摘 要：随着制造过程信息化的发展，现场总线技术的应用越来越广泛。本文在讨论了传统的运动控制系统在电子制造设备中使用问题的基础上，介绍SJA1000的主要特点和内部结构，提出了一种基于SJA1000的现场总线多轴运动控制系统方案，最后设计了基于SJA1000的CAN总线通信的硬件系统。
关键词：运动控制 CAN总线 网络化 SJA1000
1 引言
运动控制在工业生产中的作用举足轻重。伺服控制是运动控制中的重要分支。尤其21世纪以来，市场对伺服控制产品的需求方兴未艾，各行各业都对伺服控制产品有着越来越旺盛的需求，同时人们对伺服控制系统性能的要求也越来越高。
现场总线作为一种先进的工业控制技术，将当今网络通信与信息管理的观念带入工业控制领域。单个分散的测量控制设备变成网络节点，以现场总线为纽带，将它们连接成可以相互沟通信息、共同完成自控任务的网络系统与控制系统，它是工厂的底层控制网络。
根据国际IEC1158标准定义，现场总线是一种互连现场自动化设备及其控制系统的双向数字通信协议。也就是说现场总线是控制系统中底层的通信网络具有双向数字传输功能，在控制系统中允许智能现场装置全数字化、多变量、双向、多节点，并通过一条物理媒体互相交换信息。
在近年来，随着工业自动化的快速发展，而使得机器设备上的运动控制系统出现了以下几点技术需求：
(1)多轴运动控制。机器设备因自动化程度提高而使得单一机器上所需要的轴数增多，一台设备上十几轴是常见的事情。在轴数变多后，如何协调各轴动作就是一个重要的课题。
(2)体积要小。由于厂房空间的限制，机器的体积要求越小越好，机器内控制器的体积也就被要求愈来愈小，相对的走线空间也愈来愈小。
(3)要更精确。随着半导体制程已经精密到100nm一下，在制程及检测相关设备所要求的运动精度也要更精确，其它如LCD设备，SMD制程设备也有相同要求。
(4)要更稳定。因为所有设备的投资经费庞大，系统停机的成本就更显的突出，因此所有机器设备制造商都必须追求系统的稳定性。同时也必须考虑在组件损坏要维修时，必须能快速替换且不出差错。
综合以上几点的需求分析可以看到，既要在一个控制器内进行多轴运动控制，又要控制器的体积更小，配线的维修要更更容易，这些条件看来是相冲突的。而使用现场总线技术便可以解决这些问题。
2 SJA1000主要特点及结构
SJA1000是一种能应用于一般工业环境的独立CAN总线控制器，经过简单总线连接可完成报文控制、数据滤波等CAN总线的物理层和数据链路层的功能。其硬件与软件设计不仅兼容PCA82C200的基本CAN模式BasicCAN，还支持增强CAN模式PeliCAN。
SJA1000的主要特点如下：(1)引脚和电气特性与独立CAN总线控制器PCA82C200完全兼容，使该芯片能应用于原有的基于PCA82C200的应用中，以达到性能升级;(2)软件与PCA82C200兼容(缺省为基本CAN模式);(3)扩展接收缓冲器(64字节FIFO)，可以存储高达21个报文，这延长了最大中断服务时间，避免了数据超载;(4)支持CAN2.0B时，同时支持11和29位标识符，允许在同一系统应用这两种帧结构;(5)采用24MHz时钟频率，位通讯速率为1Mbits/s;(6)提供了增强CAN模式(PeliCAN);(7)支持多种微处理器接口，可以支持Intel体系和Motorola体系的不同类型处理器;(8)提供可编程CAN输出驱动配置;(9)工作温度范围为-40～+125℃。
图1 SJA1000的内部结构方框图
SJA1000的内部结构如图1所示，主要由接口管理逻辑IML、报文缓冲器(含发送缓冲器TXB和接收缓冲器RXFIFO)、位流处理器BSP、接收过滤器ASP、位时序处理逻辑BTL、错误管理逻辑EML、内部振荡器及复位电路等构成。IML接收来自CPU的命令，控制CAN寄存器的寻址并向主控器提供中断信息及状态信息。CPU的控制经IML把要发送的数据写入TXB，TXB中的数据由BSP处理后经BTL输出到CAN BUS。BTL始终监视CAN BUS，当检测到有效的信息头“隐性电平-控制电平”的转换时启动接收过程，接收的信息首先要由位流处理器BSP处理，并由ASP过滤，只有当接收的信息的识别码与ASP检验相符时，接收信息才最终被写入RXB或RXFIFO中。RXFIFO最多可以缓存64字节的数据，该数据可被CPU读取。EML负责传送层中调制器的错误管制，它接收BSP的出错报告，促使BSP和IML进行错误统计。
