采用CAN总线实现嵌入式数字控制系统设计

目前国内生产的直流电机调速控制器大多都不带通信接口，即使有带通信接口也仅为RS232或RS485串行总线。众所周知RS232和RS485有各自的优缺点，阻碍了多台电动机机组的进一步网络化发展和群控控制。本文分析和研究了多台直流电机CAN总线的通信协议以及软件数据的传输，对工业网络控制的实现具有一定的指导意义。CAN总线控制网络工作于多主方式，网络中的各节点都可根据总线访问优先权(取决于报文标识符)采用无损结构的逐位仲裁的方式竞争向总线发送数据，且CAN协议废除了站地址编码，采用对通信数据进行编码，这可使不同的节点同时接收到相同的数据，这些特点使得CAN总线构成的网络各节点之间的数据通信适时性强，并且容易构成冗余结构，提高系统的可靠性和灵活性。

1 系统总体设计

多台直流电动机CAN总线控制系统如图1所示，本系统由直流电机、直流电机调速控制器、CAN总线通信控制板、上位机和CAN总线五部分构成。CAN总线能完成网络的建立、网络信号的传递、总线控制以及与上位机之间的数据通信;同时还完成对直流电机电压、电流数据的测试、传输以及直流电机转矩、转速的检测并进行闭环控制等。

图1 多台电机CAN总线控制框图

2 数据通信设计

在直流电机调速系统结构中有一个通信接口模块，用来实现与CAN总线通信控制板之间的数据交换，首先用DSP实现AD采样电路对速度反馈、速度给定、电流反馈等数据处理。采样所得数据经再发送给ARM处理器，最终ARM处理器实现CAN总线通信。

2.1 直流电机的CAN总线通信设计

CAN协议标准中规定了CAN总线支持的两种传输介质：双绞线和光纤。目前，绝大多数CAN总线系统采用的都是双绞线传输。光纤一般应用于大容量、高速率的传输中，对于CAN总线这种传输速率较低、数据量较小的现场总线通信，光纤传输的优势得不到完全发挥。所以，本文使用双绞线作为通信介质。

每个直流电机都是网络中的一个节点，其在运行时的数据经DSP采集后发送到CAN总线通信控制板，然后传输到CAN总线上，再由CAN总线适配器传给上位机，实现对电机的实时监测。这样就可以实现上位机对电机的实时监控。其中CAN总线适配器实现上位机与CAN总线的数据交换。

CAN总线适配器由CAN的微控制器完成与上位机通信的协调工作，根据需要可对CAN适配器微控处理器中的寄存器进行读写操作，实现初始化及数据采集。CAN总线适配器上电复位和初始化后，等待着命令和数据，当命令或数据送给CAN的寄存器并置位标志位，即完成一次通讯，然后取出数据做进一步处理。与CAN适配器间的通讯有查询和中断两种方式。

2.2 CAN总线网络通讯调试

首先要测试CAN总线适配器与上位机能否实现通信，从前面的介绍可以知道它们是通过串口实现通讯的。打开串口调试工具，由适配器向串口发送数据，如果串口调试工具可以接收到数据，则说明它们之间的通讯正常。接着要对两个CAN节点的调试，我们采用双绞线作为通讯介质。总线传输速度与双绞线的长度成反比关系，所以可以根据对通讯速度的要求确定双绞线的长度，由于是简单通讯实验，因而对双绞线的长度没有要求。设置一个节点为发送端，另一节点为接收端，取消报文滤波器，如果能够完成发送接收任务则它们已经能够实现简单的通讯。

本设计设定传输运行状态与故障状态两种运行参数，其中运行状态包括直流电机的：给定速度、反馈速度、反馈电路、电枢电压。运行状态是由DSP自带的AD转换模块经采样所得。DSP的AD采样器精度是12位的，所以经模数转换后的数值是一个12位的二进制数，对其前端补零转换成16位数据经串口直接发送给ARM处理器。因为两者的传输距离很近，所以不需要经过电平转换就可直接发送。而电机的故障状态则由0、1表示，0代表没有故障，1代表电机出现故障。

针对CAN总线技术在数据传输中采用短帧结构和过滤机制，本文设计了直流电机调速控制板与CAN总线控制板的数据通信，以及CAN总线与上位机的通信等。

要实现DSP与ARM以及CAN总线的通信，需要设置一个通信控制协议，协议设定每个要传输的参数一个控制地址。CAN总线每次可以发送8个字节数据，每个字节8位，所以给定速度、反馈速度、反馈电流及电枢电压这四组运行参数需要占据两个字节，而故障状态只需占据一个字节。CAN总线数据帧的第一个字节存放控制地址，第二、三个字节存放数据。其中，第二字节存高地址，第三字节存低地址。如果发送的是故障状态则只有第二个字节是传输数据。CAN总线每次只发送一种运行参数，其中给定速度、反馈速度、反馈电路及电枢电压依次轮流发送。而故障状态在程序中设置为优先级最高，当有故障出现时则优先发送，正常状态下不发送。图2是整个系统的数据传输流程图。

图2 数据传输流程图

3 实验