（通信与信息系统专业论文）基于can总线的冲压成形嵌入式控制系统设计研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 多压头冲压成形是根据板材曲面变形特点，按照指定的最佳变形路径对板材 进行成形。这种技术具有使用灵活、应用范围广等优点。因此，在板材三维曲面 成形的技术方法中，冲压成形技术是一种非常理想的选择。冲压成形设备中对各 个压头点高度的调整是整个系统必须首先解决的问题，它直接关系到冲压成形设 备的研制成败，也对冲压成形设备的实际推广起着十分重要的作用。 控制器局域网( c o n t r o l l e r a r e a n e t w o r k ，c a n ) 是一种专门为汽车行业开发 的串行总线，它是一种实时性和可靠性很高的现场总线，能够有效地支持分布式 控制系统。并使之十分适合用在工业控制领域。 本文首先介绍了当前国内外多压头冲压成形技术及其控制系统的研究发展 现状。在分析c a n 总线通信的原理和方法的基础上，对基于c a n 总线的冲压 成形嵌入式控制系统进行了设计，给出了冲压成形嵌入式控制系统的总体工作结 构，使用v c 设计控制压点动作的上位机软件，实现对压点高度的自动控制。下 位机使用自定义协议通过c a n 总线与上位机通信，从上位机获取控制信息然后通 过控制步进电机驱动器实现控制压点高度的目标。并由于冲压成形嵌入式控制系 统多使用于恶劣的环境，在设计时重点考虑了系统的工作稳定性。 最后对控制系统的各个模块进行测试，结果表明本次设计的基于c a n 总线 的冲压成形嵌入式控制系统工作良好。 关键词：冲压成形；c a n 总线；多点控制；步进电机驱动 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t m u l t i - i n d e n t e rs t a m p i n gb a s e do nt h ep l a t es u r f a c ed e f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s ， t h eo p t i m a ld e f o r m a t i o np a t hi na c c o r d a n c ew i t ht h es p e c i f i e ds h e e tf o r m i n g t h i s t e c h n i q u ew i t ht h eh s eo ff l e x i b l e ，a 晰d er a n g eo fa p p l i c a t i o n s t h e r e f o r e ，i nt h e t e c h n i q u e so ft h r e e d i m e n s i o n a ls u r f a c es h a p eo f t h ep l a t e ，s t a m p i n gt e c h n o l o g yi sa l l i d e a lc h o i c e s t a m p i n go ne a c hi n d e n t e rp o i n th e i g h ta d j u s t m e n td e v i c ei st h ee n t i r e s y s t e mm u s tf i r s ts o l v et h ep r o b l e m ，i ti sd i r e c t l yr e l a t e dt ot h ed e v e l o p m e n to ft h e s u c c e s so rf a i l u r eo ft h es t a m p i n ge q u i p m e n t ，m e t a lf o r m i n gt h ea c t u a lp r o m o t i o no f t h ed e v i c ep l a y sav e r yi m p o r t a n tr o l e c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r kc a n ) i sad e d i c a t e ds e r i a l b u sd e v e l o p e df o rt h ea u t o m o t i v ei n d u s t r y ，i ti sar e a l t i m ea n dr e l i a b i l i t yo fh i g h f i e l d b u s ，c a ne f f e c t i v e l ys u p p o r tt h ed i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m m a k ei tv e r ys u i t a b l e f o ru s ei nt h ef i e l do fi n d u s t f i a lc o n t r 0 1 t h i sp a p e rf i r s ti n t r o d u c e st h es t a t u sq