（信号与信息处理专业论文）基于can总线的主从式数控系统通信的研究与实现.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 基于c a n 总线的主从式数控系统通信的研究与实现 摘要 随着现代制造业的飞速发展，普通数控系统( c o m p u t e r i z e dn u m e r i c a l c o n t r o l ，c n c ) 在机械加工中的自动化程度不高，网络化缺乏等局限性日益 突出，数控系统的功能扩展成为数控技术发展的一个重要方向，本项目研 究的目的就是建立一种高可靠性、网络化、复合化的数控系统体系结构， 使其更好的适应现代制造业网络化、集成化的发展趋势。 目前国内外对数控系统的研究主要是开发多轴联动数控系统，并取得 了很多成果，但在我国，多轴联动数控系统的应用相对较少，占企业现有 数控装备的7 0 1 是“普通型”和“经济型”数控机床，扩展应用在这些数 控机床上的数控系统的功能具有非常实际的意义。同时由于微电子技术、 通信技术、计算机技术的飞速发展，c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ，c a n ) 现场总线技术作为一种有效支持分布式控制和实时控制的串行通信局域网 络，己广泛应用于控制系统之间的数据通信。因此本课题结合c a n 总线技 术，以k n d k 1 0 0 0 m i i 型数控系统作为主数控系统，以k n d k o s 系统作 为从数控系统，设计基于c a n 总线的主从式数控系统，即主数控系统在工 作过程中通过c a n 总线接口与从数控系统进行信息交换。 本文主要研究内容如下： 首先，在分析主从数控系统现有硬件和软件基础上，根据所要实现的 功能，提出主从数控系统总件设计方案。 1 太原理工大学硕士研究生学位论文 其次，选用s t c 8 9 c 5 1 6 r i m - 单片机作为从数控系统控制芯片，仔细分 析原有硬件电路中d a 输如模块，串口通信模块，存储器扩展模块，输入 输出模块的设计原理，设计了c a n 通信接口电路，并将所有电路模块融合 为一体，运用p a d s 2 0 0 5 软件完成了电路板的原理图设计和p c b 板设计， 电路板做好后对电路中各个模块的功能均已调试成功。对系统硬件抗干扰 技术方面应注意的问题进行了说明。 再次，在分析从数控系统软件设计的基础上，从功能模块化的角度分 别实现了操作面板消息流程设计和c a n 通信程序设计。研究了圆弧捶补算 法的实现和误差情况。c a n 通信程序设计实现了c a n 底层协议中的c a n 总线控制器s j a l 0 0 0 的初始化、发送接收与中断处理程序设计，同时介绍 了广州周立功单片机有限公司制定的应用层协议一妃a n 协议。 最后，提出将主从数控系统应用到配链式刀库的加工中心的设计思想， 分析了主从数控系统在加工中心中的各自的功能分配，解释了从数控系统 作为链式刀库的定位轴的优势，阐述了主从数控系统的控制过程，分析了 c a n 协议在该加工中心的帧结构和具体应用。 关键词：主从数控系统，c a n 总线，c a n 协议，圆弧插补，链式刀库 太原理工大学硕士研究生学位论文 t h er e s e a r c ha n dr e a l i z a t i o no f c o m m u n l c a t i o nb e t w e e np r 至n c 娅i a la n d s u b o r d 烈舰c n cs y s t e m sb a s e do nc a nb u s a b s t r a c t a l o n gw i t hr a p i dd e v e l o p m e n to fm o d e mm a n u f a c t u r e ，t h ec o m m o n n u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m s ( c o m p u t e r i z e dn u m e r i c a lc o n t r o l ，c n c ) d o n tt a k e o nh i g ha u t o m a t i z a t i o na tm a c h i n ea n dt h e ya r el a c ko fn e t w o r k i n g b e c a u s eo f t h e s el i m i t a t i o n s ，t h ef u n c t i o ne x p a n s i o no fn u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m sb e c o m e s a ni m p o r t a n t h e a d i n go fn u m e r i c a lc o n t r o lt e c h n i q u ed e v e l o p m e n t t h er e s e a r c h p u r p o s eo ft h et h e s i si st oe s t a b l i s has o r to fc n cs y s t e ma r c h i t e c t u r ew i t hh i g h r e l i a b i l i t y , n e t w o r k i n ga n dh i g hc o m p l e x 。