（机械制造及其自动化专业论文）基于can总线的土工三轴仪控制系统的研制.pdf

基于c a n 总线的土工三轴仪控制系统的研制 摘要 计算机技术和数字通信技术的飞速发展带来了控制领域的深刻变革，使控制系统向 分散化、网络化、智能化方向发展。现场总线控制系统( f c s ) 的出现适应了控制领域的 这一发展要求，成为集散控制系统( d c s ) 之后前新_ 代控制系统，并成为控制领域发展的 主流。 本论文针对国内三轴仪市场的要求，分析了目前三轴仪控制系统的优缺点，研究了 三轴仪控制系统的发展趋势，研制了一套以c a n 总线作为数据通讯方式的具有实时控制 特点的三轴仪控制系统，并完成了控制系统的硬件、软件设计与调试工作。研究工作主 要包括： 确定了控制系统的数据通信方案和控制方式方案，并给出了控制系统的整体结构； 完成了三轴仪系统的下位机微处理器( t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a ) 系统平台的硬件设计； 完成了三轴仪通信系统的硬件电路设计、软件编程与系统调试； 进行了三轴仪轴向加载系统的结构研究及加载系统的硬件电路设计及软件编程。 通过理论分析与试验表明，所开发的基于c a n 总线的三轴仪控制系统有效地提高了 控制系统的实时性、数据通信的可靠性和三轴试验的自动化程度。实现了系统的最优控 制、最大的资源利用率和集散控制系统向数字化系统的过渡，具有重要的理论意义和应 用价值。 关键词：三轴仪；c a n 总线；t h s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ；轴向加载系统 基于c a n 总线的土工三轴仪控制系统的研制 a b s tr a c t n l er a p i dd e v e l o p m e n to fc o m p u t e rs c i e n c ea n dd i g i t a lc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y 1 e a d st ot h er e v o l u t i o no fc o n t r o lf i e l d d i s t r i b u t e d n e t w o r ka n di n t e l l i g e n ts y s t e mb e c o m e t h ed i r e c t i o n so fc o n t r 0 1f i e l d f i e l dc o n t r 0 1s y s t e m ( f c s ) m e e t st h ed e m a n d so fc o n t r 0 1 t e c h n o l o g i e sd e v e l o p m e u t s i t b e c o m e san e wg e n e r a t i o nc o n t r o l s y s t e m a f t e rt h e 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 ) a n di tb e c o m e st h em a i n s t r e a mo fc o n t r o lf i e l d a c c o r d i n g t ot h e r e q u i r e m e n t o f t h et r i a x i a li n s t r u m e n th o m e m a r k e t ，t h ea d v a n t a g e sa n d t h ed i s a d v a n t a g e so fc o n t r 0 1s c h e m ei nc u r r e n tt r i a x i a li n s t r u m e n tc o n t r 0 1s y s t e ma r ea n a l y z e d i nt h i sd i s s e r t a t i o n t h ed e v e l o p m e n td i r e c t i o no f t h et r i a x i a lc o n t r o ls y s t e mi ss t u d i e d as e t o ft r i a x i a li n s t r u m e n tc o n t r 0 1s y s t e mi sr e s e a r c h e da n dd e s i g n e d ，t h ec o n t r o ls y s t e mw h o s e d a t ac o m m u n i c a t i o nm o d ei sc a n b u sh a sr e a l - t i m ec o n t r o lc h a r a c t e r i s t i c ，1 1 1 ed e s i g n i n go f t h eh a r d w a r ec i r c u i t ，t h ep r o g r a m m i n go ft h es o f t w a r ea n