u oo fc u r r e n tr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to f d o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a l m u l t i h e a ds t a m p i n gt e c h n o l o g ya n di t sc o n t r o ls y s t e m f o r m i n gt h ee m b e d d e dc o n t r o ls y s t e mb a s e do nc a n b u ss t a m p i n go nt h eb a s i so ft h e p r i n c i p l e sa n dm e t h o d so fa n a l y s i so fc a n b u sc o m m u n i c a t i o n ，d e s i g n ，g i v e nt h e s t r u c t u r eo ft h eo v e r a l lw o r ko ft h es t a m p i n go fe m b e d d e dc o n t r o ls y s t e m su s i n gt h e v cd e s i g nc o n t r o lp r e s s u r ep o i n tm o v e m e n t sp cs o f t w a r e ，t oa c h i e v eah i g hd e g r e eo f a u t o m a t i cc o n t r o lo fp r e s s u r ep o i n t t h en e x tb i tm a c h i n eu s i n gc u s t o mp r o t o c o l c o n t r o li n f o r m a t i o no b t a i n e df r o mt h eh o s t c o m p u t e r v i at h ec a nb u st o c o m m u n i c a t ew i t ht h eh o s tc o m p u t e r ，a n dt h e nb yc o n t r o l l i n gt h es t e p p e rm o t o rd r i v e t oa c h i e v eah i g hd e g r e eo ft a r g e tt oc o n t r o lt h ep r e s s u r ep o i n t k e yc o n s i d e r a t i o ni n t h ed e s i g na n de m b e d d e dc o n t r o ls y s t e m su s e di nh a r s he n v i r o n m e n t sd u et os t a m p i n g t h ej o bs t a b i l i t yo f t h es y s t e m f i n a l l y ，t h ev a r i o u sm o d u l e so ft h ec o n t r o ls y s t e mt e s t r e s u l t ss h o wt h a tt h e d e s i g no fe m b e d d e dc o n t r o ls y s t e mb a s e do nc a n b u ss t a m p i n gf o r m i n g 。 k e y w o r d s ：s t a m p i n g ；t h ec a nb u s ；m u l t i - p o i n tc o n t r o l ；s t e p p i n gm o t o r d r i v e r i l 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题来源、研究背景及意义 1 1 1 课题来源 本课题来源于国家自然科学基金：双曲度船体外板非对压多压头冲压成形 关键技术研究( 批准号：5 0 8 7 5 1 9 1 ) 。 1 1 2 研究背景及意义 多年以来，国内外造船厂对船体外板曲面的加工，一直是采用磨具锻造的方 式，即使用压力机与水火弯曲相结合方式进行的。这样的生产方式效率比较低 低，弯板质量也不能保证，并且还会严重污染环境，因此船外板曲面加工成为了 造船业展的瓶颈瞄。船舶是一种超大型结构物，造船中的船体外板相同构件的批 量极少、形状复杂、尺度较大、曲率较小，采用整体式的大型模具进行冲压成形 实现难度很大。因此要解决船体外板加工的遇到的困难，必须有新的思路来实现 突破现有的技术。 多压头冲压板材曲面成形装置，将传统的整体模具离散化，变成曲面形状可 变的可重构模具，可用于多种形状的板材成形，对于像船体这样的小曲率大型构 件，多压点冲压成形是一个很好的解决方法。 通常所用的模具成形技术中使用的是整体模具成形的方法，它使用上下两个 凹凸相匹配的曲面对板材进行挤压实现板材的成形( 如图1 - 1 所示) ，因此要生产 一种形状的板材必须由相对应的模具才行。