t h i sw i l lm a k ec n cs y s t e m s t ob e t t e r a d a p tt ot h en e t w o r k i n ga n di n t e g r a t i o nd e v e l o p m e n to fm o d e m m a n u f a c t u r e a tp r e s e n t ，t h ec n c s y s t e m sw i t hl i n k a g em u l t i a x e sa r ed e v e l o p e db o t h h e r ea n da b r o a da n dag r e a tm a n ya c h i e v e m e n t sa l eo b t a i n e d i no u rc o u n t r y , c n cs y s t e m sw i t hl i n k a g em u l t i a x e sa r eu s e db yr e l a t i v e l yf e wp e o p l e c o n v e n t i o n a l t y p e a n de c o n o m i c a l t y p en u m e r i c a l l y c o n t r o l l e d m a c h i n e s a c c o u n tf o r7 0 。1 i nn u m e r i c a lc o n t r o le q u i p m e n t s ，s oi th a sg r e a t l ya c t u a l m e a n i n gt ob r o a d e nf u n c t i o n so fc n cs y s t e m sa p p l i e di nc n c m a c h i n et o o l s 。 a tt h es a m et i m e ，a sar e s u l to ft h er a p i dd e v e l o p m e n to fm i c r o e l e c t r o n i c t e c h n i q u e ，c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , c o m p u t e rt e c h n o l o g y c a n ( c o n t r o l l e r 1 1 i 太原理工大学硕士研究生学位论文 a r e an e t w o r k ，c a n ) w h i c hs u p p o r t ss e r i a lc o m m u n i c a t i o nl o c a la r e an e t w o r ko f d i s t r i b u t e dc o n t r o la n dr e a l t i m ec o n t r o lh a sb e e ne x t e n s i v e l yu s e di nd a t u m c o m m u n i c a t i o no fc o n t r o l s y s t e m s t h e r e f o r e ，c o m b i n e dw i mc a nb u s ， p r i n c i p a la n ds u b o r d i n a t em o d ec n cs y s t e m sa r ed e s i g n e da n di nt h i st h e s i st h e k n d kio o o m i it y p ec n cs y s t e ma c t sa sp r i n c i p a lc n cs y s t e ma n dt h e k n d k o st y p es y s t e ma c t sa ss u b o r d i n a t ec n c s y s t e m t h ep r i n c i p a lc n c s y s t e mc o m m u n i c a t e sw i t ht h es u b o r d i n a t ec n cs y s t e mt h r o u g hc a nb u s i n t e r f a c e t h ed o m i n a n tr e s e a r c h e so ft h et h e s i sa r ea sf o l l o w s ： f i r s to fa l l ，o nt h ef o u n d a t i o no fa n a l y s e sa b o u th a r d w a r ea n ds o f t w a r e s t r u c t u r eo fp r i n c i p a la n ds u b o r d i n a t