dt h ed e b u g g i n go ft h ec o n t r o l s y s t e m a r ea c c o m p l i s h e d t h em a i nr e s e a r c ht a s k sa r ca sf o l l o w s ： n l e c o r r e s p o n d i n gc o m m u n i c “o np r o t o c o l sa n d t h ec o n t r o lm o d eo f t h et r i a x i a lc o n t r o l s y s t e ma r ee s t a b l i s h e d t h ed e s i g no f t h es y s t e m i sa c c o m p l i s h e d n l eh a r d w a r eo ft h et r i a x i a li n s t r u m e n tm i c r o p r o c e s s o r ( t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a ) s y s t e mi s a c c o m p l i s h e d 1 h eh a r d w a r ee k e u i t ，t h es o r w a r ep r o g r a m m i n ga n dt h es y s t e md e b u g g i n go ft h e t r i a x i a li n s t r u m e n tc o m m u n i c a t i o ns y s t e ma r ea c c o m p l i s h e d 肠es t r u c t u r eo f 坊et r i a x i a li n s t r u m e n ta x i a ll o a d i n gs y s t e mj ss t u d i e d 乃eh a r d w a r e c i r c u i ta n dt h es o f t w a r ep r o g r a m m i n go f t h el o a d i n gs y s t e ma r ea c c o m p l i s h e d t h et h e o r ya n a l y s i sa n de x p e r i m e n t si n d i c a t et h a tt h et r i a x i a li n s t r u m e n tc o n t r o ls y s t e m ， w h i c hi sb a s e do n 也ec a nb u s ，e n h a n c e st h er e a lt i m ep e r f o r m a n c eo ft h es y s t e m ，t h e r e l i a b i l i t yo ft h ed a t ac o m m u n i c a t i o na n dt h ea u t o m a t i o nd e g r e eo ft h et r i a x i a li n s t r u m e n t e x p e r i m e n t se f f e c t i v e l y t h eo p t i m i z a t i o nc o n t r 0 1 t h em a x i m a l r e s o l u t eu t i l i z a t i o nr a t i oa n d t h et r a n s i t i o nf r o mt h ed i s t r i b u t e d s y s t e m t o d i g i t a ls y s t e m a r er e a l i z e d i t p o s s e s s e s e s s e n t i a l l yt h e o r e t i c a ls i g n i f i c a n c ea n de n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n v a l u e s k e y w o r d s ：t r i a x i a li n s t r u m e n t ；c a nf i e l d b u s ；t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a ；a x i a ll o a d i n gs y s t e m i i 基于c a n 总线的土工三轴仪控制系统的研制 1 绪论 1 1 三轴仪简介 土力学是应用力学的一个分支，它的主要任务是：研究土的本构关系( 即：土的应 力、应变、强度和时间这四个变量之间的内在关系) 以及土与结构物相互作用的规律， 建立土的强度一变形理论，为土木工程提供正确的理论指导“1 。 而三轴仪系统就是为了研究的力学性质而开发的一套科学试验仪器系统，它是研 究土的本构关系必不可少的基础试验设备。