如板材的形状发生变化必须重新设计 模具的形状，因此板材的生产周期会变长，同时生产成本也会上升。多压点冲压 图1 - 1 模具成形图卜2 多点成形 武汉理工大学硕士学位论文 成形设备可以控制每个压点的高度，实现模具曲面的动态调整( 如图1 - 2 所示) 。 如此以来当船体外曲面发生变化的时候只需要相应的调整一下曲面形状即可，可 以有效的减少生产周期和生产费用h 。 多压头冲压成形可以根据板材曲面形变的特点，控制板材顺着最佳的变形路 径进行成形。这种技术具有使用灵活、省时省力、费用低廉、应用范围广等优点。 因此在板材的曲面成形的技术方法中，多压头冲压成形技术是一种十分理想的曲 面成形技术。目前，国内将多压头成形技术应用在船体外板加工方面的研究除本 校外还基本属于空白，而在国外也只属于刚起步研究阶段。 多压点成型设备中对各个压点形状的调整是整个设备必须首先解决的问题， 它直接关系到多压点成形设备的研制成败。调形效率是多压点成形系统要考虑的 重要因素，串行调形对基本体进行调整时，时间较长，效率较低。对于大型板材成 形、基本体数目较多时，其调形效率更低，影响了生产。并行调形是一种相对于串 行调形的快速调形技术，它对每一个基本体同时调整，调整的时间不再随着基本 体数量的增加而增加，可以极大地提高了多压点冲压成形设备的调形效率。与串 行调形方式相比，这种并行调形技术更能充分发挥出多压点成形的快速特点，实 现板材三维曲面的高效率快速成形。对于基本体数量多、成形面积大的多压点成 形设备，并行调形方式更具有优越性，更能适应现代化和自动化的要求晦删。 本文在借鉴前人的基础上设计了一种整体调形控制的方法，可以提高调形的 速度和精度，为进一步提高多压点冲压成形设备的调形效率提供了参考。控制系 统是多压点成形设备的重要组成部分，其设计与研究对多点成形技术的实际应用 具有十分重要的意义。 1 2 相关领域的国内外研究与发展现状 1 2 1 多点成形技术及设备的研究与发展现状 早在二十世纪六十年代，日本正处于二战失败后的经济迅速崛起时期，由于 经济的发展导致的海上贸易逐渐发展起来。海上贸易也使日本的造船业迅速发展 壮大起来，但是当时的造船业使用传统的水火弯曲的加工方法制造船体外曲面， 这种方法严重限制了造船效率的提高。由此日本人在当时提出了多点成形技术， 之后日本和美国的多所高校都对多点冲压成形技术进行了一系列的研究和实验， 并提出了不少有价值的技术思路，为多点冲压成形以后的法杖做出了一定的贡 献，同时也使多点冲压成形技术由实验室走向产业应用铺平了道路。 2 0 世纪6 0 年代，日本东京大学的中岛尚正等学者制作了一个简易的多点成 形设备，它是由很多的钢丝捆在一起组成的钢丝捆。通过手动调节钢丝捆里面每 2 武汉理工大学硕七学位论文 一根钢丝的高度来调节钢丝捆形成的曲面，这里面没有使用任何自动控制的法， 只能说是对冲压成形的理论研究做了一次实验尝试。 1 9 8 9 年，东京大学的野本等人对多点成形压力机的成形方面做了大量的实 验和研究工作。他们在每一个压点上面都安装了压力传感器，可以实时的测量每 一个压头上的压力。但是他们只是对对一些板材形面积较小的一些三维曲面进行 了多点成形的实验研究，现实中并未应用到实际的生产中。 1 9 8 0 年至1 9 9 3 年，美国麻省理工学院( m i t ) d a v i d e h a r d t 等人，也对多点 成形进行了长达十几年的研究，他们研制出一台实验室原型机。原型机使用多压 头冲压的方式，每8 个压头分为一组，每一组压头使用一个电机进行高度调整， 控制系统首次使用工业现场总线与上位机进行通信，实现了使用计算机控制的调 形自动控制，并在控制理论上提出了板材闭环成形控制技术”。o 这应该说是 多点成形控制系统研究过程中最大的进步，为多点成形技术能够应用到实际生产 中铺平了道路。 多点成形方法与传统模具成形方法的一个非常重要的区别就是它具有十分 灵活加工的特点，即由压点形成的曲面可以根据需要而任意改变。可以利用这个 特点，既可以在成形前也可在成形过程中改变压点的高度来改变被成形件的变形 路径及受力状态，快速经济地实现三维曲面自动成形，从而实现模具灵活可变的 构想”如。这种方法适应小批量快速生产的要求，是工业生产向集成化和智能 化方向发展迈出的重要一步。 1 2 2 多点成形控制系统的研究与发展现状 多点成形控制系统主要由c a d c a m 曲面设计软件，计算机上位机控制软件， 通信主机和电机驱动设备组成( 如图1 - 3 所示) 。需要成形的曲面的各个压点数 据由c a d c a m 软件根据所需设计的目标形状生成，计算机上位机软件对生成的压 点数据处理之后生成通信主机能够认识的指令，通信主机接收到命令之后就会控 制电机控制设备调节每一个压点的高度生成所需要的曲面形状。 c a d c a m 卜 上位机控制 卜 电机驱动 软件 矿 软件 通信主机 图1 - 3 多点成形控制系统结构 在多点成形控制中的一个重要工序“调形 是通过调整各个压点的高度，使 压点形成的包络面组成所需的成形曲面的过程。但是多压点冲压成形设备中的压 点数量较多，如何对每个压点的高度进行精确的调整也就成了研制多压点冲压成 武汉理工大学硕士学位论文 形控制系统的主要任务旷。训。