ec n c s y s t e m s ，t h ew h o l ed e s i g np r o p o s a l o fp r i n c i p a la n ds u b o r d i n a t ec n cs y s t e mi s p u tf o r w a r da c c o r d i n g t oa l l f u n c t i o nd e m a n d s s e c o n d l y , s t c 8 9 c 5 16 r d + s i n g l e c h i p i sc h o s e na sm a s t e r c h i p o f s u b o r d i n a t ec n c s y s t e m a f t e rt h ec a r e f u la n a l y s e sa b o u td ao u t p u tm o d u l e ， s e r i a lp o r tc o m m u n i c a t i o nm o d u l e ，m e m o r ye x p a n s i o nm o d u l ea n di oo u t p u t m o d u l ei ni n h e r eh a r d w a r ec i r c u i t ，c a nc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c ec i r c u i ti s d e s i g n e da n da l lc i r c u i tm o d u l e sa r ec o m b i n e dt o g e t h e r w h e nt h ec i r c u i tb o a r d i sa c c o m p l i s h e db yp a d s 2 0 0 5s o f t w a r e ，e a c hm o d u l a rf u n c t i o ni s d e b u g g e d t h ea n t i i n t e r f e r e n c et e c h n i q u ep r o b l e m so fs y s t e mh a r d w a r ea r ei l l u s t r a t e d o n c ea g a i n ，o nt h eb a s i so ft h ea n a l y s e sa b o u ts o f t w a r eo fs u b o r d i n a t e c n c s y s t e m ，t h ef l o wd e s i g no fm e s s a g ef r o mo p e r a t i n gp a n e l ，p r o g r a md e s i g n o fi n t e r p o l a t i o na l g o r i t h ma n dp r o g r a md e s i g no fc a nb u sc o m m u n i c a t i o na r e i v 太缀理工大学硕士研究生学位论文 r e a l i z e da c c o r d i n gt om o d u l a r i t yf u n c t i o n i n i t i a l i z i n gd e s i g n i n gp r o g r a mo f c a nb u sc o n t r o l l e rs j a l 0 0 0 ，s e n d i n ga n dr e c e i v i n gp r o g r a m sa n di n t e r r u p t h a n d l i n g r o u t i n e sa r ed e t a i l e d l yc a r r i e do u tb ycl a n g u a g ei nc a nb u s c o m m u n i c a t i o nd e s i g n 。i c a np r o t o c o lw h i c hi sa p p l i c a t i o nl a y e rp r o t o c o l e s t a b l i s h e db yg u a n g z h o uz h i y u a ne l e c t r o n i c sc o 。，l t d i si n t r o d u c e da tt h e s a m et i m e i nt h ee n d ，t h ea s s u m p t i o na b o u ta p p l y i n gp r i n c i p a la n ds u b o r d i n a t ec n c s y s t e m si n m a c h i n ec e n t e rw i t hc h a i l lm a g a z i n ei s b r o u g h tf o r w a r d t h e r e s p e c t i v ef u n c t i o n so fp r i n c i p a l a n ds u b o r d i n a t ec n cs y s t e m si nm a c h i n e c e n t e ra r e a s s i g n e d t h es u p e r i o r i t y o fs u b o r d i n a t ec n cs y s t e ma sc h 血 m a g a z i n ei se x p l a i n e d 。