摘　要：隨著制造過程信息化的發展，現場總線技術的應用越來越廣泛。本文在討論了傳統的運動控制系統在電子制造設備中使用問題的基礎上，介紹SJA1000的主要特點和內部結構，提出了一種基于SJA1000的現場總線多軸運動控制系統方案，最后設計了基于SJA1000的CAN總線通信的硬件系統。 關鍵詞：運動控制 CAN總線 網絡化 SJA1000 1 引言 運動控制在工業生產中的作用舉足輕重。伺服控制是運動控制中的重要分支。尤其21世紀以來，市場對伺服控制產品的需求方興未艾，各行各業都對伺服控制產品有著越來越旺盛的需求，同時人們對伺服控制系統性能的要求也越來越高。 現場總線作為一種先進的工業控制技術，將當今網絡通信與信息管理的觀念帶入工業控制領域。單個分散的測量控制設備變成網絡節點，以現場總線為紐帶，將它們連接成可以相互溝通信息、共同完成自控任務的網絡系統與控制系統，它是工廠的底層控制網絡。 根據國際IEC1158標準定義，現場總線是一種互連現場自動化設備及其控制系統的雙向數字通信協議。也就是說現場總線是控制系統中底層的通信網絡具有雙向數字傳輸功能，在控制系統中允許智能現場裝置全數字化、多變量、雙向、多節點，并通過一條物理媒體互相交換信息。 在近年來，隨著工業自動化的快速發展，而使得機器設備上的運動控制系統出現了以下幾點技術需求： （1）多軸運動控制。機器設備因自動化程度提高而使得單一機器上所需要的軸數增多，一臺設備上十幾軸是常見的事情。在軸數變多后，如何協調各軸動作就是一個重要的課題。 （2）體積要小。由于廠房空間的限制，機器的體積要求越小越好，機器內控制器的體積也就被要求愈來愈小，相對的走線空間也愈來愈小。 （3）要更精確。隨著半導體制程已經精密到100nm一下，在制程及檢測相關設備所要求的運動精度也要更精確，其它如LCD設備，SMD制程設備也有相同要求。 （4）要更穩定。因為所有設備的投資經費龐大，系統停機的成本就更顯的突出，因此所有機器設備制造商都必須追求系統的穩定性。同時也必須考慮在組件損壞要維修時，必須能快速替換且不出差錯。 綜合以上幾點的需求分析可以看到，既要在一個控制器內進行多軸運動控制，又要控制器的體積更小，配線的維修要更更容易，這些條件看來是相沖突的。而使用現場總線技術便可以解決這些問題。 2 SJA1000主要特點及結構 SJA1000是一種能應用于一般工業環境的獨立CAN總線控制器，經過簡單總線連接可完成報文控制、數據濾波等CAN總線的物理層和數據鏈路層的功能。其硬件與軟件設計不僅兼容PCA82C200的基本CAN模式BasicCAN，還支持增強CAN模式PeliCAN。 SJA1000的主要特點如下：（1）引腳和電氣特性與獨立CAN總線控制器PCA82C200完全兼容，使該芯片能應用于原有的基于PCA82C200的應用中，以達到性能升級；（2）軟件與PCA82C200兼容（缺省為基本CAN模式）；（3）擴展接收緩沖器（64字節FIFO），可以存儲高達21個報文，這延長了最大中斷服務時間，避免了數據超載；（4）支持CAN2.0B時，同時支持11和29位標識符，允許在同一系統應用這兩種幀結構；（5）采用24MHz時鐘頻率，位通訊速率為1Mbits/s；（6）提供了增強CAN模式（PeliCAN）；（7）支持多種微處理器接口，可以支持Intel體系和Motorola體系的不同類型處理器；（8）提供可編程CAN輸出驅動配置；（9）工作溫度范圍為-40～+125℃。 SJA1000的內部結構如圖1所示，主要由接口管理邏輯IML、報文緩沖器（含發送緩沖器TXB和接收緩沖器RXFIFO）、位流處理器BSP、接收過濾器ASP、位時序處理邏輯BTL、錯誤管理邏輯EML、內部振蕩器及復位電路等構成。IML接收來自CPU的命令，控制CAN寄存器的尋址并向主控器提供中斷信息及狀態信息。CPU的控制經IML把要發送的數據寫入TXB，TXB中的數據由BSP處理后經BTL輸出到CAN BUS。