先进的三轴仪系统，是当代机械设计技术、 自动化技术、微电子技术和计算机技术等最新科学技术成果的结晶，具备极高的自动化 水平。三轴仪因其可以控制试验土样三个正交方向的应力而得名。 常用三轴仪依据施加轴向载荷的方式不同，可分为应交控制和应力控制式两类嘲。 而三轴仪都是由轴向加压系统、压力室、周围压力系统等系统组成嘲。图l 一1 就是一 个最小的三轴仪系统结构简图。 图1 1三轴仪简图 f i g 1 1s i m p l i f i e di l l u s t r a t i o no ft r i a x i a lt e s t i n gi n s t r u m e n t 轴向加压系统：即三轴试验机，通常由电动机和变速箱进行传动，并通过加载机架 的固定横梁的反作用，将荷载通过压力室施加到试样上。 压力室：它是安装试样并使周围压力和轴向荷载作用于试样的重要部分。 周围压力系统和反压力系统：即液压稳定装置，要求对所施加的周围压力和反压力 能长期恒压，以保证试样在固结和剪切过程中周围压力不变。 基于c a n 总线的土工三轴仪控制系统韵研制 三轴仪的基本工作原理是“1 ：以液压加载装置对三轴室内腔加压，提供试验土样两 个径向正交应力；以轴向机械加载装置压缩土样，提供试验土样的轴向应力。在试验过 程中，记录土样的三个正交应力、轴向变形以及土样的体积变化。根据这些试验数据推 算出土的抗剪强度等力学性能指标。 随着土木工程科技的发展，对土工三轴仪的技术要求也越来越高，工三轴仪向精 密化、自动化和网络化的发展趋势也越来越明显。 1 2 三轴仪的技术发展现状 土工三轴仪系统是相当专业的机电一体化设备，属于科学试验仪器。由于用户都是 土工专业机构或有关的高校院所，用户群相对较小，因此国内外从事三轴仪研发的专业 厂商并不多；同时，公布的相关文献和技术资料相对较少，获取信息的难度较大。根据 目前对市场的调查来看，在这个专业领域内的概况如下。 1 2 1 国内三轴仪技术发展现状 国产的设备主要有：南京水力电力仪器工程有限责任公司的s j i a g 系统和南京 土壤仪器厂的t s z 一3 0 系统。 以s j i a g 系统为例0 1 ，它的电机控制单元主要由空气开关和交流接触器构成， 结构简单，功能单一。采取这样简单的控制系统，既有简化设计的缘故，同时也是受其 加载系统结构限制的无奈之举。该三轴仪的加载动力机为三相异步电动机而非专用的伺 服电机，没有与之相配套的驱动器商品，考虑到开发难度和可靠性的因素，设计人员简 化了电机控制系统的设计，使其仅具备了启停和正反转功能，因此，该电机不能作连续 的无级变速运动。为了使三轴仪具备不同的加载速率，迫使轴向加载系统采用了蜗杆蜗 轮一齿轮变速箱一链传动的机械结构。然而，由于普通三相异步电动机转动惯量大，滞 后效应明显，加上链传动本身具有传动比不稳定的特点，所以在轴向加载与卸载时，很 难做到平稳性和精确性；同理，由于围压与反压加载系统也是以普通三相异步电动机为 动力，故其加载与卸载动作也是非平稳的。当该仪器作分级加载实验时，只能停机由人 工进行速率变换，破坏了试验的连续性。 而t s z 一3 0 三轴仪，其采用普通的三相异步交流电机作加载动力。其轴向载荷加载 装置为蜗轮蜗杆一齿轮减速箱一链传动的结构，而围压加载单元使用的是传统的手动操 作的液压控制柜。由于t s z 一3 0 三轴仪未采用伺服电机系统作驱动源，因而只能通过人 工切换减速器速度档来实现加载速率的改变，因而加载冲击性大，自动化水平和控制精 度低。另一方面，试验数据均显示在模拟式仪表上，不但容易引入人为读数误差，而且 不便于试验数据的记录和整理。 这些设备的共同特点为： 加载系统无法实现加载速率的连续可调，加载的精度较低； 测控系统功能简单，自动化程度低，操作繁琐，可靠性差； 基于c a n 总线的土工三轴仪控制系统的研制 实验数据又以手工记录和后期人工处理为主，工作量大，易出错。 近年来，国内不少科研机构针对上述的第三个弱点，成功开发了基于单片机和微机 的数据采集系统，使得数据采集和后期处理实现了自动化。但是，对于三轴仪主机系统 中的伺服控制部分，却均未作有意义的改进。因此，系统的试验精度并未获得有效的提 升。 1 2 2 国外兰轴仪技术发展现状 国外著名的三轴仪系统生产厂商为：英国的g d s 公司、美国的g e o c a m p 公司和m t s 公司。它们的三轴仪系统都配备了先进的数字式伺服控制器嘲盯”嘲，具备相当高的自动 化水平，试验员只需通过试验管理软件编辑好试验流程，设定好试验参数，三轴仪系统 就可以相当高的精度自动完成试验，并且可以自动填制试验报表，绘制试验图线，形成 规范的试验报告。国内至今尚无与其相匹敌的产品系统。表1 1 是国外先进的三轴仪 产品。 表1 1先进的三轴仪产品 t a b l e l - ia d v a n c e dt r i a x i a lp r o d u c tl i s t 1 3 三轴仪的技术发展趋势 由于国产三轴仪系统的精度和自动化程度均较低，一般情况下只能作为教学仪器使 用或仅仅作为定性分析的工具，难以满足科学研究的现实需求；另一方面，现有的进口 三轴仪系统虽然性能优异，但是价格不菲，采购这样的系统将耗费用户大量的财力。目 前国内的部分研究机构开始应用一些新技术致力于旧式三轴仪的改进和新型全自动化 三轴仪的研制，并在数据采集和处理、伺服控制系统方面取得了一定的发展。 