【论文-控制设计】基于CAN总线的压装机控制器通信系统的设计.pdf

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1、第 l 8 卷 第1 期 2 0 0 8 年9 月 洛阳理工 学院学报(自然科学版)J o u r n a l o f Lu o y a n g I n s t i t u t e o f S c ie n c e a n d T e c h n 0 1 0 g y(Na|u r a l S c i e n c e E d i t i o n)V01 1 8 NO 1 Se p2 0 0 8 基于C A N总线的压装机控制器通信系统 的设计 赵顺东，方安平(1 武汉理工大学 计算机学院，湖北 武汉 4 3 0 0 7 0；2 洛阳理工学院 电气工程与 自动化系，河南 洛阳 4 7 1 0 2

2、3)摘要：介绍了压装机的功能和特点，给出了一种基于双单片机的压装机智能控制器的设计方案，重点介绍了基 于C AN 总线的通信模块的硬件、软 件设 计，实践证 明该设计切 实可行。关键词：压装机；单片机；C A N总线 中图分类号：T P 2 7 3+5 文 献标识码：A 文 章编号：1 0 0 8 8 8 1 4(2 0 0 8)0 1 0 0 6 4-0 3 目前，中国的机械装配业在大部分领域仍处于 全球机械行业产业链的中低端，自主创新能力弱，对外依存度高，国际竞争力不强，不能适应 国民经 济发展与国际竞争的需要。因而振兴装配制造业 已 成为我国突破发展瓶颈，实现产业升级，迈 向工业 强国

3、的关键。压装机，又称压力装配机，属 于专用装配 设 备，专门针对需要在过盈配合情况下连接的零部件 之 间的 安装。压 装 具 有 极 高 的抗 顶 出力 和抗 扭转力矩，其独特的柔到位技术及增力 自适 应技术，能保证压装工件充分镶嵌，是一种 重要 的装配工艺，广泛应用于汽 车配件、电 器产 品和通讯产 品。传统 的纯机械直接压装 方式 由于缺 乏 自动检测 手 段，控制 系统 落 后，经 常 造 成压 装 质 量 不 高，容 易 形成 工 件 损坏，给将来设备 的运行带来隐患。本文研 制的压装机控制器是 以汽车副车架衬套压装 机为控制对象，以单 片机 为微处理器，集嵌 性、实时性 以及提高抗干

4、扰能力为出发点，结构上 采用双CP U方案，分为控制子系统(下位机)和人 机子系统(上位机)。下位机以单片机A T 8 9 C 5 2 为 核心，主要实现数据采集、控制信号输出；上位机 以单片机8 9 S 8 2 5 2 为核心，主要进行数据分析，信 息显示和控制指令输入。主从系统的通信采用效率 较高的CA N总线，以便较好地 实现信息传递的实 时性和互动性。总体结构如 图1 所示。入式技术、通讯技术于一身的微计算机控制系统。l 智能控制器总体结构及工作原理 汽 车副车架 上有四个支座，需要 安装 四个 衬 套，衬套和支座属于典型 的过盈配合。对压装机而 言需设置四个检测通道；相应地要求压装机

5、既能对 每一通道单独控制又能同时对 四通道统一控制，每 通道均能独立检测压装过程中的压装力值，并根据 设定的上限和下限力值进行控制，以及过力和欠力 提 示。硬件设计 以保证检测数据准确 性、控制可靠 收稿 日期：2 0 0 8-0 l 一 2 1 作者简介：赵顺东(1 9 6 4 一)，男，河南洛阳人，在读硕士研究生，副 教授，主要从事嵌入 式控制技术应用方面的研 究 AT8 9 C5 2 8 9 S 8 2 5 2 天 卜l L-J M C U l M C U 2 V A N 总线，滞0 输 l 图1 控制器总体框架示意图 下位机接受上位机的指令，通过压力传感器对 4 通道 检测 压 力值

6、进行 采集，通过 C AN总线 通 信模 块送回上位机分析并进行显示；同时，以检测到的 行 程开 关信 号(反映 压头 的位 置信 息)作为压 装 结 束与否的标志，通过输 出信号给电磁阀(失电或得 电)，控制各路压装臂实施压下或回升。整个设计 中，CA N通信模块的设计尤为关键。2 c A N 总线通信模块的硬件和软件设计 2 1 C A N 总线主要特点和通信规则 CA N总线是德 国B OS CH公司2 0 世纪8 0 年代初 为解决汽车 中众多控制与测试仪器问的数据交换而 开发的串行数据通信协议，是主要用于各种设备检 测 及 控 制 的现 场 总线。本 方 案 拟 采 用CAN总 线进

