控制器和CAN收發(fā)器之間加入了TLP2631光電隔離器，有效地抑制了傳輸線中由于耦合電容、電感造成的干擾，實(shí)現(xiàn)了不同電平的轉(zhuǎn)換。

2)為了匹配數(shù)據(jù)總線的阻抗和提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目垢蓴_能力，在CAN總線終端的兩端加有兩個(gè)120 Ω總線阻抗匹配電阻。若不接這兩個(gè)電阻，有時(shí)甚至無(wú)法通信。采用屏蔽雙絞線以減少現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境對(duì)結(jié)點(diǎn)的干擾。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

送經(jīng)卷取系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)高效通信的關(guān)鍵，本文的軟件部分主要由數(shù)據(jù)采集程序和CAN總線通信程序設(shè)計(jì)兩部分組成。其中數(shù)據(jù)采集程序可參考文獻(xiàn)，本文重點(diǎn)論述CAN通訊程序的設(shè)計(jì)。

3.1 開(kāi)發(fā)環(huán)境

軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境，選用ADS1.2集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，ADS是ARM微控制器集成開(kāi)發(fā)工具。ADS1.2支持ARM10之前所有ARM系列，支持軟件調(diào)試及 JTAG硬件仿真調(diào)試，支持匯編語(yǔ)言、C/C++源程序;具有編譯效率高、系統(tǒng)庫(kù)功能強(qiáng)等特點(diǎn);可以在WINDOWS 98、WINDOWS XP、WINDOWS 2000上運(yùn)行。

3.2 CAN總線通信主程序的設(shè)計(jì)

本程序采用模塊化結(jié)構(gòu)，來(lái)實(shí)現(xiàn)各結(jié)點(diǎn)間的通信。程序首先對(duì)CAN控制器函數(shù)初始化，其次檢測(cè)是否有接收幀和數(shù)據(jù)異常，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。從而完成 ARM芯片啟動(dòng)代碼的編碼，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。然后，主程序通過(guò)調(diào)用CAN啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)程序提供的接口，便可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的有效傳輸。

圖3 通信主程序流程圖

3.3 CAN控制器函數(shù)初始化

CAN控制器初始化，主要是完成總線的參數(shù)設(shè)置，其主要包括硬件使能、寄存器復(fù)位、波特率及驗(yàn)收濾波器的工作方式等設(shè)置，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 初始化子程序流程圖

硬件使能是通過(guò)寄存器來(lái)控制多路開(kāi)關(guān)并使其與CAN控制器連接，因?yàn)镃AN的某些寄存器必須在軟復(fù)位狀態(tài)下讀寫(xiě)，所以一定要進(jìn)行軟件復(fù)位。

初始化子程序采用的主要函數(shù)如下：

3.4 數(shù)據(jù)接收子程序

接收數(shù)據(jù)可采用查詢方式或中斷方式，本文采用數(shù)據(jù)查詢方式，完成子程序的設(shè)計(jì)，利用旁路濾波器，通過(guò)查詢接收數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，判斷是否接收信息寄存器、標(biāo)識(shí)符寄存器、數(shù)據(jù)寄存器的RX幀。由于接收緩沖區(qū)的容量不大，所以接收緩沖區(qū)接收幀，必須立即進(jìn)入環(huán)形接收緩沖區(qū)，然后再對(duì)環(huán)形接收緩沖區(qū)里的信息進(jìn)行分類(lèi)處理。