BTL始終監視CAN BUS，當檢測到有效的信息頭“隱性電平－控制電平”的轉換時啟動接收過程，接收的信息首先要由位流處理器BSP處理，并由ASP過濾，只有當接收的信息的識別碼與ASP檢驗相符時，接收信息才最終被寫入RXB或RXFIFO中。RXFIFO最多可以緩存64字節的數據，該數據可被CPU讀取。EML負責傳送層中調制器的錯誤管制，它接收BSP的出錯報告，促使BSP和IML進行錯誤統計。 3 CAN總線多軸運動控制系統 CAN總線（Controller Area Network控制局域網絡）,是一種有效支持分布式控制或實時控制的串行通信局域網絡,由于其高性能、高可靠性、實時性好及其獨特的設計,已廣泛應用于控制系統中的各檢測和執行機構之間的數據通信,已在工控領域興起應用熱潮。而交流伺服電機具有結構緊湊、控制容易、運行穩定、響應快等優異特性,已在數控機床等重要行業中,得到了普遍的應用。通過CAN總線進行數據傳輸與控制,使伺服電機的性能更加穩定,能更好更靈活地地應用于運動控制系統中。 如圖2所示，基于CAN總線的運動控制系統與控制系統典型結構相比，有兩個顯著的特點。第一是其控制對象為伺服運動控制對象，第二是其網絡化控制器包括CAN總線通信媒介和CAN控制器節點兩部分。多個CAN控制器節點通過CAN總線通信媒介平行互聯為一個單層結構的基于CAN總線的伺服運動控制系統，當需要更多軸運動控制時，只需要簡單的再增加新運動控制節點，把新的運動控制節點作為新的CAN總線節點掛接到CAN總線上就可以形成一個分布式多軸運動控制系統，而且無需在硬件上對原有的運動控制節點做任何的修改。也可通過互聯網關與IE（Industry Ethernet）或Intranet/Internet上下互聯為一個多層結構的網絡化伺服運動控制系統。 基于CAN總線運動控制系統的設計，主要工作在于對CAN控制器節點的設計，包括硬件和軟件兩部分。硬件設計，主要在于選擇合適的芯片和硬件電路分別設計圖2所示，CAN控制器節點的5個基本組成部分，即主控制器、主控制器與傳感器/執行器的接口模塊、主控制器與CAN總線控制器的接口模塊、CAN總線控制器和CAN總線收發器。軟件設計，主要工作在于選擇合適的系統軟件和應用開發軟件分別設計各種接口驅動軟件、系統管理軟件和控制功能軟件。 4 系統硬件設計 主控制器筆者采用AT89C51單片機作為處理核心，采用PCA82C250作為CAN總線收發器，圖3給出了基于SJA1000的CAN總線系統電路圖。為了增強抗干擾能力，SJA1000的TX0和RX0引腳并沒有直接和PCA82C250的TXD,RXD相連接，而是通過高速光耦6N137后與PCA82C250相連，這樣可以實現總線上各CAN節點之間的電氣隔離，光耦6N137的兩側使用完全獨立的兩組電源VCC和+5V。 SJA1000與單片機的接口比較簡單，AD0～AD7直接連接到AT89C51的P0端口，RD、WR和ALE信號也直接和AT89C51的相應引腳進行連接，MODE接+5V設置SJA100控制器為Interl模式。SJA1000的片選信號CS由AT89C51的P2.0決定，因此系統中SJA1000的尋址空間從地址0開始，可以使用此地址加上SJA1000內部寄存器地址的偏移量來訪問SJA1000內部RAM空間。SJA1000的中斷輸出信號INT與AT89C51的INT0引腳相連，以便AT89C51以中斷方式或查詢方式對報文收發作出響應。 在電路的設計中采用了電源電壓和地信號的隔離。圖3給出2組不同電源電壓+5V和VDD,其中+5V用于AT89C51,SJA1000數字邏輯和其他數字邏輯器件供電，VDD用于總線收發器PCA82C250及6N137另一側的供電。與此相對應，接口模塊使用了2組不同的地信號。 5 結束語 本文分析傳統的運動控制系統的不足之處，提出了基于SJA1000的CAN總線的運動控制系統方案，為交流伺服的網絡化研究和應用作出了一次有益的新探索。CAN總線可以很好地滿足現場總線運動控制系統對實時響應的較高要求，同時使用CAN總線還使得系統具有很好的擴展性能。這樣為向多軸或多點的分布式運動控制網絡發展打下堅實的基礎。