（电气工程专业论文）基于can总线的智能执行器的研究开发.pdf

一 垦窒堡兰垄三! ! 堡主! 堡垒墨 t h e s i st o p i c ：b a s e do nc a nb u si n t e l l i g e n ta c t u a t o rr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t p r o j e c tf i e l d ：e l e c t r i ca u t o m a t i o n a u t h o rn a m e ：z h a n gl ir a i n s i g n a t u r e ：型b 裂盗速 m e n t o rn a m e ：z h a n gw e in a s i g n a t u r e ：到鸥吗_ 业丝 l ir u ny u a n s i g n a t u r e ：厶显丝g 幽剧p a b s tr a c t e l e c t r i ca c t u a t o ri n t e l l i g e n tp r o c e s sc o n t r o ls y s t e mi sa ne s s e n t i a lc o m p o n e n t u n t i lt h e 1 9 9 0 s ，t h ed o m e s t i ci n t e l l i g e n c ea g e n c yi nt h es t u d yh a sj u s tb e g u n , a n di t h a sd i f f e r e n t f u n c t i o n s ，p a r t i c u l a r l y t h o s ew i t haf i e l db u si n t e l l i g e n ta c t u a t o rw i l lb et h ef u t u r e i m p l e m e n t a t i o no ft h ed e v e l o p m e n to ft h ei n e v i t a b l ed i r e c t i o n c a nb u s i st h em o s tr e l i a b l e t e s to fp r a c t i c et h em o s tp r o m i s i n go n eo ft h ef i e l db u s b a s e do nc a nb u si n t e l l i g e n ta c t u a t o rr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n ti sc a r r i e do u tb y a t m e g a l l 6s c m c o n s t i t u t em i c r o p r o c e s s o r - b a s e di n t e l l i g e n ts y s t e m ，a n dg a v et h ef i g u r e so f v a l v ep o s i t i o nd e t e c t i o na n dc o n t r o l ，0 n s i t ed i a g n o s t i ci n s t r u m e n tf u n c t i o n s t h ei n t r o d u c t i o n o ff i e l d - b u st e c h n o l o g y , t h r o u g ht e l e c o m m u n i c a t i o na n da c h i e v eac e n t r a l i z e dc o n t r o la n d d e c e n t r a l i z e dt r e a t m e n tt os o l v et h es c e n eo fh i g h - p r e c i s i o ns i g n a ld e t e c t i o n ，a n dt w o - w a y t r a n s m i s s i o np r o b l e m s c o m p l e t i o no ft h em a i nt o p i c si n t e l l i g e n te l e c t r i c a c t u a t o r so v e r a l lp r o g r a md e s i g n ， s e l e c t i o no fam i c r o p r o c e s s o ra n dd e s i g n ，c o n t r o la n dc a nb u si n t e r f a c ed e s i g na n d i m p l e m e n t a t i o n , e l e c t r o n i cs w i t c h e sa n dd i s p l a yo p t i o n s ，t h ee l e c t r i c a li n v e r s i o ni st r a n s f e r r e da n d t r i g g e ra n df o rt h ec o n t r o lc i r c u i t , p w mo u t p u t ，a n do t h e rp e r i p h e r a lc i r c u i t sd e s i g na n d i m p l e m e n t a t i o n , t h es y s t e m sr e l i a b i l i t ya n a l y s i sa n da n t i - j a m m i n gd e s i g n ，a n dt e s tt h es y s t e m t e s t ss h o wt h a tt h ei n t e h i g e n ta c t u a t o rs t a b l ep e r f o r m a n c e ，h i g hs e n s i t i v i t y , e a s yt oo p e r a t e ， a n ds t r o n gi n t e r f e r e n c ec a p a b i l i t yt oa c h i e v et h ed e s i r e dp r o d u c tg o a l s , a n dt h ei n t e l