t h ec o n t r o lp r o c e s so fp r i n c i p a la n ds u b o r d i n a t ec n c s y s t e m si si u u s t m t e da n dt h ef r a m es t r u c t u r eo f i c a n p r o t o c o li sa p p l i e di nt h i s m a c h i n ec e n t e r k e y w o r d ：p r i n c i p a la n ds u b o r d i n a t ec n cs y s t e m s ，c a n b u s ，i c a n p r o t o c o l ， c i r c u l a ra r ci n t e r p o l a t i o n ，c h a i nm a g a z i n e n 毒明户明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作亨签名：奎j 己l 日期：五旅争羔吐： 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复毒l 手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；”学校可以学术交流为目的， 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 签名：奎量硷。 导师签名：荔主：咝 日期： 日期：丝型：丝 太原理工大学硕士研究生学位论文 第一章绪论弟一早珀下匕 1 1 本课题的研究背景和意义 近年来，随着微电子技术、通信技术、计算机技术的飞速发展，使工业控制网络更 加广泛地应用于生产实践中。工业控制系统由原来单一、独立的控制系统发展到复杂、 集成的工业控制网，从模拟控制到数字控制，从d d s ( d i r e c td i g i t a ls y n t h e s i s ) 到p l c ( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ) ，从集散控制系统( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ，d c s ) 到现场总线控制系统( f i e l dc o n t r o ls y s t e m ，f c s ) 。特别是近年来发展起来的现场总 线技术，以其灵活的控制方式、信息共享和低成本等特点，被广泛用于复杂的控制系统 中，构成多层的开放的自动化系统结构。而其中的现场总线c a n ( c o n t r o l l e ra r e a n e t w o r k ，c a n ) ，作为一种技术先进、可靠性高、功能完善、成本合理的远程网络通 讯控制方式，更是逐步被广泛应用到各种控制领域。 同时数控系统( c o m p u t e r n u m e r i c a lc o n t r o l ，c n c ) 控制也向智能化、高可靠性、 网络化、复合化、多轴联动化方向发展。数控系统是机床制造业的核心部件。通过数控 技术的指挥调度，复杂的车、铣、刨、磨、镗等工序就可以在一台机床上轻松地自动完 成。经过5 0 多年的发展，多轴联动数控系统成为当今世界数控机床发展的最尖端技术 领域。多轴联动的高性能数控机床，能同时控制四个以上坐标轴的联动，但是应用其上 的数控系统的价格却非常昂贵，所以在我国高档数控系统和数控机床的应用所占比例较 少，且按照通常的分类标准，“普通型 和“经济型”数控机床共占企业现有数控装备 的7 0 1 ，所以扩展应用在普通数控机床上的数控系统的功能具有非常实际的意义。对 于普通的数控机床而言，其自动化程度上还不够完善，刀具的更换与零件的装夹仍需人 工来完成，只能实施一个工序的数字控制，自动化程度不高，效率较低。这样就需要有 一种数控系统除了能保证正常的加工，还能自动实现刀具的更换与零件的装夹，并且价 格经济，这样就能极大的拓展“普通型 数控系统的应用领域，适用于更多的自动化操 作。 本文将两个数控系统通过c a n 总线相连接，实现集中或分散的实时控制。目前国 内的铣床( 三轴或四轴) 数控系统多为普通型数控系统，由于在很多机械加工中自动化 程度不高，限制了它在很多加工中的应用。单轴的数控系统虽然结构最简单，但适用范 1 太原理工大学硕士研究生学位论文 围很广，今后仍有很多的适用场合，比如工作滑台，c n c 分度头，自动贴标机等等。 如果将铣床( 三轴或四轴) 数控系统与单轴的数控系统通过c a n 总线相连，定能扩展 铣床数控系统的应用领域，满足更高的加工需求，降低产品的生成成本，同时对于c a n 总线在数控行业中的应用具有重要意义。 