7、 行通 讯，主要基 于 以下考 虑：维普资讯 http:/ 第1 期 赵顺东等 基于C AN总线的压装机控制器通信系统的设计 1)CA N总线本身是一种汽车工业标准总线，具有很高的环境适应能力和抗干扰 能力；2)CAN总线 是一 种 多主总线，通 信不 分主 从；而且采用非破坏性仲裁技术，不会 出现总线瘫 痪 问题，较 之RS 一 4 8 5 总线 更 可靠；3)C AN总线硬件接 口简单，编程方便，特别 适 合微 处理器 之 间 的通信；4)CA N总线采用短帧发送方式，因此信息传 送速度快，实时性好。C AN总线 具有 2 0 A和2 0 B 两种 协议，对 应 两种 工作模式：B a s

8、 i c k CAN 模式和P e l i CAN 模 式。本控 制 器 采 用 后 者。由于 C AN总线 的每 个 报 文 最 多 只 能发送8 字节 数据，因此通 信协 议 的制定非 常关 键。本设计采用数据区首字节为信 息代码字节，传 递发送数据的性质。简单讲，分为三种情况(出现 的数均为1 6 进制数)：1)上位机发给下位机，则首字节为0 1-0 4，分 别对 应4 通道 的设 定参数。2)下位 机 发 给 上 位 机，则 首 字 节 为Al 4，分 别对应4 通道 的力 值数 据。3)任何一方收到数据，必须校验和 回送。校 验是根据计算得到的累加和字节与接受得到 的累加 和字节两者

9、 比较来实现的，相一致说明收发正确，否则不正确，丢弃本次数据。校验正确后必须回送 数据，为避 免 回送死 机，回送 报 文 是将 接受 到 的报 文的数据首字节改为AA后形成的。2 2 硬件设计 C AN总线接 口模块 负责 两子系统 的通信，将 按键设定的上 限力、下限力等参数发送给下位机；同时接受 下位 机传 送 的各通 道 力值，并送 显示 模块 显示。C AN总线接 口包 括总线控制和总线驱动两 部分，本设计中，前者选用P h i l i p s 半导体公司的产 品S J A1 0 0 0，后者选用P C A8 2 C2 5 0。以上位机接 口为例(下位机接 口完全一样)。硬件 电路如

10、图2 所示。AD O r A D 7 直接 与8 9 S 8 2 5 2 的低8 位数据 地址 复用 口，MOD E 接+5 V设置S J A l 0 0 0 为i n t e l 模式，中断输出信号 与微处理器 的，1 连接，使 C AN通信可 以采用 中断和 查询两种方式。两子系 统的时钟 晶振统一采用 1 2 MH z，频率调整 电容 一 般 取 1 5 3 O p F；R1 9、R2 o 为 限 流 电 阻，设 计 取 3 9 0 Q，R 4 为终 端 电阻，取l 2 0 Q。P C A8 2 C2 5 0 的 R S 脚 为工 作模式选择 位，将之通 过R 3(2 0 k Q)将 芯

11、片设定于斜 率控 制模式，这 时CANT作于低 速模 式，可提高总线抵抗射 频干扰的能力。这种 情况 下，可直接使用非屏 蔽双绞线或平行 电缆，而不必采用屏蔽 电缆。2 3 软件设计 C AN接 口程 序 必须严格 按照S J A1 0 0 0 控 制器 的有关规 范。主要包括初始化、接受与发送三 个 方 面。1)初 始化 程序 S J A1 0 0 0 是-CA N的独立控制器，有两种工 作模式：复位模式和工作模式。S J Al 0 0 0 的初始化 程 序 设计，具 体来 说 就是 对 _T作 方式、接 收滤波 寄 存器、接收屏蔽寄存器、接收代码寄存器、波特率 参数等进行 设置。因为这些寄

