CAN总线在机电一体化中的应用

    0、引言

    在传统的液压控制系统中，对系统的控制主要采用机械手段。而采用传统的机械方法控制液压系统，使得整个系统的体积增大，同时增加系统复杂度和维护难度。随着计算机技术、现场总线技术及人工智能等技术的发展，使越来越复杂的液压控制系统有良好的发展前景。基于以上特点，该试验台采用CAN总线技术实现实时控制，用于液压软管脉冲压力试验，对被试件施加脉冲压力以测试软管的寿命。

    1、CAN接口电路的设计

    CAN总线节点接口电路如图1所示。P89LPC932是单片封装的高性能、低功耗的带片内8KFlash的微控制器，其指令执行时间只需2到4个时钟周期，6倍于标准80C51器件。P 89LPC932内部主要集成了字节方式的I2C总线、SPI接口、UART通信接口、实时时钟、EEPR OM、A／D转换器、ISP／IAP在线编程和远程编程方式等一系列有特色的功能部件；其可用I ／O口数为24～26。该微控制器在低电压(3 V)下工作，可以很好的工作在以电池供电的便携式系统中。其集成了许多系统级的功能，适合于许多要求高集成度、低成本的场合；可以大大减少元件的数目和电路板面积，满足多方面的性能要求。

图1 CAN总线节点接口电路

    SJA1000是独立的CAN通信控制器，它支持CAN2.0A，CAN2.0B，与PCA82C200 CAN控制器兼容，并可替代PCA82C200；而且新增了一种工作模式(PeliCAN)，使得SJA1000支持具有很多新特性的CAN2.0B协议。SJA1000集成了CAN协议的物理层和数据链路层功能，可完成对通信数据的成帧处理，该控制器具有多主结构、总线访问优先权、硬件滤波等特点。

    PC82C250为CAN总线收发器，是CAN控制器和物理总线间的接口，提供对总线的驱动发送能力、对CAN控制器的差动发送能力和对CAN控制器的差动接收能力。它有很强的抗瞬间干扰和保护总线的能力；有3种不同的工作方式即高速、斜率控制和待机。总线上的某节点掉电不会影响总线，在40m内实现高速应用可达1Mbps，最多可挂110个节点。

    2、试验台系统设计

    2.1 系统总体原理框图

    由于要对较多参数进行检测和控制，为了降低整个系统的复杂度，对该试验台进行模块化处理，可以提高系统的可靠性、可维护性以及系统易于扩展。每个模块自成一个闭环子系统，模块与主机之间由CAN总线连接。各模块的数据通过CAN总线传送到主机。主机负责监控各个从机，向从机发布指令，并接收处理从机传来的检测数据，显示数据信息和压力波形。CAN接口电路负责各节点间的串行通信。系统总体原理框图如图2所示。

图2 系统总体原理框图

    2.2 主系统压力控制

    主系统压力控制如图3所示。此子系统的工作过程是：主油泵(单向定量液压泵)通 过高速开关阀和三位四通电液换向阀向增压器左腔注入液压油，微控制器通过压力传感器对增压器左腔的压力进行实时检测，当增压器左腔的压力达到预定值时，微控制器关掉高速开关阀并换向电液换向阀，按给定的时间保持增压器左腔中的压力；之后再换向电液换向阀， 把增压器左腔中的液压油回流到主系统油池中。这样就对被试件施加了一个周期的脉冲压力。通过微控制器控制高速开关阀和电液换向阀就可以对被试件施加一定频率的脉冲压力。同时微控制器根据主机的命令是否将检测到的压力值通过CAN总线传送到主机上显示出压力波形。

图3 主系统压力控制原理框图

    2.3 主系统油温控制

    在工作过程中，主系统中的液压油不停的循环流动，必然导致油温升高。油温过高，会降低试验台的工作寿命，甚至可能发生事故；油温过低，又会影响试验台的性能。主系统油温控制原理如图4所示。微控制器通过温度传感器实时监测油池的温度来控制冷却装置，并将温度值送到主机显示；若温度高过预定值，要进行报警。

图4 主系统油温控制原理框图

    2.4 高温系统控制

    为了保证被试件软管中的液压油所产生的压力在给定时间内达到给定值，使软管承受规定的高温和压力，必须由高温油泵(单向定量液压泵)来补充所需的压力和温度。其高温系统压力补充控制原理如图5所示。微控制器将检测到的被试件所承受的压力值发送到主机上并显示出其波形。

图5 高温系统压力控制原理框图

    高温系统油温控制原理与图4相似，只需把冷却装置换成加热设备即可。必须在启动高温油泵后方可以启动加热设备。

    3、SJA1000 CAN控制器的初始化流程

    进行CAN总线通信，当前模块将采集到的数据发送到总线上供主机使用，并接收总线上发送给该模块的数据帧存入缓冲区，在上电或复位后，必须对SJA1000 CAN控制器进行初始化(见图6)。

图6 SJA1000 CAN控制器的初试化流程图

    在上电后，CAN控制器的(／RST)引脚获得一个复位脉冲后进入复位模式。在开始对SJA1000各个配置寄存器进行设定之前，主控制器通过读复位／请求标识来检测SJA1000是否进入复位模式。为了避免微控制器的上电复位时间和SJA1000的复位时间的偏差，微控制器要等待SJA1000完成上电复位后才能对SJA1000配置寄存器进行配置，存有配置信息的寄存器只能在复位模式下才可进行写入。SJA1000初始化程序在复位模式下，主控制器要配置下面的寄存器：

    (1) 模式寄存器(仅在PeliCAN模式下选择应用操作模式)

• 接收过滤模式
• 自检测模式
• 侦听模式

    (2) 时钟分频寄存器

• 使用BasicCAN或PeliCAN模式
• CLKOUT引脚是否可以使用
• CAN输入比较器是否被跳过
• TX1输出是否专门用于接收中断输出

    (3) 接收代码和接收掩码寄存器

• 定义要接收的消息的接收代码
• 定义与接收代码相关位比较的接收掩码

    (4) 输出控制寄存器

• 定义CAN输出引脚TX0和TX1的配置

    将这些配置信息配置到SJA1000配置寄存器后，通过消除复位模式／请求使SJA1000进入操作 模式，一定要确保复位标志真的被删除，并且在没有进行CAN总线通信前进入操作模式，这可以通过读该标志来实现。

    当硬件复位处于挂起状态即CAN控制器的(／RST)引脚为低电平时，复位模式／请求标志不能被清除。

    4、结束语

    CAN总线以其高性能、高可靠性、成本低廉及其独特的设计越来越受到人们的重视，并被公认为最有前途的总线之一。将CAN总线技术应用于工业现场控制中，设计了硬件电路和软件，并得到实际应用。

    参考文献

    [1] 邬宽明.CAN总线原理和应用系统设计［M］.北京：北京航空航 天大学出版社，1996．
    [2] Philips Semiconductor.Application Notes and Development Tools for 80C51 Microcontrollers［M］.PHILIPS 1997．