1 2 现场总线的发展现状 1 2 1 多种现场总线技术标准共存 1 9 8 4 年美国就已开始制定现场总线的国际标准。1 9 8 8 年i e c t c 6 5 下设的s c 6 5 c 成立了w g 6 专门负责现场总线技术标准化的具体工作。但是，近2 0 年来，世界上一些 大公司为了各自利益，围绕着现场总线的国际标准不断进行激烈的争论，屡经挫折，先 后经过多次投票表决，协商妥协，于2 0 0 1 年1 月4 日发布了现场总线国际标准 i e c 6 1 1 5 8 ，其中包括了8 种互不兼容的总线标准。与此同时，一些国外的大公司还在推 出自己的标准，如日本三菱、法国s h n e i d e r 公司。因此，多种现场总线技术标准共存、 相互竞争的格局已经形成1 1 。 1 2 2 现场总线在我国的发展 中国已经成为各种现场总线激烈争夺的重要市场，一些世界主要的现场总线组织在 中国都设立分支机构，如：d e v i c e n e t 、f o u n d a t i o nf i e l d b u s 、l o n w o r k s 、p n e t 、p r o f i b u s 和w o r l d f i p 等。国内企业开发的产品开始投入使用，采用的现场总线有：c a n 、h a r t 、 f f 、l o n w o r k s 、p r o f i b u s 等。但是，我国还没有自己的现场总线技术标准，一直以来只 能跟踪国外的技术发展动向，在竞争中处于被动。因此，研究现场总线网络环境通信协 议，探索现场总线与以太网以及和i n t e m e t 的融合问题，研究具有自主知识产权的现场 总线技术是当务之急。 1 2 3 现场总线控制系统 现场总线控制系统既是一个开放通信网络，又是一种全分布控制系统。它作为智能 设备的联系纽带，把挂接在总线上、作为网络节点的智能设备连接为网络系统，并进一 步构成自动化系统，实现基本控制、补偿计算、参数修改、报警、显示、监控、优化及 管理控制一体化的综合自动化功能。这是一项以智能传感器、控制、计算机、数字通信、 网络为主要内容的综合技术。 以前，在国内控制领域，由于没有更好的选择，大多采用r s 2 3 2 或r s 4 8 5 作为通 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 信方式。这种信息交流方式效率极低，很不利于信息资源共享。其不足主要有：一主多 从，无冗余；数据通信为命令响应，传输率低；错误处理能力弱。采用c a n 总线技术 后即可解决上述问题。c a n 网络上任何一个节点均可作为主节点主动地与其他节点交 换数据；a 谢网络节点的信息帧可以分出优先级，这对于有实时性要求的控制提供了 方便；c a n 的物理层及数据链路层有独特的结构，使其在抗干扰以及错误检测等方面 的性能均大大提高。c a n 的上述特点使起成为诸多工业测控领域中首选的现场总线之 一，它的高性能价格比决定了它在许多领域都有广阔的应用前景和发展潜力。 1 3 数控系统的发展趋势 数控系统发展趋势呈多样纯，开放式数控亦包括其中。当翦数控系统发展的主要趋 势如下1 2 1 。 1 高速、高精度、高可靠性 高速：机床向高速化方向发展，可充分发挥现代刀具材料的性能，不但可大幅度提 高加工效率、降低加工成本，而且还可提高零件的表面加工质量和精度。 高精度：从精密加工发展到超精密加工( 特高精度加工) ，是世界各工业强国致力 发震的方向。其精度从微米级到亚微米级，乃至纳米级( 1 0 r i m ) ，其应用范围霉趋广 泛。 高可靠性：指数控系统的可靠性要高于被控设备的可靠性在一个数量级以上，但也 不是可靠憔越高越好，仍然是适度可靠，因为是商品，受性麓价格篦的约岽。 2 模块化、智能化、柔性化和集成化 模块化、专门化与个性化：为了适应数控机床多品种、小批量的特点，机床结构模 块化，数控功能专门他，机床性裁价格比显著提离并加快优化。个性纯是近几年来特别 明显的发展趋势。 智能化：智能化的内容包括在数控系统中的各个方面：首先，为追求加工效率和加 工质量方磷的智能纯，如自适应控制，工艺参数爨动生成；其次，为提高驱动性能及使 用连接方便方面的智能化，如前馈控制、电机参数的自适应运算、自动识别负载自动选 定模型、囱整定等；再次，简化编程、简化操作方面的智能化，如智能化的自动编程， 智能纯的入桃界面等；最后，智能诊断、智能监控方面的内容，方便系统的诊断及维修 等。 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 柔性化和集成化：数控机床向柔性自动化系统发展的趋势是：从点( 数控单机、加 工中心和数控复合加工机床) 、线( 剐c 、f m s 、嗣 1 l 、刚l ) 向面( 工段车间独立制 造岛、f a ) 、体( c d d s 、分布式网络集成制造系统) 的方向发展，另一方面向注重应 用性和经济性方良发展。 3 开放性 开放性。为适应数控进线、联网、普及型个性化、多品种、小批量、柔性化及数控 迅速发展的要求，最重要的发展趋势是体系结构的开放性，设计生产开放式的数控系统。 