基于DeviceNet協(xié)議的伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　引言

　　DeviceNet作為基于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)開放網(wǎng)絡(luò),為簡(jiǎn)單的底層工業(yè)裝置和高層如計(jì)算機(jī)、PLC等設(shè)備之間提供連接。 DeviceNet應(yīng)用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的控制局域網(wǎng)(CAN)協(xié)議,具有公開的技術(shù)規(guī)范和價(jià)廉的通信部件,使得其具有比其他現(xiàn)場(chǎng)總線低得多的開發(fā)費(fèi)用。設(shè)備網(wǎng)采用總線供電方式,提供本質(zhì)安全技術(shù),廣泛適用于各種高可靠性應(yīng)用場(chǎng)合。

　　本文主要研究基于DeviceNet的伺服系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)。通過CAN總線、單片機(jī)和高性能電機(jī)控制器ADMC401進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸與控制，使伺服電機(jī)的性能更加穩(wěn)定,能更好更靈活地地應(yīng)用于數(shù)控系統(tǒng)中。

　　CAN總線和DeviceNet協(xié)議的實(shí)現(xiàn)

　　CAN總線協(xié)議及特點(diǎn)

　　控制器局域網(wǎng)CAN為串行通信協(xié)議，能有效地支持具有很高安全等級(jí)的分布實(shí)時(shí)控制。CAN的應(yīng)用范圍很廣，從高速的網(wǎng)絡(luò)到低價(jià)位的多路配線都可以使用CAN。在汽車電子行業(yè)中，使用CAN連接發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元、傳感器、防滑系統(tǒng)等，其傳輸速度可達(dá)1Mbps。同時(shí)，可以將CAN安裝在卡車本體的電子控制系統(tǒng)里，諸如車燈組、電氣車窗等，用以代替接線配線裝置。由于采用了許多新技術(shù)及獨(dú)特的設(shè)計(jì)，CAN總線與一般的通信總線相比，它的數(shù)據(jù)通信具有突出的可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性。其特點(diǎn)概括如下[1]:

　　l CAN為多主方式工作，網(wǎng)絡(luò)上任一節(jié)點(diǎn)可在任意時(shí)刻主動(dòng)地向網(wǎng)絡(luò)上其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，而不分主從;

　　l 在報(bào)文標(biāo)識(shí)符上，CAN上的節(jié)點(diǎn)分成不同的優(yōu)先級(jí)，可滿足不同的實(shí)時(shí)要求，優(yōu)先級(jí)高的數(shù)據(jù)最快可在134us內(nèi)得到傳輸;

　　l CAN采用非破壞總線仲裁技術(shù)。當(dāng)多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)向總線發(fā)出信息出現(xiàn)沖突時(shí)，優(yōu)先級(jí)較低的節(jié)點(diǎn)主動(dòng)退出發(fā)送，而最高優(yōu)先級(jí)的節(jié)點(diǎn)可不受影響地繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，從而大大節(jié)省了總線沖突仲裁時(shí)間。尤其在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載很重的情況下，不會(huì)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)癱瘓情況(以太網(wǎng)則可能)。

　　DeviceNet協(xié)議及特點(diǎn)

　　DeviceNet是在1994年由美國(guó)的Allen Bredly公司開發(fā)的是基于CAN的一種現(xiàn)場(chǎng)總線，實(shí)現(xiàn)低成本高性能的工業(yè)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)互連。DeviceNet協(xié)議特別為工廠自動(dòng)控制而定制，它在美國(guó)和亞洲扮演了非常重要的角色。在歐洲，越來越多的系統(tǒng)方案使用DeviceNet來實(shí)現(xiàn)。

　　DeviceNet規(guī)范在2002年12月被國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)批準(zhǔn)為中國(guó)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，于2003年4月開始實(shí)施。DeviceNet協(xié)議適用于最低層的現(xiàn)場(chǎng)總線，例如:過程傳感器、執(zhí)行器、閥組、電動(dòng)機(jī)起動(dòng)器、條形碼讀取器、變頻驅(qū)動(dòng)器、面板顯示器、操作員接口和其他控制單元的網(wǎng)絡(luò)?？赏ㄟ^ DeviceNet連接的設(shè)備包括從簡(jiǎn)單的擋光板到復(fù)雜的真空泵各種半導(dǎo)體產(chǎn)品。DeviceNet也是一種串行通信鏈接，可以減少昂貴的硬接線。 DeviceNet所提供的直接互連性不僅改善了設(shè)備間的通信，而且同時(shí)提供了相當(dāng)重要的設(shè)備級(jí)診斷功能，這是通過硬接線I/O接口很難實(shí)現(xiàn)的。 DeviceNet具有多種特點(diǎn)[2]:

　　l DeviceNet基于CAN技術(shù)用于PLC與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間的通信網(wǎng)絡(luò)。它可連接開關(guān)、變頻調(diào)速設(shè)備、固態(tài)過載保護(hù)裝置、條形碼閱讀器、I/O和人機(jī)界面等，傳輸速率為125～500kbps;

