基于CAN总线的嵌入式数控系统网络化研究

0 引言

    近些年，随着现场总线技术和嵌入式技术在工业控制领域的应用，给整个制造业领域带来了巨大的变革，极大的提高了生产力发展水平。本文设计了一种基于ARM9系列微处理器S3C2440和专业运动芯片MCX314As嵌入式数控系统，并在微处理器中移植经过裁剪的开源Linux操作系统，使其具有多任务处理能力。该数控系统结构简单、成本低、插补精度高等优点是符合新一代开放式标准的经济性数控系统。通过在ARM上面扩展CAN总线接口电路，利用CAN总线技术对嵌入式数控系统进行网络化，组建基于CAN总线的局域网数控加工网络。CAN总线在数据通信方面具有突出的可靠性、实时性和灵活性，特别适合工业现场自动化设备的相互连接。根据实际情况，考虑到企业内部数控联网加工的特殊要求，利用CAN总线将工业现场嵌入式数控系统连接起来，对构建一种新型的局域网嵌入式数控系统具有重要意义。

1 网络体系的硬件结构

    本文设计的基于CAN总线的嵌入式数控系统网络化的总体框图如图1所示：在工业现场通过一个工控机或者工业用的笔记本电脑可以对经过CAN总线联网的嵌入式数控系统进行监控。通过在主监控计算机上安装监控软件，对数控加工程序进行处理得到加工需要的数据文件，通过USBCAN智能CAN接口卡使监控计算机可以通过USB总线连接至CAN-bus网络，将加工数据文件传输到嵌入式数控系统中。S3C2440通过扩展CAN总线接口电路接收来自CAN总线上面的加工数据文件，然后启动传输数据加工程序，将数据通过总线接口传输到运动控制芯片MCX314As中，实现MCX314As的控制。MCX314As对接收到的数据加工文件进行相应的插补计算然后输出脉冲电平控制电机工作。

图1 系统体系结构总体框图

    嵌入式数控系统总体结构该嵌入式数控系统主要有基ARM9的S3C2440主控板和专业运动控制芯片MCX314As组成。其硬件结构图如图2所示。

图2 嵌入式数控系统的硬件结构图

    微处理器S3C2440主频最高可达到533MHz完全满足数控系统的多任务处理要求，该芯片基于ARM920T内核，采用5级流水线和哈佛结构，具有其体积小、低功耗、成本低、性能高等优点。MCX314As是一种功能强大的运动控制芯片，是一种单一芯片而可控制4轴的脉冲序列输出驱动伺服电机、步进电机的运动控制芯片。可以对任意两轴进行直线和圆弧插补。

2 CAN控制器硬件结构

    S3C2440主控板上没有集成CAN控制器电路，可以通过SPI总线接口扩展CAN总线接口，实现微处理器与CAN总线控制器之间的数据通讯，使嵌入式数控系统连接到CAN总线网络中。CAN控制器扩展电路如图3所示，微处理器通过SPI接口与MCP2510进行通信。

图3 CAN控制器电路原理图

    CAN协议控制器采用MCP2510控制器，该控制器支持CAN2.0A和CAN2.0B等版本的技术协议规范。MCP2510可以在3V～5.5V范围内供电，因此能直接与3.3V I/O的嵌入式处理器连接。系统结构简单，与处理器之间的SPI串行接口，减少了总线的物理连接，提高了系统的可靠性。能够发送和接收标准和扩展报文，通信速率可以达到1Mb/s，MCP2510还包括三个发送缓冲器和两个接收缓冲器，可以减少微处理器的管理负担，其SPI总线接口的数据传输速率可以达到5Mb/s。

    CAN总线收发器采用TJA1050。TJA1050的设计使用了最新的EMC技术，它采用了先进的绝缘硅技术进行处理，具有很好的抗电磁干扰性能。

    在Linux操作系统中编写CAN总线控制器MCP2510的驱动。CAN总线通信程序的设计可分为发送数据、接收数据和中断处理3个模块来实现。通过测试证明编写的CAN驱动是正确的。

3 网络体系的软件结构

    基于CAN总线的嵌入式数控系统网络化的软件结构主要指的是在工控机上进行的数控加工代码的预处理部分。此部分功能包括读入NC加工程序、编辑NC加工程序、词法检查、语法检查、译码、刀具补偿处理以及数据保存。将经过处理的数据依次存放到固定格式的数据文件中，如果存在固定循环、跳转指令和特殊点交叉，则需要相应的子程序进行处理，然后在数据中进行数据修改。工控机进行数控加工代码的预处理流程图如图4所示。启动系统软件后，系统首先加载上次运行系统完成后所保存的数据信息和系统所处的状态信息，并提示是否要进行原点调零等。然后系统调入数控加工程序并进行语法、词法等检查，检查无误后，根据数控加工程序段的准备功能字、辅助功能字、T功能、H功能等用相应的算法进行计算，从而得到带有刀具补偿量的数据，并将这些数据和对应的准备功能字、辅助功能字、刀号、刀补号以及其他功能字等一起保存到固定格式的数据文件中。当工控机将数据处理完毕后通过CAN总线将数据传输到S3C2440中。然后S3C2440再将数据进行相应的处理通过总线接口发送到运动控制板上面，运动控制板经过复杂的插补计算输出控制脉冲到伺服系统实现对电动机的控制。

图4 工控机进行数控加工代码的预处理流程图

4 结论

    随着现场总线和嵌入式技术在控制领域的广泛应用，CAN总线以其高可靠性、强实时性和容易实现等显著优点已经成为工业网络的主流。设计的基于ARM与运动控制芯片的嵌入式数控系统具有良好的开放性、高性能和低成本等特点。基于CAN总线的嵌入式数控系统网络化体系结构可以实现多台数控机床加工过程的在线自动监控。系统集成度高、智能化程度高、结构与功能可扩展性好、安全可靠。该研究成果的转化对网络化的嵌入式数控系统有一定的积极推动作用，对将来发展的柔性化制作系统(FMS)有积极的借鉴意义。