4 出现新一代数控加工工艺与装备 首先，为适应制造自动化的发展，向f m c 、f m s 和c i m s 提供基础设备，要求数 字控制制造系统不仅能完成通常的加工功缝，而且还要具各自动溯量、自动上下料、自 动换刀、自动更换主轴头( 有时带坐标变换) 、自动误差补偿、自动诊断、进线和联网 等功能，广泛地应用机器人、物流系统；其次，f m c ，f m s ，w e b - b a s e d 制造及无图纸 制造技术；霉次，星绕数控技术、制造过程技术在快速成型、并联槐构枫床、机器人亿 机床、多功能机床等整机方面和高速电主轴、直线电机、软件补偿精度等单元技术方面 先后有所突破。并由联杆体系结构的新型数控机床实用化。这种虚拟轴数控机床用软件 的复杂性代替传统机床机构的复杂往，开拓了数控机床发展的新领域；第圈，以计算机 辅助管理和工程数据库、因特网等为主体的制造信息支持技术和智能化决策系统。对机 械加工中海量信息进行存储和实时处理。应用数字化网络技术，使整个机械加工系统趋 于资源合理支配并高效地应用。最后，由于采用了神经网络控制技术、模糊控铡技术、 数字化网络技术，机械加工向虚拟制造的方向发展。 l 。4 本课题研究的研究内容 本课题的任务是设计一种主从式数控系统，基于现有的数控系统( k n d 。k 1 0 0 0 m i i 型和x n 良羹s ) 和c a n 总线。应用c a n 的高层协议实现主数控系统对款数控系统的 控制，使主控制系统通过从数控系统能多控制一个伺服电机，从而拓展整个系统的应用 范围。具体研究内容如下： 薹。c a n 总线性能研究 c a n 总线属于现场总线范畴，是种串行数据通信总线，在现场总线中，最早被 列入i s o 国际标准。这里就其性能进行了研究。 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 c a n 总线应用层协议在数控系统应用中的研究 c a n 总线已经广泛应用在控制领域中，但数控系统中c a n 麴应用还较少，特别是 数控系统中c a n 的应用层协议应用实例较少，所以要寻找合适的c a n 的应用层协议。 3 从数控系统部分硬件电路的设计 研究了数控系统硬件电路原理，仔细分析从数控系统中各电路模块硬件电路，根据 课题的需蒙需在原有的电路基础上增加c a n 接阴模块，融合电路板上的其他模块重新 完成电路扳的设计。 4 从数控系统软件的设计 在所构建的数控系统结构的基础上，对从系统( 下位机) 软件进行了设计，重点研 究了通信模块。找到合适的通信协议的前提下进行下位机通信软件的设计。研究了操作 面板清息处理流程和藏弧插辜 算法。进行了时闻分割法医弧插脊算法的精度分析。 5 提出了将所研究的主从式数控系统应用到配有链式刀库的加工中心的设想，在该 具体环境下分析c a n 协议的具体应用，分析了该协议在该应用中的帧结构。 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章系统总体设计 2 1 数控系统的结构分析 c n c 系统组成框图如图2 - 1 中虚线框内所示，由数控程序、输入输出( i o ) 设备、 c n c 装置、可编程控制器( p l c ) 、主轴驱动装置和进给驱动装置( 包括检测装置) 等 组成3 1 。 + i 主轴控制单元卜_1 主轴电机 斗 p l c 数 - i 机床 i 数控程序 输入装置 h 控 系 7 i 愿发弪创早兀l_ 进给电机 统 - i 位置检测 图2 一lc n c 系统组成 f i g 2 1t h eb u i l d u po fc n cs y s t e m 数控装置包括硬件和软件两部分，硬件支持软件的运行，但离开软件，硬件无法工 作，两者构成一个有机整体，协同实现c n c 的控制功能，随着微电子技术和计算机技 术的发展，c n c 装置的性能越来越高，且价格越来越低。 数控装置的硬件除了具有一般计算机的基本结构外，还具有数控机床所特有的功能 模块与接口单元，图2 2 是c n c 硬件结构的一个实例【4 】。 数控装置的软件又称系统软件，由管理软件和控制软件两部分组成。管理软件包括 零件程序的输入输出程序、显示程序和数控装置的自诊断程序等：控制软件包括译码程 序、刀具补偿计算程序、速度控制程序、插补运算程序和位置控制程序等。数控装置的 软件框图如图2 3 所示。 如前所述，c n c 系统软硬件是互补的，c p u 程序可以实现任何逻辑，但为了提高 机床的进给速度，c n c 中一些实时控制模块可完全由硬件完成，硬件插补器就是一例。 这样c p u 只作一些插补前的准备工作，位置控制交由硬件电路来完成。实现同一控制 功能，在软硬件的功能划分上可能存在多个方案。 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 图2 - 2 c n c 系统硬件组成 f i g 2 - 2t h eb u i l d u po f c n cs y s t e m sh a r d w a r e 2 2 系统整体设计 图2 - 3c n c 系统软侍组成 f i g 2 3t h eb u i l d u po f c n cs y s t e m ss o f t w a r e 基于c a n 总线的主从数控系统的结构框图如图2 4 所示，该系统由两大部分组成： 一部分为主数控系统( 上位机) ，另一部分为从数控系统( 下位机) 。其中主数控系统 以铣床数控系统k n d 。