基于DSP和CAN總線的分布式電機控制系統(tǒng)

　　引言

　　CAN（Controller Area Network）控制器局域網，主要用于各種設備監(jiān)測及控制的局域網。最初由德國Bosch公司用于汽車的監(jiān)控系統(tǒng)而設計，具有良好的功能特性和極高的可靠性，現(xiàn)場抗干擾能力極強, 總線形式為串行數據通信總線。

　　TI 的24X系列芯片，具有處理性能優(yōu)良（30MIPS），外設集成度高，程序存儲器容量大，A/D轉換速度快等特點，是基于工業(yè)控制而設計的DSP（數字信號處理）類芯片。LF2407A以其豐富的集成外設，提供了電機數字化控制解決方案。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，可為實現(xiàn)分布式工業(yè)監(jiān)控局域網絡提供了一個解決方案。

　　CAN總線簡介

　　CAN屬于現(xiàn)場總線的范疇，有效支持分布式控制或實時控制的串行通信網絡。CAN的應用范圍很廣，從高速的網絡到低價位的多路界限都可以使用CAN 。在自動化電子領域的汽車發(fā)動機控制部件、傳感器、抗滑系統(tǒng)等應用中，CAN的位速率可高達1Mbps。

　　區(qū)別與傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)采用按控制回路進行一對一連接的方法，現(xiàn)場總線采用智能現(xiàn)場設備，具有運算、控制和通信功能，可以在現(xiàn)場完成數據采集、數據分析、控制處理等功能，并將有關數據發(fā)送到主機及其它現(xiàn)場設備，實現(xiàn)可徹底的分布式控制。

　　CAN總線特點：

　　1系統(tǒng)的開放性。2現(xiàn)場設備具有高度的自治性和智能化的特點。3系統(tǒng)的高度分散性。4對現(xiàn)場環(huán)境的適應性強。

　　CAN節(jié)點的分層結構

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

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

圖1 CAN節(jié)點分層結構

　　LF2407A簡介

　　DSP(Digital Signal Processing)數字信號處理，是以數字形式對信號進行采集、變換、濾波、估值、增強、壓縮、識別等處理，以得到符合人們需要的信號形式。LF2407A是一款新型工控型數字信號處理芯片，具有如下特點：

　　一、芯片特點:

　　1) 32位CPU，32位ALU，16*16位并行乘法器，3個定標移位器，8個16位輔助寄存器；544字片內數據/程序DARAM，2K的SARAM，32K片內程序FLASH，64K數據和存儲器尋址范圍；

　　2) 四級流水線操作，八級硬件堆棧，五個外部中斷；

　　3) 兩個事件管理器EVA、EVB，包含：16路PWM通道，10路比較CMP單元，4個16位通用定時計數器，6個捕獲單元CAP，4個積分編碼脈沖QEP單元；

　　4) 16路10位A/D 轉換，轉換時間為500ns，最高采樣率為1MHz；

　　5) 41個可單獨編程的多路復用I/O引腳；基于鎖相環(huán)電路（PLL）的時鐘模塊；帶實時中斷的看門狗定時器模塊（WATCH_DOG）；串行通信接口（SPI）和串行外設接口（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 內嵌CAN 控制器

　　LF2407A芯片內嵌CAN控制模塊，集成了一個全CAN功能的16位控制芯片，且與CAN2.0B協(xié)議完全兼容，支持標準格式和擴展格式。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)。其結構框圖如下：

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。完成對象層和傳輸層包括的所有由ISO/OSI 模型定義的數據鏈路層的服務和功能。實現(xiàn)控制幀結構、執(zhí)行仲裁、錯誤檢測、出錯標定、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。此器件對總線提供差動發(fā)送能力，對CAN 控制器提供差動接收能力，符合“ISO11898 ”標準。

　　系統(tǒng)結構

　　本系統(tǒng)為一個基于分布式現(xiàn)場總線CAN總線進行通訊，以DSP為微控制器的電機控制系統(tǒng)。為一個具有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)點結合起來的分布式工業(yè)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)設計主體分為兩部分：其一執(zhí)行部件：LF2407-A控制電機動作；其二為網絡通訊：CAN實現(xiàn)分布式監(jiān)控通信。