根据调形的基本特征及压点调整机构工作原理的 不同，可将调形方式分为串行调形、并行调形。 串行调形是依次调整每一个压点的过程，在多压点冲压成形技术发展的初 期。实验人员为了调整压点组成包络面的形状，使用手动的方法依次调节压点的 高度。串行调形就是在这个基础上发展出来的一种调形方法，该方法使用两台电 机控制机械手在x 、y 轴上移动，依次移动到每一个压点的位置，机械手上也有 一个电机负责调整压点的高度。串行调形的整个过程包括机械手的移动，机械手 的对接，机械手调整压点高度几个动作，这些动作都是依次进行的，当压点的个 数很多的时候整体的调节时间就相当的长。 并行调形可以同时对每一个压点进行调形，其调形效率很高。每一个压点都 会有一个独立的电机来控制压点的高度，每一个电机都会有一个控制器接收上位 机发送的统一的命令，接收到命令之后控制器会控制电机自动的调整压点的高 度，所有压点高度的调节都是并行进行的。 1 3 本文的主要研究工作 本文将c a n 总线应用到多冲压成形控制系统上，设计出能够实现对多个压点 自动控制的嵌入式控制系统。整个系统主要分为上位机控制软件部分、c a n 总线 通信部分和电机驱动部分。上位机软件控制部分主要是实现手动控制和文件自动 加载生成电机动作指令，上位机与通信节点之间使用c a n 总线通信，在通信节点 接收到上位机传输来的控制指令之后解释指令并控制电机控制器调节压点高度。 本论文的主要工作包括以下几点： ( 1 ) 设计上位机控制软件。上位机控制软件加载解析曲面数据信息，根据 当前压点状态生成控制指令，控制压点高度。 ( 2 ) 设计通信节点。上位机软件向下传送的控制命令由通信节点接收并翻 译成相应的动作来控制电机驱动器。 ( 3 ) 设计上位机与通信节点之间的通信协议。上位机与通信节点之间通信 必须有相应的通信协议来实现彼此的沟通，由于本控制系统为专用的系统，没有 现成的通信协议可以使用，必须自己根据实际情况自行设计通信协议。 ( 4 ) 设计步进电机控制器。步进电机工作的时候必须要有专用的控制器才 能正常工作，步进电机控制器实现控制时序到电机驱动的转换。 ( 5 ) 对多点成形控制系统工作中的稳定性和抗干扰能力进行研究，找出提 高系统工作稳定性和抗干扰能力的方法。 4 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章冲压成形控制系统总体结构分析 冲压成形嵌入式控制系统是冲压成形设备中十分重要的一部分，整个系统主 要由位机控制软件部分、c a n 总线通信部分和电机驱动部分组成。它对多点成 形后的效果有非常重要的作用。 2 1 冲压成形控制系统的功能需求 冲压成形控制系统作为冲压成形设备的大脑，其设计是一项较为复杂的工 程。加之控制系统在实际生产中工作环境比较恶劣，因此对冲压成形控制系统的 要求也比较严格，主要由以下几点组成： ( 1 ) 功能齐全 控制系统中的上位机能够识别解析c a d c a m 软件生成的数据文件，自动跟据 数据文件的内容控制曲面成形。除了可以自动生成曲面之外还可以手动调整每一 个压头的高度。 ( 2 ) 操作方便 多压点冲压成形设备最后还是由普通工人来操作，其人机界面设计的不宜太 过复杂，越简单越好，可以减少操作人员操作出错。系统还能够显示各个压点的 状态，以便于当场发现问题。 ( 3 ) 抗干扰能力强 多点冲压成形设备生产出来后可能会被安放在环境恶劣的工厂中使用，为提 高系统工作的稳定性，设计控制系统时要提高系统的抗干扰能力。 ( 4 ) 精度高 板材成形的精度取决于压点形成的曲面的精度，要提高曲面的精度就要提高 控制系统对压点控制的精度，使生成的板材的误差在符合要求的范围内。 ( 5 ) 成本较低 多压点冲压成形设备中压点数目多达上百个，每一个压点都会有单独的控制 单元来对其高度进行精确控制。如果在保证系统满足要求的前提之下，适当的减 少每一个控制单元的成本，那么整个控制系统的总体成本就会下降很多，这对减 少整个设备的成本是十分有益的。 5 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 冲压成形控制系统结构 分布式控制系统中各个子系统的控制单元是按照子系统分布的，整个系统的 控制目标是实现按照一定的的方式分配给各个子系统的控制单元，因此每一个控 制单元只能获得整个控制系统中的一部分信息( 信息分散) ，也只能对整个系统 中的局部进行控制。由于控制的分散，所以功能分散、权利也分散，这样的会出 现故障分散、风险分散，使得整个控制系统的灵活性和可靠性都有所改善，当某 一个局部单元发生故障之后不会导致整个系统瘫痪m 。 冲压成形控制系统是集各种控制功能于一体的分布式控制系统，是实现板材 多点自动成形的核心关键技术。本项目设计的多点成形设备上压头的数量为 1 5 1 5 个，每一个压头都要可以对其单独调节。如此一来压板机控制系统要控制 的电机数目达到2 2 5 个，如果采用一般的方法是用一般的现场总线每一个电机作 为一个控制节点的话，总线负载过大要加上中继器整个总线才能正常工作。本控 制系统从降低总线负载和成本方面考虑，使用一个通信节点控制四个电机驱动器， 一个通信节点和四个电机控制器就构成一个局部控制单元，整个系统只需5 7 个局 部控制单元便可满足要求。 