另一方面土力学试验除了三轴剪切试验外，还有直剪试验、渗透试验和固结试验， 这些试验均有相应的试验仪器0 1 。通常，完整的土工试验室均配备有以上各种试验仪器， 有时一种仪器甚至不止一台。如何对这些种类各异的仪器实现自动化操作并进行有效的 集中管理，成了土工试验仪器领域近年来的研究热点。目前，美国g e o c o m p 公司已经将 这种概念贯穿到其土工试验仪器产品设计中，图1 - 2 就是根据该公司产品手册“”导出的 基于c a n 总线的土工三轴仪控制系统的研制 控制系统网络结构。然而现场总线技术的出现为这一问题的解决提供了一个非常有效的 技术方案。 图1 - 2g e o c o m p 试验测控网络结构 f i g 1 2 l a n n e ts t r u c t u r eo fg e o c o m p sl a b r a r y 现场总线不单单是一种通信技术，也不仅仅是用数字仪表代替模拟仪表，关键是新 一代的现场总线控制系统f c s ( f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ) 代替传统的集散控制系统 d c s ( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) ，实现现场通信网络与控制系统的集成。现场总线 控制系统的优势有“”： 信号的传输实现了全数字化； 系统的结构是全分散式的： 现场设备具有互操作性； 通信网络是开放式互联网络； 技术和标准实现了全开放。 基于上述5 点，必将导致一个全数字化、全分散式、全开放、可互操作和开放式互 联网络的新一代现场总线控制系统的出现。 1 4 课题的背景 目前，国内众多的科研院所和工程公司都有对高级三轴仪的强烈需求，但因为国产 三轴仪技术水平的落后而无法满足这种要求，市场为少数几种类型的进口三轴仪所垄 断，而一套进d - - - 轴仪售价往往高达数十万元人民币。由此可见，市场上存在着技术水 平相当，价格合理的国产三轴仪的生存空间。 另一方面，从技术上来看，利用现有的机电技术已经完全能够设计开发出与国外公 司性能相当的三轴仪产品。因此，我校工程力学系邵龙潭教授组织土力学和机械工程学 4 基于c a n 总线的土工三轴仪控制系统的研制 的相关技术力量，展开了新型三轴仪的研究开发工作。本课题的内容即属于该项目研究 的一部分。 1 5 课题的理论意义和实用价值 先进三轴仪测控系统的研究，实质上是一个多学科技术成果集成应用的问题。涉及 到的科学理论和技术有：控制系统的结构与算法、微弱信号检测、数字信号处理、数据 采集、数据通信以及电机的伺服驱动等。研究的任务就是要在实用性、先进性和经济性 原则的指导下，将这些现代技术运用到三轴仪控制系统的设计中。 研究先进的三轴仪伺服控制系统，掌握自动三轴仪的核心技术，设计出相对独立的 功能模块，既可将研究成果迅速地装备到正在服役的旧式三轴仪系统中，提高它们的自 动化水平，同时，也能为新型三轴仪的研制打下坚实的技术基础，缩短开发周期。 1 6 本课题所要解决的主要问题 通过对三轴仪试验原理和三轴仪控制系统的研究，本课题主要解决下面几个方面的 问题。 i 确定了控制系统的数据通信方案和控制方式方案，并给出了控制系统的整体结 构； 2 完成了三轴仪系统的下位机微处理器( t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a ) 系统平台的硬件设计； 3 完成了三轴仪通信系统的硬件电路设计、软件编程与系统调试； 4 进行了三轴仪轴向加载系统的结构研究及加载系统的硬件电路设计及软件编 程。 基于c a n 总线的土工三轴仪控制系统的研制 2 基于c a n 总线的三轴仪控制系统的基本知识 2 。1 三轴仪试验的基本知识 评价一套三轴仪系统是否先进，主要是看其是否能够高精度地自动完成经典三轴试 验和应力路径试验。 下面我们将分别介绍一下这两种试验的基本原理。 2 1 ，1 三轴剪切试验的基本原理及分类 1 兰轴剪切试验原理 如图2 - 1 所示，土力学中土体的基本理论分析模型是六面体三向受力微元，土样的 强度破坏理论即是建立在该模型上的剪切破坏理论。 图2 - 1 三轴试验原理示意图 f i g 2 - 1s c h e m a t i ci l l u s t r a t i o no ft r i a x i a lt e s t i n g 三轴剪切试验的基本原理是：给土样施加三个正交应力，使试验土样在某个面上产 生剪切破坏，从而间接地使土样发生剪切破坏。试验过程中，三轴仪上的测量装置会检 测记录下加载过程中试样的应力应变过程，供科研人员进行分析。 三轴剪力试验的目的是用来测定试样在某一固定周围压力下的抗剪强度，然后根据 三个以上试样，在不同周围压力下测得的抗剪强度，利用莫尔一库仑破坏准则确定土的 抗剪强度参数。 基于c a n 总线的土工三轴仪控制系统的研制 三轴仪的试验土样通常为圆柱形，在其两端加上滤纸、透水石、轴力传递及排水装 置后，将其包裹在薄橡皮膜中，置于液压三轴室中( 参见图i - i 和2 - i ) 。试验土样的 周向应力o t 、oa 由液压室内的压力p 提供，轴向应力o ，由轴向加载装置产生的压缩力 f 提供。