　　l DeviceNet使用的通信模式是:消息產(chǎn)生者(Producer)和消息使用者(Consumer)。傳統(tǒng)的通信在消息傳送上采用的技術(shù)式指定數(shù)據(jù)源和目標(biāo)地址。DeviceNet使用的模型更為有效，它可使控制數(shù)據(jù)同時(shí)到達(dá)控制的每一個(gè)單元，可以更有效地利用網(wǎng)絡(luò)的頻帶寬度。消息產(chǎn)生者一次發(fā)送的數(shù)據(jù)可被多個(gè)消息使用者使用，從而更有效的傳送數(shù)據(jù);

　　l DeviceNet使用的通信協(xié)議為11位標(biāo)識(shí)符，即所有的I/O消息都有自己的11位標(biāo)識(shí)符ID，標(biāo)識(shí)符ID分成四個(gè)消息組，各有不同用途ID中同時(shí)提供了多重優(yōu)先權(quán)。工作時(shí)，總線上的設(shè)備監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)上消息，當(dāng)設(shè)備辨識(shí)出正確的標(biāo)識(shí)符后，將接受該消息;

　　l DeviceNet上的每一個(gè)設(shè)備可以隨時(shí)連接或斷開，而不會(huì)影響其他設(shè)備的正常運(yùn)行。真正的開放性使系統(tǒng)擴(kuò)充和改型非常方便。

　　控制系統(tǒng)的構(gòu)成

　　為了實(shí)現(xiàn)伺服系統(tǒng)的快速實(shí)時(shí)控制,系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上采用了單片機(jī)+DSP雙CPU結(jié)構(gòu)。在設(shè)計(jì)時(shí)將系統(tǒng)控制任務(wù)進(jìn)行了劃分:DSP完成實(shí)時(shí)性要求高的伺服控制任務(wù),FLASH結(jié)構(gòu)的8位單片機(jī)89C51完成實(shí)時(shí)性要求比較低的管理任務(wù),單片機(jī)和DSP之間的通訊采用并行數(shù)據(jù)方式,由FPGA實(shí)現(xiàn)。同時(shí) FPGA還要完成外部I/O信號(hào)管理、位置脈沖指令信號(hào)處理及計(jì)數(shù)、故障信號(hào)處理等功能。伺服控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。由圖1可以看出,系統(tǒng)主要有以下幾部分:伺服控制中心ADMC401;外設(shè)接口FPGA+單片機(jī)89C51;主電路以及開關(guān)電源電路[3]。下面分別說明。

　　DeviceNet通信接口部分

　　本文所設(shè)計(jì)的DeviceNet接口電路中，采用AT89C51ED2作為節(jié)點(diǎn)的微處理器，在CAN總線通信接口中，CAN通信控制器采用SJA1000，CAN總線驅(qū)動(dòng)器采用82C250。

　　圖2為DeviceNet接口電路原理圖。從圖2中可以看出，電路主要由4部分構(gòu)成:微控制器89C51、獨(dú)立CAN通信控制器SJA1000、 CAN總線收發(fā)器82C250和高速光電耦合器6N137。微處理器89C51負(fù)責(zé)SJA1000的初始化，通過控制SJA1000實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送等通信任務(wù)。

　　為了增強(qiáng)CAN總線節(jié)點(diǎn)的抗干擾能力，SJA1000的TX0和RXO并不是直接與82C250的TXD和RXD相連，而是通過高速光耦 6N137后與82C250相連，這樣就很好的實(shí)現(xiàn)了總線上各CAN節(jié)點(diǎn)間的電氣隔離，從而保護(hù)了系統(tǒng)電路以及總線的信號(hào)傳輸。從整體性能來說，系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有很好的通用性和實(shí)用性。

　　微控制器AT89C51ED2用來實(shí)現(xiàn)通訊的應(yīng)用層協(xié)議。它具有豐富的內(nèi)存資源，4個(gè)8位I/O端口、3個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器、256字節(jié)暫存 RAM、9個(gè)中斷源、4個(gè)優(yōu)先級(jí)，此外還有2K EEPROM空間，系統(tǒng)不需要擴(kuò)展外部程序存儲(chǔ)器便可滿足DeviceNet協(xié)議程序的容量要求。并且能夠在&TImes;2模式(6個(gè)時(shí)鐘/機(jī)器周期)下工作運(yùn)行，本文中的設(shè)計(jì)即是在&TImes;2模式下。單片機(jī)通過訪問SJA1000的寄存器來實(shí)現(xiàn)和上位機(jī)的通信。CAN控制器SJA1000的接收寄存器和發(fā)送寄存器用于暫時(shí)存放接收和發(fā)送的數(shù)據(jù)。單片機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)則通過設(shè)置SJA1000的命令寄存器發(fā)送命令位，接收數(shù)據(jù)是通過中斷方式實(shí)現(xiàn)，SJA1000的INT引腳與AT89C51ED2的INT1引腳相連，使單片機(jī)能夠?qū)崟r(shí)響應(yīng)CAN的中斷請(qǐng)求。采樣周期2ms由 AT89C51ED2的定時(shí)器中斷產(chǎn)生。