图2 一l 控制系统总体结构图 图2 1 所示为冲压成形控制系统总体结构图，上位机使用c a n 接口接入 c a n 网络，所有的通信节点都被挂接在c a n 总线上接收上位机的命令。通信节 点同时控制四个电机驱动器，但是由上位机看来每一个驱动器的地位通过地址编 码都是相同的。 冲压成形控制系统工作过程： ( 1 ) 初始化c a n 总线 6 武汉理工大学硕士学位论文 上位机软件打开c a n 接口，初始化c a n 总线传输数据时的波特率，设定 主机地址。通信节点根据自身拨码开关设定的地址来设置自己的地址，同时打开 c a n 接口的验收滤波器使其只接收发送到自己的数据。 ( 2 ) 数据分析及指令传输 板材成形所需的数据预先已经由c a d 软件生成，上位机打开数据文件后开 始分析文件内容并将相应的内容转换成控制电机转动的指令。上位机的指令会依 次通过串口发送出去，指令经过c a n 接口的时候会由串口转换成c a n 总线形 式发送到物理总线上去。通信节点设置了验收滤波器，硬件自动滤除不是发送到 自己的指令，方便了后续的操作。 ( 3 ) 动作控制 通信建立之后，电机的运动动作就要按照上位机指令的要求完成，通信节点 接收到的指令中会包含需要电机动作的一些参数，这些参数要经过通信节点的转 换生成控制电机的时序，控制电机正确的工作。 2 3c a n 通讯总线 现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结 构的通讯网络，它的关键标志是能支持双向、多节点、总线式的全数字通讯，具 有可靠性高、稳定性好、抗干扰能力强、通信速率快、系统安全、造价低廉、维 护成本低等特点1 2 2 1 。工业控制网络通常采用现场总线协议，通过可靠和实时的 分布式控制系统来连接各个设备中的传感器和动作机构，比较容易且可靠的实现 控制系统。现场总线种类十分繁多，其应用的领域也十分广泛，工业中大量的设 备都工作时都是使用了现场总线卜川。 目前常用的现场总线有r s 4 8 5 和c a n 总线，这些现场总线可以方便的把计 算机、外部设备、测量仪器等有机的结合起来。在实际工程中选用现场总线的时 候必须注意一下几点：通信距离和通信速度抗干扰能力和稳定性带负载能 力。 r s 4 8 5 总线是一种串行的数据总线接口标准，它由电子工业协会制定的一个 标准。r s 4 8 5 总线采用差分电平发送和接收数据，差分电平可以有效减小总线上 共模干扰信号的影响。r s 4 8 5 总线输出的共模电压范围为7 v ，当输入端口的差 分电压大于或者等于0 2 v 时便可以解析出数据，接收灵敏度较高瞄。r s 4 8 5 传 输距离很长，在低波特率的情况下可以传输长达2 k m ，如果加上中继可以传输更 远的距离。 r s 4 8 5 总线属于外部总线，该总线具有良好的噪声抑制能力，较远的传输距 离，和数据传输速率。但是r s 4 8 5 总线仅仅定义了总线的物理层，对总线的数 7 武汉理工大学硕士学位论文 据链路层和应用层并未进行规定，这导致了r s 4 8 5 总线在通信节点数目较多的 时候通信效率较低，并容易发生通信冲突。 c a n 总线是一个开放的总线，没有严格的遵守国际化标准组织i s o 的开放 互联的7 层参考模型o s i 。现实应用中，从降低成本和提高实时性的因素考虑， c a n 总线只使用了7 层参考模型中的最关键的3 层：应用层，数据链路层和物 理层。应用层负责应用程序之间的相互通信任务，规定了相关的上层通信协议格 式。链路层负责数据在物理层上传输的数据格式和出现数据碰撞时的数据重传。 c a n 总线的通信结构模型如图2 2 所示。 图2 2c a n 通信结构模型 c a n 总线的数据链路层使用了c s m a c d ( 载波监听多路访问冲突监测的方 式) ，使总线在发送数据前便可侦测到总线是否有数据在发送，减少数据碰撞。 当多个节点同时向总线发送数据的时候，根据总线仲裁原则，优先级低的节点会 自动退出时隙的争夺，高优先级的节点则会继续发送数据，这样的自动仲裁技术 可以有效地减小总线的负载u 伊川j ，提高数据传输效率。总线上各个节点的优先 级都是由其帧i d 决定的，帧i d 值越小优先级越大，因此，i d 帧也被称为仲裁 域。 c a n 总线与r s 4 8 5 总线的比较： ( 1 ) 总线利用率：r s 4 8 5 是单主从结构，总线上只能有一台主机其它都为 从机，通讯都由主机它发起的，它没有向下发送命令，从机节点就不能发送数据， 而且要发完即答，主机收到从机节点的答复以后，主机才向下一个从机节点询问， 这样是为了防止多个节点同时向总线发送数据，而造成总线上面的数据错乱。 c a n 总线是多主从结构，每个节点都可以成为主机也可以成为从机，多个节点 同时向总线发送时，以发送的报文标示符自动进行仲裁，优先级高的报文会优先 发送出去，这样就可以防止总线总线数据错乱，这样省去了总线上报文仲裁的时 8 武汉理工大学硕士学位论文 间开销，大大的提高了总线的利用率。所以在一些实性要求高的系统上面，都是 用c a n 总线或者其它类似的总线。 ( 2 ) 错误检测方法：r s 4 8 5 总线只规定了物理层，而没有数据链路层，所 以它对总线上的错误是无法识别的。这样的话如果一个节点发生故障导致总线不 能正常工作，那么其它节点就会不停的向总线发送数据试图恢复连接，但是这样 的话只会造成总线瘫痪的更厉害。