k 1 0 0 0 m i i 为研究对象，从数控系统以肇轴数控系统k n d - k o s i 冀 为研究对象。 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 3c a n 总线性能研究 霹2 堪系统结构蹬 f i g 2 s y s t e mc o n f i g u r a t i o n 2 3 1c a n 总线简介 c a n 是控制局域网络的简称，最旱有德国b o s c h 公司推爨，用于汽车内部测量与 执行部件之间的数据通信。其总线规范现己被i s o 圜际标准组织制定为国际标准。c a n 协议也是建立在国际标准组织的开放系统互联基础上的，不过，其模型结构只有3 层， 即只取o s i 底层的物理层、数据链路层和项层的应用层。 c a n 的信号传输采孺短帧结构，每一帧的有效字节数为8 个，因而传输时间短， 受干扰的概率低。它支持点对点、一点对多点和全局广播方式收发数据。它采用总线仲 裁技术，当嬲现几个节点溺时在网络上传输信息时，优先级高的节点可继续传输数据， 丽优先级低的节点则主动停止发送，从而避免了总线冲突。当节点严重错误时，它具有 自动关闭功能，以切断该节点的信息。日前许多现场总线的介质访问均为主从或令牌方 式，如f f 、p r o f i b u s 、h a r t 、w o r l d f i p 等。主从方式的主要缺点是当主站出现故 障时，整个系统就会瘫痪，而令牌方式是对各个通信站逐个访问，当环路上同时需要通 信的站点很多时，有些站等待的时间将比较长，因而实时性较差。另外使用f f ，h a r t 等总线协议需要加入其协会，每年要交一定的费用。丽c a n 为多主方式，协议也是公 开的，免费使用。因此c a n 总线被认为是最有发展前景的现场总线之一。 2 3 2c a n 的技术特点 c a n 总线属于总线式串行通信网络，由于采用了许多新技术及其独特的设计，与 一般通信总线相比，c a n 总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性，其特 点可概括如下： 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 c a n 总线以多主方式工作，网络上任意节点均可在任意时刻主动地向网络上其 他节点发送信息，而不分主从，通信方式灵活，且无需占地址等字节信息。利 用这点方便地构成多机备份系统。 c a n 网络上的节点信息可分不同的优先级，可满足不同的实时要求，商优先级 的数据可在董3 4 茚内得到传输。 c a n 采用非破坏性总线仲裁技术，当多个节点同时向总线发送信息时，优先级 较低的节点会主动地退出发送，丽最高优先级的节点可不受影响地继续传输数 据，从而大大节省了总线冲突仲裁时间。尤其在网络负载很重的情况下也不会 出现网络瘫痪情况。 c a n 总线只需通过报文滤波即可实现点对点、一点对多点及全局广播等几种方 式传送接收数据，无需专门的调度。c a n 总线的直接通信距离最远可达1 0 k i n ( 速率5 k b p s 以下) ；通信速率最高可达1 m b p s ( 此时透信躐离最长为4 0 m ) 。 c a n 上的节点数主要取决于总线驱动电路，目前最多可达1 1 0 个，报文标识符 可达2 0 3 2 种( c a n 2 0 a ) ，而扩展标准( a 小2 0 b ) 的报文标识符几乎不受限 制。 c a n 的每帧信息都有c r c 校验及其它检错措施，保证了数据出错率极低。c a n 的通信介质可为双绞线、同轴电缆或光纤，选择灵活。 2 3 。3c a n 的连接和传递方式 c a n 是一个多主机局郝两，它的通信串行链路采用一条多个单元均可连接的总线， 单元总数受限于延迟时间和总线的电气负载。该总线可用各种方法实现，如差分驱动平 衡双绞线、单线( 加地线) 、光纤等，其中常用的为第一种。总线上的数据可具有两种 互补的逻辑值之一：显性( d o m i n a n t ) 和隐性( r e c e s s i v e ) 。在两个单元同时分别发送 显性和隐性电平时，主线上的数值将是显性电平。在总线采用线与操作时，显性电平用 逻辑0 表示，而隐性电平显示重。 c a n 总线中，各节点应使用相同的位速率。它的每位时闯由舄步段、传播段、相 位缓冲段1 和相位缓冲段2 组成。发送器在同步段前改变输出的位数值。接收器在相应 的两个相位缓冲段之间采样输入位值。而两个相位缓冲段长度可自由控制，以保证采样 的可靠性。除此之外，由于各节点的时钟总有小的差异，c a n 总线使用特殊的时钟同 步技术来保证时钟的同步性，并在实际传送中，遇到连续的五位发送相同时，将自动插 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 入一个补码位( 除了发送固定格式字段时) 1 6 1 。 2 3 4c a n 的报文 c a n 总线以报文为单位进行信息传送。报文中包括标志符d ，它也标志了报文的 优先权。c a n 总线上各个节点都可以主动发送。如同时有两个或更多节点开始发送报 文，采用标志符m 来进行仲裁，发送具有较高优先权报文节点赢得总线使用权，而其 他节点自动停止发送。在总线再次空闲后，这些节点将自动重发原报文。