12、存器仅能在S J A1 0 0 0 复位期间进行写访 问，因此在对这些寄存器初始化 前，必须确保系 统进入 复位状态。CA N控制器的 初 始化要 点 是：图2 C A N 总线接口模块 维普资讯 http:/ 洛阳理工学院学报(自然科学版)第1 8 卷 工作模式 为P e l i CAN模式，帧格式采用扩 展帧；通信波特率为5 0 k b p s；采用双滤波验收，即4 字节的接受代码寄存 器AC RO AC R 3，分为前后两组，前组为接受节 点(目标节点)的I D，后组为发送节点的I D；在初始化有关寄存器前，必须使S J A1 0 0 0 由 工作模式进入复位模式。按 以上要 求，初 始

13、化 流程 图如 图3 所示。(B E G IN j t一 关 CAN中 断源 L Y 训 始 化CDR寄 器 l 初 始 化 总 线 定 IH 器 B T R 0 B T R 1 确 定 总 线 速 率 l 改 输 出 m+寄 仃 器OCR，确 定TX0、Tx1 0 I 心J 的驱 动 方 式 I 设 胃 衡 仃 器 A c R 机 A M R 求 过 滤 息 帧 l 一 l 清 除 复 何 标 志 似 进 入 运 模 式 l I l】：；，k“l l Y 启 CAN I，断源 图3初始化流程图 2)发送报文程序 信 息从CA N控 制器 发送 到C AN总线是 由CA N控制器 自动完成 的

14、。发送 时只须 将 控制帧送 到C AN的发送缓 冲 区，且启动 发送 命令 即可，由于 发 送 是 可 控 的，因此 通 常采 用查询法，一 个报文 被 正 常 发 送，必 须 经 过 以下 两 个步骤：步 骤 1：将 待 发 信 息 按 S J A1 0 0 0 的 要求 送入 系 统发 送 缓 冲 区，由 于 本 系 统 采 用 P e l i CA N模式和扩展帧，因此 缓冲 区总共 为 l 3 字节，包括 帧信息(1 字节、I D(4 字节)及8 字节数据。步骤2：将系统发送缓冲区数据移至C AN控制 器 发送缓 冲 区。流 程 图如 图4 所 示。图4 报文发送程序流程图 3)接

15、收报文程序 为提高报文接受的实时性，接受报文采用了中 断法。流程 如 图5 所 示。整个程序采用c语言编程，遵循模块化设计，便于链接、修改和移植。3 结 语 本文介绍 的压装机控制器 利用CA N总线实现 上 下 位 机 的通 信，具 有 通 信 速 率 高、抗干 扰 性 能 强、出错率低、传输距离较远等特点，特别适合 于 现场环境 比较复杂、实时性要求高的场合。由于性 价比较高，在 自动化领域具有广泛的应用前景。图5 报文接收程序流程图(下转第7 0 页)维普资讯 http:/ 7 0 洛阳理工学院学报(自然科学版)第1 8 卷 参 考 文 献：l l 1 Na h u m D Ge r s

16、 h o n，S t e p h e n G E i c kI n f o r ma t i o n Vi s u a l i z a t i o n I J 1 I EEE Co mp u t e r Gr a p h i c s a n d App l i c a t i o n s，1 9 9 7，(7 8)：2 9 31 I 2 1 唐泽圣 三维数据场可视化 I M1 北京：北京清华大学出版 社 1 9 9 9 I 3 l W i l l i a m J S c h r o e d e r，Ke n n e t h M Ma r t i n，W i l l i a m E Lo r e

17、 n s e n Th e d e s i g n a n d i mp l e me n t a t i o n o f a l l o b j e c t-o r i e n t t o o l k i t f o r 3 D g r a p h i c s a n d v i s u a l i z a t i o n l EB oL 1 h t t p：www v t k o r g p d f d i o o t p d f：3-4 4 1 S c h r o e d e r W，Ma r t i n K L o r e n s e n B Th e Vi s u a l i z a

18、 t i o n To o l k i t a n Ob i e c t o r i e n t e d Ao o r o a c h t o 3 D Gr a p h i c s l M 1 P r e n t i c e Ha l l：Ki t wa r e I n c 2 0 0 2 5 1 W I l I i a m J S，Ke nn e t h M M，L i s a S A，e t a 1 Th e VTK u s e r s g u i d e l M1 Ne w Yo r k：Ki t wa r e 2 0 o 0 S t udy f or Fr ame wor k a nd