所以r s 4 8 5 一个节点坏掉了，这整个4 8 5 总 线网络就无法正常工作个。而c a n 总线有c a n 控制器，可以对总线上的错误 进行检测，每检测到一次自身的错误错误计数器加1 ，当错误计数器的值达到1 2 8 个的时候，c a n 控制器就会自动关闭，防止干扰总线总线。还有一种情况是检 测到其它节点的错误时，c a n 控制器会向总线上发送错误帧提醒其它节点总线 上发生了错误。在c a n 总线网络中一旦有一个节点出现问题，它的c a n 控制 器会自动关闭以保护总线。所以c a n 总线的安全性还是非常高的。 ( 3 ) 抗干扰能力：c a n 总线通过c a n 控制器物理层接口芯片的两个输出 端c a n h 和c a n l 与物理总线相连，而c a n h 端只有两种状态：高电平或者悬 浮状态，c a n l 端也只有两种状态：低电平或者悬浮状态。这样就保证了c a n 总线不会像4 8 5 总线那样在发生错误时，多节点同时向主机发送数据而导致的总 线出现短路的现象。并且当c a n 总线发生严重错误的时候，c a n 控制器会自动 关闭总线的输出，避免一个节点的错误导致总线上所有节点瘫痪。 ( 4 ) 链路层协议：c a n 控制芯片集成了数据链路层的协议，大大的降低了 系统的开发难度，缩短了研发的周期，这些是只仅仅有电气物理层协议的r s 4 8 5 总线所无法比拟的优势。 综上所述，使用c a n 总线从整体来看比使用r s 4 8 5 总线优势明显，十分适 合在多点成形控制设备中使用。 9 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章冲压成形控制系统硬件设计 冲压成形控制系统中压点的高度都足在控制单元的控制下完成的，控制单元 由一个通信节点和4 个电机驱动器构成( 如图3 1 所示) 。 c a n 总线 图3 - 1 控制单元 本章在多点成形的理论分析的基础上，设计整个控制系统的硬件电路，满足 系统控制的要求。该控制系统是基于c a n 总线的分布式控制系统，主要设计任务 为设计实现c a n 总线传输，控制输出电机控制信号。同时在设计系统时还需要保 证系统的安全性和可靠性。 设计硬件时将按照以下要求进行： ( 1 ) 经济性 硬件的设计在满足系统要求的前提之下要能够尽量减少成本，以便促进设备 实现产品化。 ( 2 ) 可靠性 硬件设计要求能够长时间的连续工作，保证正常使用的情况下设备不出现故 障，减小设备故障对用户带来的财产损失。 ( 3 ) 抗干扰能力 系统工作的环境可能为很恶劣的工厂中，在那里充满了各种各样的电磁干 扰。如何保证硬件设备在恶劣环境中正常工作，是设计硬件设备时必须考虑到的 一个问题泌33 l 。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 3 1c a n 通信节点设计 多点成形设备中通信节点是数据交换传输中的最基本的单位，各个压点的形 状控制都需要通信节点的控制。通信节点的主要功能是通过设定的通信协议来接 收上位机发送来的控制命令，分析解释命令之后控制步进电机按照指定的规则运 动。 在本系统中通信节点的工作负担并不是很大，使用单片机即可完成任务。图 3 2 为通信节点的硬件结构图，主要由c a n 总线控制器、c a n 接口、控制器c p u 和电源组成。 图3 2 通信节点结构图 通信节点使用c a n 总线与上位机之间进行通信，接收上位机发送的控制指 令，向上位机发送当前的状态信息。通信接口由c a n 接口物理层收发器和c a n 控制器组成。 3 1 1c a n 处理器电路 通信节点是下位机与上位机相互通信的接口，由于通信节点要将自身所驱动 的步进电机的状态信息发送给上位机，同时还要接收解析上位机的指令控制步进 电机的转动，因此通信节点的设计就成为了这个系统高效工作的瓶颈。 针对以上问题，本系统选择了a v r 处理器m e g a l 2 8 l 芯片作为处理器主控 芯片，与普通的5 1 单片机相比a v r 单片机具有更高的工作频率与更高效率的硬 件结构，5 1 单片机的指令周期是将晶体振荡器的振荡频率进行1 2 分频后得到的， 又有累加器a c c 在高速执行指令时的瓶颈因素，而a v r 单片机则不同，它的指 令周期就是晶体振荡器的振荡周期，有3 2 个类似与累加器a c c 的寄存器直接和 运算器相连，取址周期短，又可预取指令实现流水作业，故可高速执行指令。 m e g a l 2 8 l 的f l a s h 容量为1 2 8 k b ，r a m 为4 k b ，5 2 个输入输出1 1 1 ，官方给出 的最高速度为1 6 m h z ，但在实际电路设计中工作在1 6 m h z 可以获得最高的效率， 武汉理工大学硕士学位论文 所以用该单片机做为通信节点的处理器芯片非常合适。 ： 图3 3 通信节点处理器电路 处理器部分主要负责c a n 通信和步进电机控制，本设计中处理器单元的电 路图如图3 3 所示。图中m c w 为控制步进电机的方向信号，me n 为控制步 进电机的使能信号，m c l k 为控制步进电机的时钟信号。每一种控制信号都有 4 路，分别用来控制四个步进电机。