当三轴剪切试验进行时，要求实时记录轴向加载力f 的大小、围压p 的大小以 及土样相应的变形量，直至试验土样发生剪切破坏为止“”。 2 三轴剪切试验分类 按照排水条件与固结条件的不同，经典的三轴剪力试验可以分为不固结不排水剪 ( u u ，u n c o n s o l i d a t e du n d r a i n e d ) 、固结不排水剪( c u ，c o n s o l i d a t e du n d r a i n e d ) 、 固结排水剪( c d ，c o n s o l i d a t e dd r a i n e d ) 以及i ( 0 固结三轴剪“。 不固结不排水试验：试样在周围压力和轴向压力下，从试验开始直至破坏全过程中 均不允许排水，同时，根据试验的需要还能测定试验土体的孔隙水压力。 固结不排水试验：试样先在周围压力下让土体排水固结，然后在不排水条件下旌加 轴向压力直至破坏，同时测定土体孔隙水压力。 固结排水试验：试样先在周围压力下让土体排水固结，然后在允许试样充分排水的 条件下增加轴向压力直至破坏，同时在试验过程中测读排水量以计算试样的体积变化。 k o 固结三轴剪：前三种试验方法都是在等向压力( 等向固结) 即o 。= o ：= o 。的条 件下排水固结。而i ( o 固结试验是先使试样在不等向压力下固结，即按j ( oo 。= o 。= o 。 施加周围压力，然后进行不排水剪或排水剪试验。 2 1 2 应力路径试验的基本原理 经典三轴剪切试验在试验过程中对于轴向加载力的操作是只测量不控制，这类试验 在本质是应变控制式的。经典三轴试验中确定的剪切破坏值，较为广泛的应用是当出 现峰值应力时按峰值计，如无明显的峰值出现时按轴向应变的1 5 时的主应力差作为 破坏点的标准。然而，这样的处理方法对于天然土来说过于简单化。为了将天然土的复 杂性、土的胀缩性和超固结程度在剪切过程中很好地反映出来，人们设计了应力路径三 轴剪切试验来研究土的这些特性聆 1 2 3 。 应力路径是指土体在外力作用下，土中某一点的应力变化过程在应力坐标图中的轨 迹，它是描述土体在外力作用下的应力状态及变化过程的一种方法，同一种土体制各成 相同规格的试样，采用不同的应力路径和不同的试验手段使之破坏，其应力变化过程是 不相同的。基本的三轴试验应力路径共有七种，主要的不同之处表现为剪切过程中对主 应力。和o 。不同的控制规律。应力路径试验的分析理论已超出本课题的研究范围，论 文对此不作深入研究。 经过研究应力路径剪切试验规程“2 1 后发现：应力路径剪切试验本质上是应力控制 式的，这种三轴仪对测控系统的功能需求与作经典三轴试验的测控系统相比，在控制软 件的功能上提出了更高的要求，要求测控系统能迅速准确地测量轴向加载力和围压，根 据控制策略的要求实时调整轴向加载系统和围压加载系统。在测控环节上，测量与控制 对象仍为：轴向加载力、围压、反压、孔隙压、轴向剪切位移和试样的体积变化量，与 经典三轴试验的测控系统并无区别，因而在硬件层次上，经典三轴试验的测控系统完全 ， 基于c a n 总线的土工三轴仪控制系统的研制 可以胜任应力路径剪切试验的要求。 2 2c a n 总线综述 2 2 1 c a n 总线的概述及特点 现场总线是应用在生产现场、在微机化测量控制设备之间，实现双向串行多节点数 字通信的系统。人们将专用的c p u 置入传统的测量控制仪器，使它们各自具有了计算和 通信的能力，采用可进行简单连接的双绞线等作为通信介质，把多个测量控制仪器连接 成网络系统，并按照公开、规范的通信协议，在位于现场的多个微机化测量控制设各之 间以及现场仪器与远程控制计算机之间，实现数据传输与信息交换，进一步形成适应各 种实际需要的自动控制系统。简言之，它把单个分散的测量控制设备变换成网络节点， 以现场总线为纽带，把他们连接成可以相互进行信息交换、共同完成自控任务的网络和 控制系统。它给自动化领域带来的变化，正如众多分散的计算机被连接在一起，使计算 机的功能、作用发生了变化。现场总线则使自控系统与设备具有了通信能力，把它们连 接成网络系统，加入到信息网络的行列。因此把现场总线技术说成一个控制技术新时代 的开端并不过分。 到现在为止出现了多种现场总线的技术标准，它们在各自的领域都有一定的优势， 本文选用了应用最为广泛的一种技术标准一c a n 总线，因为它的优势在于其应用层协议 可以自己开发，而且有很多硬件厂商推出了他们的c a n 芯片，并在底层彼此兼容，这为 开发和后来的推广提供了很多方便。 c a n 总线( c o n t r o la r e an e t w o r k ，控制局域网络) 最初是由德国b o s c h 公司为汽车 内部的监控系统而设计的，世界上一些著名的汽车制造厂商，如b e n z ，b m w ，p o r s c h e ， r o l l s r o y c e 等都已采用c a n 总线来实现汽车内部控制系统与各检测和执行机构间的数 据通信。 c a n 是一种有效支持分布式控制或实时控制的总线式串行通信网络，具有物理层、 数据链路层和应用层三层协议。c a n 总线专用接口芯片中以固件形式集成了c a n 协议的 物理层和数据链路层功能，可完成对通信数据的成帧处理，包括位填充、数据块编码、 循环冗余校验、优先级判别等多项工作。