c a n 系统中， 一个c a n 节点不使用有关系统结构的任何信息( 如站地址等) 。报文中标志符d 并不 指出报文的具体地址，而是描述数据的含义。网络中的所有节点都可由d 来自动决定 是否接受报文。每个节点都有i d 寄存器和屏蔽寄存器，接受到的报文只有与该屏蔽的 功能相同时，该节点才开始正式接受报文，否则它将不理睬d 后面的报文。这使c a n 系统非常灵活，可任意扩展或改变网络组成。 c a n 支持4 种不同类型报文帧。 1 数据帧 数据帧用于在各个节点之间传送数据或命令，它由7 个不同的位场组成：帧起始、 仲裁帧、控制帧、数据帧、c r c 帧、应答帧和帧结束，如表2 - 1 所示： 表2 - 1c a n 总线的数据帧 1 2 山2 1d a t af r a m eo f c a nb u s i 帧起始仲裁场控制场数据场c r c 场应答场帧结束i i s o f 1 1 位标识符 r t rr 1t od l c ( 4 )8 x n 位 1 6 位2 位 7 位 i 帧起始( s o f ) 标志数据帧的开始。它由一个主控位构成。 仲裁场由1 1 位标志符( d ) 和远程发送请求位( r t r ) 组成，其中最高7 位不 能全是隐性位。d 决定了报文的优先权。如显性位为o ，隐性位为1 ，则i d 的 数值越小，优先级越高，对数据帧，r t r 为显性电平。 控制场r 1 和m 为保留位，应发送显性电平。d l c 为数据长度码n ，它为0 - 8 。 数据场允许的数据字节长度为0 8 ，由n 决定。 c r c 场采用1 5 位c r c ，其生成多项式为 x 1 5 + x 1 4 + x 1 0 + x 8 + x 7 + x 4 + x 3 + 1 c r c 场的最后一位为c r c 分隔符，它为隐性电平。 应答场包括应答位和应答分隔符。发送站发出的这两位均为隐性电平。而正确 1 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 的接受到有效报文的接收站，在应答期间应传送显性电平给发送站。应答分隔 符应为隐性电平。 帧结束由7 位隐性电平组成。 以上为标准格式的数据帧，除此之外，在c a n 规范中，还定义了扩展格式的数据 帧，它的标志符扩展为2 9 位。它的前1 1 位标志符后的两位为s r r 和i d e ，它们均为 隐性电平这使它的优先级低于标准格式的数据帧在前1 1 位标志符相同时，后面为新增 的1 8 位标志符，其余与标准格式相同。 2 远程帧 接收数据的站可发送远程帧来要求源节点送数据。它由六个位场组成：帧起始、仲 裁场、控制场、c r c 场、应答场和帧结束。除了没有数据场和仲裁场的位为隐性电平外， 远程帧和数据帧完全相同。它也有标准和扩展两种格式。 3 出错帧 出错帧由错误标志表和错误分隔符组成。接收站在发现总线上的报文出错时，将自 动发出“活动错误标志”，它为六个连续的显性位。由于各个接收站发现错误的时间可 能不同，总线上的实际错误标志可能由6 - 1 2 位显性位组成。在错误标志后为8 个隐性 位组成的错误分隔符。每个站发送错误标志后，开始发送隐性电平，并监视总线，在检 测到出错误条件时，将发送“认可错误标志 ，它为6 个连续的隐性位。 4 过载帧 过载帧由过载标志和过载分隔符组成。过载帧只能在一个帧的结束开始。在一个接 收站要求延时下一个数据或远程帧，或在帧间空间的间歇场的第1 、2 位检测到显性位 及在错误、过载分隔符的最后一位采样到显性位，开始发送过载帧。过载标志由6 个显 性位组成，而总线上的实际过载标志为6 7 位。过载分隔符为8 个隐性位。 5 帧间空间 。 数据帧和远程帧与前面的任何帧用帧间空间分隔开。它包括间歇场和总线空闲场。 间歇场由3 个隐性位组成。总线空闲场可为任何长度，此时总线处于空闲状态，允许发 送站发送新报文。对于已发送“认可错误标志 的站，它在间歇场后还将送出8 个隐性 位。 2 3 5 错误检测 c a n 为了提高干扰能力和数据的可靠性，采用了多种错误检测手段。 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 发送监视 发送站时刻检测它发送的每一位数值，如监视到的总线数值与发送的数僮不同时， 则为位错误。 2 填充错误 在应用位填充方法进行编码的报文字段中，出现了6 个连续相同位电平。 3 c r c 错误 接收站计算得出的c r c 序列与接收到的不阍。 4 应答错误 在应答位期间，发送站未检测到显性位。发现出错误时，接收站将发送活动出错标 志，而发送站将发送认可挺错标志。 c a n 总线的原理和基本应用可参见文献【7 】。 1 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 第三章系统硬件电路设计 系统硬件的设计任务主要是下位机数控系统的设计，下位机为单轴的数控系统，其 硬件结构如图3 一l 所示如下： c p u r o m r a m 接 口 o u t 接 口 其它 接 口 通信 控制 接口 位置 控制 接口 主轴 控制 接口 i ， c r t 接口 手摇脉 冲发生 器接口 3 。1 硬件设计原则 图3 - 1 下位机硬件结构图 f i g 。3 1h a r d w a r es t