a d 0 a d 7 为与c a n 控制器相连接的地址 数据总线，配合a l e 、w r 、r d 和c s 信号，实现对s j a l 0 0 0 的读写控制。 a t m e l l 2 8 l 芯片内部会自动产生总线读写时序，读写s j a l 0 0 0 时，直接将其当做 外设看待。图中k i k 8 为拨码开关，用来设定通信节点的i d ，使用开关来设定 i d 的好处就是在实际应用中当一个通信节点出现问题之后可以迅速的用一个新 的来替代，不需要对处理器代码做任何修改。i n t 0 和烈t 2 为中断输入管脚，当 s j a l 0 0 0 发送完毕或者接收到一帧报文的时候，会产生一个中断信号加载到i n t 0 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 管脚上，以便于处理器处理数据报文。i n t 2 管脚与看门狗连接在一起，当看门 狗检测到电压出现低于警戒值时，产生中断告知处理器注意保存设置一些内部信 息。 电路中处理器使用1 6 m h z 的晶振，图中电容c 2 2 、c 2 3 、晶振和处理器内 部的电路一起构成了一个内部振荡器，为处理器提供1 6 m h z 的系统时钟。处理 器的输出还有e r r l e d 和n e t - l e d 两个管脚，这两个管脚是用来驱动两个 l e d 二极管，分别用于指示总线出现异常和正常收发数据。 、3 1 2 看门狗电路 通信节点中的处理器在正常工作的时候需要一个看门狗电路保证其正常工 作，看门狗的功能是：当单片机程序跑飞的时候复位单片机；在上电和掉电的时 候保证单片机稳定的复位；当电源电压不稳定的时候通知单片机保存重要的数 据。 v c c5 v 图3 4 看门狗电路 本系统中使用的看门狗电路为m a x 8 1 3 ，该芯片的电路如图3 - 4 所示。 m a x 8 1 3 是一个体积小、功耗低、价格便宜的看门狗芯片同时自带电源检测功能。 该芯片的具体功能如下： ( 1 ) 电源监测功能：当电源电压低于4 6 5 v 或者在单片机上电掉电时产生 复位信号，第7 脚输出低脉冲，保证单片机能够正确复位。 ( 2 ) 看门狗输出功能：正常工作情况下，第6 个管脚要在单片机的控制下 每个1 6 s 内输入一个脉冲，如果没有在规定的时间内输入脉冲，第7 个管脚会 输出复位脉冲。 ( 3 ) 手动复位功能：第1 个管脚出现低电平的时候，会在第7 个管脚产生 武汉理工大学硕士学位论文 一个复位脉冲。 ( 4 ) 门限值监测功能：当第4 个管脚的电压低于1 2 5 v 的时候会在第5 个 管脚产生一个复位脉冲。 在系统中m a x s l 3 的第6 个管脚连接在单片机的p d 5 管脚上，第7 个管脚 连接在单片机的复位管脚上。单片机正常工作的时候，单片机内的软件会不停的 在p d 5 管脚输出脉冲，如果单片机程序在运行的过程中出现问题，则不会在1 6 s 内产生脉冲，m a x s l 3 的第7 个管脚就会输出一个复位脉冲，使单片机复位重新 运行程序。当电源的电压低于4 6 5 v 的时候管脚也会产生复位信号，是单片机暂 停执行指令，直到电压恢复到正常工作电压时恢复正常工作。 3 1 3 电源电路 图3 5 电源电路 通信节点工作的时候，电源的稳定性和抗干扰能力十分重要。电源的好坏直 接影响通信的质量，如图3 5 所示本文中使用一个自带隔离的d c d c 作为稳压 电源，该d c d c 输入电压为1 2 v 输出电压为双5 v 。其中v c c5 v 的电压输出 给通信节点的微处理器部分供电，v c c 25 v 的电压5 v 输出给c a n 收发器供电。 电源电压的输入和输出，两个输出之间都是电气隔离的，可以防止c a n 总线部 分的干扰进入处理器单元，也可以防止电源干扰进入处理器单元。图中的d 1 的 作用是防止电源接线时正负极接反。 3 1 3c a n 控制器电路 c a n 控制器由c a n 控制芯片s j a l 0 0 0 组成，s j a l 0 0 0 是一个独立的c a n 总线控制器，能够实现c a n 总线数据链路层的工作。它包括两种工作模式： 武汉理工大学硕士学位论文 b a s i c c a n 模式和p e l i c a n 模式。b a s i c c a n 模式是s j a l 0 0 0 上电后默认的一种 工作模式，p e l i c a n 模式是一种新的工作模式，它能够提供c a n 2 0 的所有的规 范帧模式，此外它还提供一些额外的增强功能使s j a l 0 0 0 工作于更广的领域。 图3 - 6s j a l 0 0 0 内部结构图 图3 - 6 所示为s j a l 0 0 0 的内部工作原理结构图。c a n 数据链路层中数据帧 的发送和接收主要由c a n 核心模块实现。接口管理模块主要负责连接外部的微 处理器，s j a l 0 0 0 的地址数据的寄存器访问和控制读、写的选通信号都是通过 接口管理模块来实现的。此外附加的逻辑电路和寄存器也都是由接口管理模块负 责p 制。s j a l 0 0 0 的发送缓冲器用来存储一个完整的c a n 帧报文，处理器通过接 口管理模块初始化发送缓冲区中的报文数据，然后会控制c a n 核心模块从发送 缓冲区中读取c a n 报文数据发送至所连接的收发器接口。