c a n 总线各节点之间依据优先权进行总线访问， 以广播的形式进行通信。 由于采用了许多新技术及独特的设计，与一般的通信总线相比，具有突出的可靠性、 实时| 生和灵活性，其应用范围目前己不再局限于汽车行业。c a n 现已经形成国际标准， 并已被公认为最有前途的现场总线之一。 c a n 总线具有如下特性“”： c a n 是到目前为止唯一有国际标准的现场总线： c a n 为多主方式工作，网络上任一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； 在报文标识符上，c a n 上的节点分成不同的优先级，可满足不同的实时要求， 基于c a n 总线的土工三轴仪控制系统的研制 优先级高的数据最多可在1 3 4 u s 内得到传输； c a n 采用非破坏总线仲裁技术。当多个节点同时向总线发送信息出现冲突时， 优先级较低的节点会主动退出发送，而最高优先级的节点可不受影响的继续传 输数据，从而大大节省了总线冲突仲裁时间。尤其是在网络负载很重的情况下， 也不会出现网络瘫痪情况( 以太网则可能) ； c a n 节点只需通过对报文的标识符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： c a n 的直接通信距离最远可达l o k m ( 速率5 k b p s 以下) ：通信速率最高可达1 m b p s ( 此时通信距离最长为4 0 m ) ； c a n 上的节点数主要取决于总线驱动电路，目前可达1 1 0 个。标准帧报文标识 符有1 1 位，而扩展帧的报文标识符( 2 9 位) 的个数几乎不受限制； 报文采用短帧结构，传输时间短，受干扰概率低，保证了数据出错率极低； c a n 的每帧信息都有c r c 校验及其他检错措施，具有极好的检错效果： c a n 通信介质可为双绞线、同轴光缆或光纤，选择灵活； c a n 节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能，以使总线上其他节点的 操作不受影响t c a n 总线具有较高的性能价格比。它结构简单，器件容易购置，每个节点的价 格较低，而且开发技术容易掌握，能充分利用现有的单片机开发工具。 c a n 总线产品由于结构简单、应用灵活方便、可靠性强、价格低廉等优点，越来越 受到工业界青睐。c a n 节点的8 0 应用于车辆，其余应用于嵌入式网络和工业控制系统， 如工厂控制系统、机器人控制系统、监测系统、机床控制系统等。在欧洲高能物理项目 c e r n 中也采用了c a n 总线。 2 2 2g a n 总线的电气特性及其分层结构 1 c a n 总线的电气特性 c a n 总线的通信线路由两根导线组成，分别为c a n _ h 和c a n _ l ，这两根导线也就是 c a n 网络中的总线。网络中所有的节点都挂接在该总线上，并且都通过这两根导线交换 数据。 总线上某一时刻显现的数值由两根导线上电压v a 。和v c “_ l 的差值表示。该差分电 压v d 可表示“显性”和“隐性”两种互补的逻辑数值。如图2 2 所示，在“隐性”状 态下，差分电压v 。近似为0 。“显性”状态v d i ，则大于一个最小阐值。在c a n 总线标准 通信协议中规定“显性”表示逻辑“0 ”，而“隐性”则表示逻辑“1 ”。“” 当在总线上存在“显性”位和“隐性”位同时发送时，节点发送驱动电路的设计使 得总线数值表现为“显性”。在总线空闲位期间，总线表现“隐性”状态( 即逻辑1 ) 。 “显性”状态改写“隐性”状态启动发送并进行各节点之间的同步。 c a n 总线上的数据按位串行传输，其传输速率可高达i m b p s ，在速率为5 k b p s 时传 输距离可为l o k m ，在速率为i m b ! a s 时的传输距离为4 0 m 。当然，挂接在统一条总线上的 所有节点都必须采用相同的传输速率。 基于c a n 总线的土工三轴仪控制系统的研制 v 时_ 弧 图2 2总线位的数值表示 f i g 2 - 2e l e c t r i cd e n o t a t i o no fc a nb i t 2 c a n 总线的分层结构 c a n 的i s o o s i 参考模型的层结构如图2 3 所示“”。 图2 3c a n 的i s o o s i 参考模型层结构 f i g 2 - 3 c a nl a y e rs t r u c t u r eo fi s o o s im o d e l 1 物理层( p h y s i c a ll a y e r ) 定义信号是如何实际地传输的，因此涉及到位定时、 位编码解码、同步的解释。技术规范中没有定义物理层的驱动器接收器特性，以便允 1 0 基于c a n 总线的土工三轴仪控制系统的研制 许根据它们的应用，对发送媒体和信号电平进行优化。 2 数据链路层( d a t al i n kl a y e r ) 含以下两个子层： ( 1 ) 介质访问控制子层m a c ( m e d i u ma c c e s sc o n t r 0 1 ) 是c a n 协议的核心。它把接 收到的报文提供给l l c 子层，并接收来自l l c 子层的报文。m a c 子层负责报文分帧、仲 裁、应答、错误检测和标定。