CAN總線實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床的網(wǎng)絡(luò)化

　　目前,國(guó)內(nèi)數(shù)控加工多為分散加工,采用傳統(tǒng)的NC代碼輸入方式,網(wǎng)絡(luò)化程度低,已無法滿足生產(chǎn)需求。國(guó)內(nèi)外也研究了多種數(shù)控機(jī)床聯(lián)網(wǎng)通信方案,但在成本和性能上難以做到均衡。

　　CAD與CAM技術(shù)的成熟使CAD/CAM系統(tǒng)可以直接生成控制機(jī)床加工的數(shù)控NC代碼,從而利用DNC實(shí)現(xiàn)車間自動(dòng)化生產(chǎn)。采用CAN總線組網(wǎng)通信,連接分散的數(shù)控機(jī)床,可以用較低的成本實(shí)現(xiàn)DNC直接數(shù)字控制。通過該系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)多臺(tái)數(shù)控機(jī)床并行加工,可實(shí)現(xiàn)數(shù)控加工行業(yè)的網(wǎng)絡(luò)化、高效化和自動(dòng)化,具有廣泛的應(yīng)用前景。

1　方案設(shè)計(jì)

圖1　DNC網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

　　圖1為數(shù)控機(jī)床DNC網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。各計(jì)算機(jī)工作站位于CAD/CAM部門,通過局域網(wǎng)互聯(lián),其中一臺(tái)計(jì)算機(jī)作為主控服采用C8051F040微控制器為核心設(shè)計(jì)通信節(jié)點(diǎn)電路。C8051F040是混合信號(hào)SOC型8位MCU,兼容8051系列指令務(wù)器,負(fù)責(zé)數(shù)控機(jī)床的管理和控制。各工作站設(shè)計(jì)生成的NC程序通過局域網(wǎng)發(fā)送到服務(wù)器,再經(jīng)CAN總線傳輸至機(jī)床,控制相應(yīng)機(jī)床加工;各機(jī)床上存儲(chǔ)的NC程序及機(jī)床狀態(tài)監(jiān)控信息也可通過相反的路徑上傳至有關(guān)計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。服務(wù)器與通信節(jié)點(diǎn)間以及機(jī)床與通信節(jié)點(diǎn)間為近距離傳輸,為簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu),采用通用標(biāo)準(zhǔn)RS232接口通信。

2　硬件電路設(shè)計(jì)

　　硬件電路設(shè)計(jì)主要是通信節(jié)點(diǎn)電路設(shè)計(jì)。實(shí)際上是一個(gè)CAN /RS232接口電路。此電路有兩個(gè)通信接口:一個(gè)是CAN總線接口,連接CAN總線;另一個(gè)是RS232接口,連接數(shù)控機(jī)床或工控機(jī)的RS232接口。

　　采用C8051F040 微控制器為核心設(shè)計(jì)通信節(jié)點(diǎn)電路。C8051F040是混合信號(hào)SOC型8位MCU,兼容8051系列指令集,采用流水線處理結(jié)構(gòu),平均指令速率達(dá)5 M IPS,集成4 KBRAM、64 K Flash ROM、CAN控制器、UART串口,非常適合該電路要求,幾乎無需擴(kuò)展外圍芯片,可節(jié)省大量硬件開銷。C8051F040內(nèi)部的CAN控制器符合Bosch規(guī)范2. 0A (基本CAN)和2. 0B (全功能CAN) ,方便了CAN 網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計(jì)。CAN控制器包含1 個(gè)CAN 核、消息RAM (獨(dú)立于C8051 的RAM) 、1個(gè)消息處理狀態(tài)機(jī)及控制寄存器。CAN控制器可以工作在高達(dá)1M bit/ s速率,有32個(gè)消息對(duì)象,每個(gè)消息對(duì)象有其標(biāo)識(shí)掩碼,用于過濾接收到的消息。輸入數(shù)據(jù)、消息對(duì)象和標(biāo)識(shí)掩碼存儲(chǔ)在CAN消息RAM中。與數(shù)據(jù)發(fā)送和接收過濾有關(guān)的所有協(xié)議處理均由CAN控制器完成,不需C8051 MCU干預(yù),這使用于CAN通信的CPU帶寬最小。

　　C8051通過特殊功能控制器(SFR)配置CAN控制器,讀取接收的數(shù)據(jù),寫入要發(fā)送的數(shù)據(jù)。CAN控制器結(jié)構(gòu)圖見圖2。

圖2　CAN控制器結(jié)構(gòu)

　　CAN總線完成下位機(jī)各部分間的通信以及各下位機(jī)與上位機(jī)之間的通信。由于C8051F040集成的CAN控制器只是個(gè)協(xié)議控制器,不能提供物理層驅(qū)動(dòng),應(yīng)用時(shí)需外加CAN總線收發(fā)器,采用PCA82C250收發(fā)器作為CAN控制器和物理總線間的接口芯片,它可以增強(qiáng)總線驅(qū)動(dòng)能力,提高總線差動(dòng)發(fā)送和接收能力,從而增加通信距離并擴(kuò)充節(jié)點(diǎn)數(shù)量。

　　RS - 232 驅(qū)動(dòng)芯片采用MAX232,實(shí)現(xiàn)RS - 232 電平和TTL電平之間的轉(zhuǎn)換。C8051F040內(nèi)部駐有CAN通信協(xié)議,主要負(fù)責(zé)對(duì)CAN接口芯片的初始化和控制,完成CAN總線協(xié)議和RS - 232通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)傳輸。通信節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3　通信節(jié)點(diǎn)的硬件框圖

　　為增強(qiáng)抗干擾能力,采用了高速光電耦合器6N137 隔離C8051F040MCU和PCA82C250的通信端口,實(shí)現(xiàn)總線上節(jié)點(diǎn)間的電氣隔離,增強(qiáng)了穩(wěn)定性和安全性。在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)惡劣環(huán)境下,不僅通信線路需隔離,供電也必須隔離,否則光耦兩側(cè)的噪聲信號(hào)將通過電源線耦合。文中采用專門為通信接口設(shè)計(jì)的隔離電源器件MAX253。其輸出端連接有中心抽頭的隔離變壓器原邊, 變壓器副邊即可提供隔離側(cè)電源, 功率可達(dá)1 W.MAX253的SD控制端可連接MCU作為選通信號(hào),空閑時(shí)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)降低功耗。電源原理圖如圖4所示。

圖4　隔離電源

3 軟件設(shè)計(jì)

　　軟件設(shè)計(jì)包括2部分內(nèi)容:下位機(jī)CAN通信軟件和上位機(jī)服務(wù)器軟件。CAN 通信軟件主要有兩方面功能: 一是對(duì)C8051F040內(nèi)部CAN控制器的相關(guān)寄存器進(jìn)行初始化配置,包括協(xié)議寄存器,消息對(duì)象接口寄存器,消息處理器寄存器等;二是控制收發(fā)緩沖區(qū)的讀寫,完成數(shù)據(jù)交換。

　　處理器將上位機(jī)送來的控制指令或NC程序,通過寫入內(nèi)部的CAN數(shù)據(jù)寄存器來傳送給下位機(jī)數(shù)控機(jī)床,又可讀取機(jī)床寫入寄存器的數(shù)據(jù)發(fā)送給控制服務(wù)器。因此, CAN通信軟件主要包括系統(tǒng)初始化程序、發(fā)送程序、接收程序等。采用C結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)方案,具有較好的模塊性和可移植性,對(duì)不同系統(tǒng)功能或應(yīng)用環(huán)境,可方便進(jìn)行編程重組。