c a n 核心模块接收一 帧报文之后，会将报文放入验收滤波器，验收滤波器根据处理器设置的验收条件 检查接收到的报文并进行甄别，剔除不需要的报文将筛选过的报文放入接收 f i f o 中p 川。接收f i f o 中最多可以存储3 2 条报文，这样可以有效地减少数据超 载的可能性。 s j a l 0 0 0 的不同的寄存器和管脚配置使s j a l 0 0 0 能够适应各种集成或者分 立的c a n 收发器。同时s j a l 0 0 0 有不同的微处理器接口也使其可以适应各种不 同的微处理器。图3 7 所示为本系统中的c a n 控制电路，s j a l 0 0 0 支持两种微 处理器接口：i n t e l 模式和m o t o r o l a 模式。s j a l 0 0 0 的m o d e 管脚用来选择其工 作模式，m o d e 管脚为高电平时选择i n t e l 模式，m o d e 管脚为低电平时选择 m o t o r o l a 模式。在本设计中s j a l 0 0 0 使用i n t e l 模式与微处理器连接在一起。微 处理器通过固定物理线路的连接，给s j a l 0 0 0 分配了一个固定的物理地址，微 处理器只要对固定的物理地址进行访问，就可以通过i n t e l 总线模式控制和访问 s j a l 0 0 0 内部的寄存器。 s j a l 0 0 0 复位的时候，x t a l l 管脚必须连接至一个稳定时钟信号。在r s t 武汉理工大学硕士学位论文 管脚处于复位状态时，r s t 管脚的复位时间必须保持1 5 个t x r a l 时钟周期以上 才能保证s j a l 0 0 0 内部所有的寄存器被正确复位。同时还要注意，系统复位时 必须在时钟稳定之后才能进行。 a d 0 2 5 u l a d 0 a d l a d 2 a d 3 a d 4 a d 5 a d 6 a d 7 c s r d w r a l e i n t x t a l l x t a l 2 丁x 0 t x l r x 0 r x l c l k o u t m o d e v d d l v d d 2 v d d 3 v s s l v s s 2 v s s 3 r s t ! 三垒丛卫翌 1 4 丛墅翌 c a nr x l v c c5 v 。- _ 一 图3 7c a n 控制电路 s j a l 0 0 0 可以使用外部时钟信号也可以使用片内时钟振荡器。如图3 7 所示 本设计中使用1 6 m h z 的片内时钟振荡器，它由有外部元件电容c 2 4 、c 2 5 和晶 振y 2 构成。s j a l 0 0 0 也可以使能将内部时钟振荡器产生的时钟信号输出至 c l k o u t 管脚供其它外部电路使用。本系统外部电路不需要时钟信号，可以将 c l k o u t 管脚关闭禁止时钟输出，这将改善系统的e m i 性能。 3 1 4c a n 收发电路 c a n 控制器s j a l 0 0 0 的管脚t x 0 和r x 0 输出的信号为普通的”见逻辑信 号，该逻辑信号不能直接连接至总线上，需要有专用的总线收发芯片将逻辑信号 转化成总线差分信号1 3 6 1 。 c a n 收发电路如图3 8 所示，图中6 n 1 3 7 为隔离光耦，它是一款高速光耦 合器，作用是将处理器部分与收发电路隔离开，减少总线上的干扰对处理器的影 响。图中r l 和r 4 为光耦的输入限流电阻，为光耦的输入端提供发光二级管发 1 6 侈一加一7一n一驼一掩一心一8一孔一 幻一m一黔一拍一卯一嚣一一24563一拍一9一加 一妣一棚一一一埘一埘一一一一胁一矾一m一一 2 n u 丫， 武汉理工大学硕士学位论文 光所必须的电流。l 也和r 3 的作用是为输出端提供上拉电阻，使输出端能够正常 工作。c 5 、c 6 和c 7 为退耦电容，用来滤除电源中的毛刺电压，使电压平滑稳 定。 图3 8c a n 总线收发电路 8 2 c 5 0 为总线收发器，负责将逻辑信号转换成差分电压信号，提供差分信号 的发送和接收功能。l 1 、l 2 ，c 8 和c 9 组成两个低通滤波器分别滤除c a n h 和 c a n l 线上的高频干扰信号，减少总线上的干扰对接收判决产生影响。另外在 c a n 总线的接口处还接有两个瞬变二极管，在c a n h 和c a n l 之间产生较大的 差压瞬变干扰的时候，两个瞬变二极管提供放电通路，对c a n 总线起到一定的 保护作用。 3 2 步进电机驱动器设计 冲压成形控制系统中，所有压点高度的调节都是由步进电机调节完成的。步 进电机是一种将输入脉冲信号转换成角度变化或者直线运动的一个执行元件，它 能够在脉冲的控制下运动指定的角度数，可以实现精确定位。控制步进电机的脉 冲不能直接作用在步进电机上面，脉冲需要经过步进电机驱动器的转化之后才能 变成驱动步进电机的时序。一个好的步进电机控制器能够有效的把电源能量转换 成驱动步进电机的动力。 图3 - 9 是一个步进电机的典型控制框图。图中控制器产生步进电机运动的控 制信号，包括方向信号、使能信号和脉冲信号，光耦将控制信号隔离之后传输给 时序发生器。脉冲分配器产生步进电机各相电流正常工作所需的脉冲时序，功率 放大器将脉冲放大成功率信号驱动步进电机。脉冲