　　節(jié)點 1 節(jié)點

圖 3 系統(tǒng)結構框圖

　　其系統(tǒng)結構主要可分為三層：第一層、PC機與CAN總線接口層----實現(xiàn)PC機與CAN通訊總線之間的可視化操作控制，以PC-CAN----智能型CAN總線通訊適配卡實現(xiàn)；第二層、CAN總線與DSP控制器LF2407接口層----實現(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口與步進電機的驅動接口----實現(xiàn)對LF2407-A板的電氣隔離保護和步進電機的大電流驅動，完成電機的實際動作。

　　PC機作為該系統(tǒng)的上位機，有效的利用PC機計算能力強、容量大、人機界面良好的優(yōu)點。PC-CAN是具有高性能價格比的智能CAN總線通訊適配卡，它使PC機方便的連接到CAN總線上，實現(xiàn)CAN總線與主機PC的高速數據交換。PC-CAN上自帶光電隔離，保護PC機避免由于地環(huán)流的損壞，增強系統(tǒng)在惡劣環(huán)境中使用的可靠性。

　　PCA82C250: 為LF2407內嵌式CAN 控制器與CAN 總線的接口收發(fā)器。8腳，高速，可達1Mbps傳輸速率。它提供了對CAN總線的差動發(fā)送能力以及對CAN控制器的差動接收能力。

圖5 DSP 2407－A與步進電機驅動接口

　　驅動電路接口實現(xiàn)了DSP芯片與步進電機之間的電氣隔離，保護了DSP芯片的安全性，又完成了從DSP輸出弱電流（不足10mA）到步進電機驅動所需的大電流（+1.5A）的轉換，提供電機所需驅動電流。其中，TLP521為DSP與步進電機之間的光電隔離耦合器，它起了電平隔離作用，保護了DSP芯片，又完成了信號轉換。RIF530 為VMOS管，是步進電機的驅動電流開關。

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

　　軟件設計

　　本系統(tǒng)的軟件設計是完成基于CAN總線的分布式控制系統(tǒng)的關鍵所在。CAN總線的多機通訊由軟件編程實現(xiàn)數據的接受和發(fā)送。在兩塊LF2407-A板上實現(xiàn)兩節(jié)點通訊：一塊為本地節(jié)點，接受遠程節(jié)點的請求數據幀，并發(fā)送數據幀；另一塊為遠程節(jié)點，發(fā)送一個請求幀以請求遠程節(jié)點發(fā)送數據。

　　主要分為：1、電機控制系統(tǒng)整體---實現(xiàn)系統(tǒng)初始化，并生成電機控制頻率信號，以中斷方式實現(xiàn)電機控制字的修改，延時子程序實現(xiàn)電機的轉速控制，初始化CAN模塊。2、CAN 發(fā)送一個遠程幀請求-----初始化CAN請求幀，令CAN郵箱3為發(fā)送請求幀郵箱，CAN郵箱0為接收數據幀郵箱。郵箱3發(fā)送一個請求幀請求電機控制字數據，當查詢到接收報文標志位為1時（RMP=1），郵箱0接收數據。3、CAN 初始化一個自動回答遠程幀請求----初始化CAN自動回答遠程幀請求，令CAN郵箱3為發(fā)送郵箱。當接受到一個遠程請求時，發(fā)送一幀數據。以下以CAN 初始化一個自動回答遠程幀請求為例給出軟件程序流程圖，見圖6。

圖6 CAN 初始化一個自動回答遠程幀請求程序流程圖

　　結束語

　　本文研究了基于CAN總線的分布式電機控制系統(tǒng)的組成和實現(xiàn)。將DSP的高速處理能力與CAN現(xiàn)場總線的高可靠性和高穩(wěn)定性結合起來，對于構建新型實時快速響應分布式工業(yè)控制網絡提供了一個較好的解決方案。尤其針對本款工控芯片LF2407A的內嵌模塊：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的直接控制應用,免去以往在單片機控制系統(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)應用.