3 CAN总线多轴运动控制系统
CAN总线(Controller Area Network控制局域网络),是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信局域网络,由于其高性能、高可靠性、实时性好及其独特的设计,已广泛应用于控制系统中的各检测和执行机构之间的数据通信,已在工控领域兴起应用热潮。而交流伺服电机具有结构紧凑、控制容易、运行稳定、响应快等优异特性,已在数控机床等重要行业中,得到了普遍的应用。通过CAN总线进行数据传输与控制,使伺服电机的性能更加稳定,能更好更灵活地地应用于运动控制系统中。
图2 CAN总线的伺服运动控制系统
如图2所示，基于CAN总线的运动控制系统与控制系统典型结构相比，有两个显著的特点。第一是其控制对象为伺服运动控制对象，第二是其网络化控制器包括CAN总线通信媒介和CAN控制器节点两部分。多个CAN控制器节点通过CAN总线通信媒介平行互联为一个单层结构的基于CAN总线的伺服运动控制系统，当需要更多轴运动控制时，只需要简单的再增加新运动控制节点，把新的运动控制节点作为新的CAN总线节点挂接到CAN总线上就可以形成一个分布式多轴运动控制系统，而且无需在硬件上对原有的运动控制节点做任何的修改。也可通过互联网关与IE(Industry Ethernet)或Intranet/Internet上下互联为一个多层结构的网络化伺服运动控制系统。
基于CAN总线运动控制系统的设计，主要工作在于对CAN控制器节点的设计，包括硬件和软件两部分。硬件设计，主要在于选择合适的芯片和硬件电路分别设计图2所示，CAN控制器节点的5个基本组成部分，即主控制器、主控制器与传感器/执行器的接口模块、主控制器与CAN总线控制器的接口模块、CAN总线控制器和CAN总线收发器。软件设计，主要工作在于选择合适的系统软件和应用开发软件分别设计各种接口驱动软件、系统管理软件和控制功能软件。
4 系统硬件设计
主控制器笔者采用AT89C51单片机作为处理核心，采用PCA82C250作为CAN总线收发器，图3给出了基于SJA1000的CAN总线系统电路图。为了增强抗干扰能力，SJA1000的TX0和RX0引脚并没有直接和PCA82C250的TXD,RXD相连接，而是通过高速光耦6N137后与PCA82C250相连，这样可以实现总线上各CAN节点之间的电气隔离，光耦6N137的两侧使用完全独立的两组电源VCC和+5V。
SJA1000与单片机的接口比较简单，AD0～AD7直接连接到AT89C51的P0端口，RD、WR和ALE信号也直接和AT89C51的相应引脚进行连接，MODE接+5V设置SJA100控制器为Interl模式。SJA1000的片选信号CS由AT89C51的P2.0决定，因此系统中SJA1000的寻址空间从地址0开始，可以使用此地址加上SJA1000内部寄存器地址的偏移量来访问SJA1000内部RAM空间。SJA1000的中断输出信号INT与AT89C51的INT0引脚相连，以便AT89C51以中断方式或查询方式对报文收发作出响应。
图3 基于SJA1000的CAN总线系统电路原理图
在电路的设计中采用了电源电压和地信号的隔离。图3给出2组不同电源电压+5V和VDD,其中+5V用于AT89C51,SJA1000数字逻辑和其他数字逻辑器件供电，VDD用于总线收发器PCA82C250及6N137另一侧的供电。与此相对应，接口模块使用了2组不同的地信号。
5 结束语
本文分析传统的运动控制系统的不足之处，提出了基于SJA1000的CAN总线的运动控制系统方案，为交流伺服的网络化研究和应用作出了一次有益的新探索。CAN总线可以很好地满足现场总线运动控制系统对实时响应的较高要求，同时使用CAN总线还使得系统具有很好的扩展性能。这样为向多轴或多点的分布式运动控制网络发展打下坚实的基础。