19、 Ope r a t i o n M e c hani s m of V。I K I I X U Qi n g-g o n g L I C h a n g h u a (1 Sc h o o l o f I n f 0&Co n t E n g Xi a n Un i v 0 fAr c h&Te c h，Xi a n 7 1 0 0 5 5，Ch i n a)(2 De p a r t me n t o f Co mp u t e r S c i e n c e，Lu o y a n g 1 n s t i t u t e o f S c i e n c e a n d Te c h n o

20、 l o g y，Lu o y a n g 4 7 1 0 0 3，Ch i n a)A b s t r a c t：T h e f r a me wo r k a n d o p e r a t i o n me c h a n i s m o f V T K f V i s u a l i z a t i o n T o o l k i t)a r e i n t r o d u c e d i n t h i s a r t i c l e A n e w me t h o d f o r p r o g r a mm i n g b y VTK i s p r o v i d e d

21、a n d t h e k e y p r o b l e ms i n VTK a p p l i c a t i o n a r e d i s c u s s e d F i n a l l y a Vi s u a l i z a t i o n a p p l i c a t i o n pr o g r a m i s fi n i s h e d b y Tc l a n d VTKI t p r o v e s t h a t t h e me t h o d i n t r o d uc e d h e r e i s s i mp l e a n d e a s y t o

22、 o p e r a t e a n d ha s a p ot e n t i a l va l u e t o vi s ua l i z e t h e c o mpl e x pr obl e ms Ke y w o r d s：V i s u a l i z a t i o n，T c l，V TK (责任编辑：张灵玲)(上接第6 6 页)参 考 文 献：I l l 饶运涛 现场总线c AN 原理及应用技术I MI 北京：北京航 I 5 l 广州周立功单片机发展有限公司 s J Al O O O 独立c AN器件 空航天大学出版社 2 0 0 3 1 B E OL I h t t p

23、：H ww w z l g mc u c o m h o me a s p 1 2 1 马忠梅，籍顺心 单片机的语 言应用程序设计I MI 北京：北 l 6 l 谭浩强 c 语言程序设计I MI 北京：清华大学出版社，2 0 0 0 京航空航天大学出版社，2 0 0 3 7 I 王幸之 单片机应用系统抗干扰技术I M1 北京：北京航天航 I 3 l 邬宽明 C A N总线原理和应用系统设计I MI 北京：北京航 空大学出版社，2 0 0 0 空航天大学出版社，1 9 9 6 I 8 1 P h i l i p s A P C A 8 2 C2 5 0 件数据手册I Z 1 I 4 l P HI

24、 LI P S S e mi c o n d u c t o r DATA S HEE T S J A1 0 0 0 CAN S t a n d a l o n e Co n t r o l l e r l Z1 2 0 O 4 Th e CAN Bu s B a s e d Co m mu n i c a t i o n S y s t e m De s i g n o f Pr e s s u r e As s e mb l y M a c h i n e Co n t r o l l e r ZHAO Sh u n d o n z ，F ANG An p i n g f 1 W u h

25、a n Un i v e r s i t y o f Te c h n o l o g y Co m p u t e r Co l l e g e，W u h a n 4 3 0 0 7 0，Ch i n a；2 L u o y a n g I n s t i t u t e o f S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y Au t o ma t i o n De p a rtme n t 1 u o y a n g 4 7 1 0 0 3，Ch i n a 1 Abs t r a c t：Thi s pa per i nt r odu c e s t h

26、 e f unc t i on s a nd f e a t u r e s o f t he pr e s s ur e a s s e m bl y mac hi ne，pr e s e nt s a de s i gn i ng pl a n of t h e i n t e l l i ge nt c ont r o l l e r ba s e d o n Do ubl e SCM，and s pe c i al l y e x poun ds t he de s i gn o f har d war e a nd s o f t war e o f co mmuni c a t i o n mo d u l e b a s e d o n CAN b u s wh i c h h a s p r o v e d a p p l i c a b l e i n pr a c t i c e Ke v wo r d s：P r e s s u r e a s s e mb l v ma c h i n e，S i n g l e c h i p，C A N b u s (责任编辑：张灵玲)维普资讯 http:/