m a c 子层也受一个名为“故障界定”( f a u l tc o n f i n e m e n t ) 的管理实体监管。此故障界定为自检机制，以便把永久故障和短时扰动区别开来。 ( 2 ) 逻辑链路控制子层l l c ( l o g i c a ll i n kc o n t r 0 1 ) 涉及报文滤波、过载通知、以 及恢复管理。 2 2 3o a n 总线报文传送及其帧结构 在进行数据传送时，发出报文的单元称为该报文的发送器，该单元在总线空闲或丢 失仲裁前恒为发送器。如果一个单元不是报文发送器，且总线不处于空闲状态，则该单 元为接收器。 对于报文发送器和接收器，报文的实际有效时刻是不同的。对于发送器而言，如果 直到帧结束一直未出错，则对于发送器报文有效。如果报文受损，将允许按照优先权顺 序自动重发送。为了能同其它报文进行总线访问竞争，总线一旦空闲，重发送立即开始。 对于接收器而言，如果直到帧结束一直未出错，则对于接收器报文有效。 在c a n 中报文是以帧为单位进行传送的，在c a n 技术规范中，规定了总线上传输的 四种帧类型3 ： 数据帧：携带数据由发送器至接收器； 远程帧：请求发送具有相同标识符的数据帧； 出错帧：由检测出总线错误的任何单元发送； 超载帧：用于提供当前的和后续的数据帧和远程帧之间的附加延迟。 1 数据帧 数据帧由7 个不同的位场组成，即帧起始、仲裁场、控制场、数据场、c r c 场、应 答场和帧结束。数据场长度可为0 。c a n 2 o a 数据帧的组成如图2 4 所示。 帧问空间0 数据帧 、 j i 帧涧空间 ”、 ， 或过载帧 j 仲裁域。控蜮数据域a t 蹴帧结尾 图2 - - 4 数据帧结构 f i g 2 - 4 t h es t r u c t u r eo fd a t af r a m e 在c a n 2 o b 中存在两种不同的帧格式，其主要区别在于标识符的长度，具有1 1 位 标识符的帧称为标准帧，丽包括2 9 位标识符的帧称为扩展帧。 基于c a n 总线的土工三轴仪控制系统的研制 2 远程帧 激活为数据接收器的站可以借助于传送一个远程帧初始化各自源节点数据的发送。 远程帧由6 个不同分位场组成：帧起始、仲裁场、控制场、c r c 场、应答场和帧结束。 同数据帧相反，远程帧的r t r 位是隐位。远程帧不存在数据场。d l c 的数据值是独 立的，它可以是o _ 8 中的任何数值，这一数值为对应数据帧的d l c 。远程帧的组成如图 2 5 所示。 图2 5远程帧结构 f i g 2 - 5t h es t r u c t u r eo fr e m o t ef r a m e 3 出错帧 出错帧由两个不同场组成，第一个场由来自各站的错误标志叠加得到，后随的第二 个场是出错界定符。出错帧的组成如图2 6 所示。 数据帧_ 缝诱蟑粜_ 帻间空间 t 兰厂t 苎 卜、磊磊i 制 图2 6错误帧结构 f i g 2 - 6t h e s t r u c t u r eo fe r r o rf r a m e 为了正确地终止出错帧，一种“出错认可”节点可以使总线处于空闲状态至少三位 时间( 如果错误认可接收器存在本地错误) ，因而总线不允许被加载至1 0 0 。 错误标志具有两种形式，一种是活动错误标志( a c t i v ee r r o rf l a g ) ，一种是认可 错误标志( p a s s i v ee r r o rf l a g ) ，活动错误标志由6 个连续的显位组成，而认可错误标 志由6 个连续的隐位组成，除非被来自其他节点的显位冲掉重写。 一个检测到出错条件的“错误激活”节点通过发送一个活动错误标志进行标注。这 一出错标注形式违背了适用于由帧起始至c r c 界定符所有场的填充规则，或者破坏了应 答场或帧结束场的固定形式。因而，其他站将检测到出错条件并发送出错标志。这样， 在总线上被监视到的显位序列是由各个站单独发送的出错标志叠加而成的。该序列的总 长度在最小值6 和最大值1 2 位之间变化。 出错界定符包括8 个隐位。出错标志发送后，每个站都送出隐位，并监视总线，直 到检测到隐位。伺候开始发送剩余的7 个隐位。 4 过载帧 过载帧包括两个位场：过载标志和过载界定符，如图2 7 所示。 基于c a n 总线的土工三轴仪控制系统的研制 b _ j 虫鹭随* 帧问空间 t 兰厂t 曼帧 粜爿 。 过虢标志的重叠虹戴界定特 图2 7过载帧结构 f i g 2 - 7t h es t r u c t u r eo fo v e r l o a df r a m e 存在两种导致发送过载标志的超载条件：一个是要求延迟下一个数据帧或远程帧的 接收器的内部条件；另一个是在间歇场检测到显位。由前一个过载条件引起的过载帧起 点，仅允许在期望间歇场的第一位时间开始，而由后一个过载条件引起的过载帧在检测 到显位的后一位开始。在大多数情况下，为延迟下一个数据帧或远程帧，两种过载帧均 可产生。 过载标志由6 个显位组成。全部形式对应于活动错误标志形式。过载标志形式破坏 了间歇场的固定格式，因而，所有其他站都将检测到一个过载条件，并且由它们开始发 送过载标志( 在间歇场第三位期间检测到显位的情况下，节点将不能正确理解过载标志， 而将6 个显位的第一位理解为帧起始) 。第6 个显位违背了引起出错条件的位填充规则。 过载界定符由8 个隐位组成。过载界定符与错误界定符具有相同的形式。发送超载 标志后，站监视总线直到检测到由显位到隐位的发送。在此站点上，总线上，总线上的 每一个站均完成送出其过载标志，并且所有站一致地开始发送剩余的7 个隐位。 2 2 4o a n 总线的通信原理 通过对上述介绍，下面可以对c a n 总线的组织和通信过程作一简单归纳： c a n 控制器只能在总线空闲状态期间启动发送过程，总线上的所有的控制器同步于 帧起始的前沿，这个过程由硬同步来完成。 若有两个或更多的c a n 控制器同时开始发送，总线访问冲突通过仲裁场发送期间位 仲裁处理方法予以解决。仲裁期间，每个进行发送的c a n 控制器都将发送的位电平与监 控总线电平进行比较，任何发送一个隐性位而监视到一个显性位电平的c a n 控制器立即 变成总线上较高优先权报文的接收器，而不破坏总线上的任何信息。每段报文包括一个 唯一的标识符和在报文中含描述数据类型的r t r 位。标识符和r t r 位最先发送。标识符 和r t r 位对应二进制数值最低的报文具有最高的优先权。由于数据帧的r t r 位为显性电 平，因此数据帧比远程帧具有更高的优先权。 对于每个数据帧存在唯一的发送器。从与其他c a n 总线控制器兼容性的考虑，禁止 使用标识符二进制位模式i d = i i i i l l i x x x x ( x 表示任意电平位) ，这样，在b a s i c c a n 方式下，可以使用的标识符数目为2 0 4 8 1 6 = 2 0 3 2 。 帧起始、仲裁场、控制场、数据场和c r c 序列使用位填充技术进行编码。 当正在发送的c a n 控制器检测到5 个连续的相同极性的位被发送，一个互补( 填充) 位被插入到该发送位流中。 基于c a n 总线的土工三轴仪控制系统的研制 当发生填充错误、形式错误或应答错误时，检测到出错条件的c a n 控制器将发送一 个出错标志。出错标志在下一位开始发生。当检测到c r c 错误时，出错标志在紧跟应答 界定符后的一位开始发送，除非其他一些出错条件的错误标志已经开始发送。出错标志 将一个正在接收的c a n 控制器检测到接收的上述五种位场的位流中，具有5 个相同极性 的连续位，它将自动地删除下一个接收( 填充) 位。删除的填充位电平必须与先前位相反， 否则一个填充错误被检测到并被标注。 其余的位场和帧具有固定的形式，因而不使用位填充方法进行编码解码。 当发生位破坏位填充或损坏固定形式的位场。位填充法则的破坏将影响检测出错条 件的任何c a n 控制器。 一个检测出错条件的认可型c a n 控制器将发送一个认可出错标志。认可出错标志不 会中断在不同c a n 控制器上的当前报文，但这类出错标志可能被其他控制器忽略。检测 到出错条件后，认可型出错c a n 控制器将等待具有相同极性的6 个连续位，并在检测到 它们时，将它们理解为出错标志。 发送出错标志盾，每个c a n 控制器都在监视总线直至检测到一个显性电平到隐性电 平的跳变。此时，每个c a n 控制器就完成了其出错标志发送，并且所有c a n 控制器开始 发送7 个附加的隐性位。 辨识数据帧或远程帧报文格式的方法是所有可检测的错误均可在报文发送时间内 被标识，因而使c a n 控制器很容易组成对应报文的出错帧，并且初始化被破坏报文的重 新发送。如果c a n 控制器监测到出错帧固定格式的任何偏离，它将发送一个新的出错帧。 一些c a n 控制器要求借助于发送一个或更多超载帧来延迟下一个数据帧或远程帧 的发送。超载帧的发送必须起始于所等待间歇场的第一位。在期望的间歇场期伺，重新 激活位显性位的超载帧的发送应在该事件后的一个开始。 虽然超载帧和出错帧的格式相同，但对它们的处理却不同。在间歇场期间进行的超 载帧的发送不能初始化任何先前的数据帧和远程帧的重新发送。如果发送超载帧的c a n 控制器监测到其固定格式的任何偏离，它将发送一个出错帧。 2 。3 三轴仪控制系统部件的基本知识 2 。3 。1 控制系统驱动部件一兰相混合式步进电机 电机是加载系统的动力。现代三轴仪通常要求在同一机械加载框架下，既能完成应 变控制式试验、又能完成应力控制式试验；同时，应变控制式试验对加载装置的轴向定 位能力具有较高的要求( o 0 0 1 m m ) ，因此，加载电机必须要有良好的位置控制能力。目 前，满足上述要求的电机主要有交直流伺服电机和步进电机。 交直流伺服电机的受控量是电机的输出扭矩和转速，电机本身并不具备精确的位 置控制能力。为获得精确的位置控制能力，交直流伺服电机需要配备旋转编码盘。交 直流伺服电机控制系统技术复杂、价格较高( 市场价格通常在万元以上) 。 步进电机主要分为三种类型：永磁式( 附) 、反应式( v r ) 和混合式( h b ) 。永磁式 1 4 基于c a n 总线的土工三轴仪控制系统的研制 步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7 5 度或1 5 度；反应式步进电 机一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1 5 度，但噪声和振动都很大，在欧 美等发达国家8 0 年代已被淘汰：混合式步进电机混合了永磁式和反应