l i g e n t a c t u a t o rh a sg o o dp r o s p e c t sf o rd e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o nv a l u e k e yw o r d si n t e l l i g e n te l e c t r i ca c t u a t o r c a nb u ss c m l l 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学位论文是我个 人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所论述的工作和成 果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 论文作者签名：i 堡赴纠年i o , e i 和e t 学位论文使用授权声明 本人篮幽&在导师的指导下创作完成毕业论文。本人已通过论文的答辩，并 已经在西安理工大学申请博士硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意授权 西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生按学校规定提交 印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生上交的 学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编人有关数据库进行检索；2 ) 为教学和 科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、资料室 等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 论文作者签名：缝盘垣立一导师签名：荔粹如田年，。月如日 1 概述 1 概述 1 1 自动化仪表的发展 2 0 世纪七十年代，过程仪表开始采用4 2 0 m a d c 信号标准，到八十年代，微处理器技 术应用于工业自动化，分散控制系统( d c s ) 开始广泛应用。到八十年代中期，以微处理 器为技术支持，将集成电路芯片嵌装于现场仪表中的智能仪表诞生。它将现场仪表的信号 经过数据运算处理后，再送往计算机，极大地提高了仪表精度和可靠性，并且克服了模拟 信号传输所存在的信号衰减、精度降低、干扰信号的引进等问题。到九十年代中期，以现 场总线网络为标志的现场总线的技术产生，并且迅速发展。 由现场总线网络、过程控制网络和工厂网络构成的开放网络系统，被认为是工业过程 领域的发展方向。 1 2 现场总线的起源与背景 信息技术的飞速发展，带来了自动化领域的深刻变革，并逐渐形成了自动化领域系统 互联通信网络，形成了全分布式网络集成化自控系统，现场总线正是这场深刻变革中的重 要技术，已经成为世界范围的自控技术热点，被誉为跨世纪的自控新技术。 现场总线是从2 0 世纪8 0 年代中期发展起来的。一方面，随着微处理器功能的不断增 强和价格的降低，计算机和计算机网络系统得到迅速发展；另一方面，处于生产底层的测 控自动化系统，采用一对一连线，用电压、电流信号进行测量控制，或采用自封闭式的分 散控制系统，难以实现设备之间以及系统与外界之间的信息交换，使自动化系统成为一个 个的“信息孤岛”t 5 1 。这就要求有一种能在工业现场环境运行的、性能可靠的、造价低廉 的通信系统以形成工厂底层网络，完场现场自动化设备之间的多点数字通信，实现底层现 场设备之间以及生产现场与外界的信息交换，现场总线就是在这种实际需求的驱动下应运 而生的，现场总线能同时满足过程控制和制造业自动化的需要，已成为工业数据总线领域 中最为活跃的一个领域，在制造业、流程工业、交通、楼字等方面的自动化系统中具有广 阔的应用前景。 c a n 总线是控制器局域网( c o n t r o n l l e ra r e a n e t w o r k ) 的简称，是德国r o b e r tb o s c h 公司及几个集成电路制造商联合开发出来的，最初是专门为汽车工业设计的。由于其设计 合理，具有较强的实用性，因此推出后不仅在汽车工业广泛应用，还大量应用于工业自动 化、智能建筑、医疗设备、自动测试设备等诸多领域，获得了长足的发展。一些大公司的 s d s 系统都是应用c a n 的产品。正是c a n 技术与产品的可靠性与实用性，它的应用范 围和用户正迅速扩大，c a n 总线类型的产品在市场上越来越有优势。 c a n 协议遵循i s o o s i 模型，采用了物理层、数据链路层与应用层。c a n 采用多主 工作方式，节点之间不分主从，但节点之间有优先级之分，通信方式灵活，可实现点对点、 一点对多点及广播方式传输数据，无需调度。c a n 采用的是非破坏性总线仲裁技术，按 优先级发送，可以大大节省总线冲突仲裁时间，在重负荷下表现良好的性能。c a n 采用 西安理工大工程硕士学位论文 短帧传输，每帧有效字节为8 个，传输时间短，受干扰的概率低。而且每帧信息都有c r c 校验和其他检错措施，保证数据出错率极低。当节点严重错误时，具有自动关闭功能，使 总线上其他节点不受影响。可见，c a n 是所有总线中最为可靠的。更为先进的是c a n 总 线采用双绞线、同轴电缆或光纤作为传输介质，它的直接通信距离最远可达1 0 k i n ，通信 速率最高达1 m b s ( 此时通信距离为4 0 m ) 。 目前现场总线c a n 已有i s o t c 2 2 技术委员会批准为国际标准，它是惟一被国际标准 化组织批准的现场总线，所以符合现场总线c a n 协议的智能型电动执行器取代早期发展 起来的总线型智能型电动执行器已经成为趋势。 1 3 电动执行器的发展 执行机构在现代生产过程自动化中起着十分重要的作用，常被称为实现生产过程自动 化的“手足”。电动执行机构以电能为动力，接受控制器来的标准信号( 模拟量或数字量) ， 通过将此信号转变成相对应的机械位移( 转角或直线位移) 来自动改变操作变量( 控制阀、风 门、挡板开度等) ，以达到对被控参数( 温度、压力、流量、液位等) 进行自动控制的目的， 使生产过程按预定要求进行。所以电动执行机构对自动控制系统的安全运行、可靠性及控 制品质的优劣都有很大影响。执行器的发展情况关系着工业自动化控制程度的提高，因此 它越来越受到人们的关注。执行器的发展由普通型电动执行器向智能型电动执行器发展， 符合现场总线协议的智能型电动执行器已经成为趋势。 i 3 i 普通电动执行机构 2 0 f l t 纪s o g 代，普通型电动执行机构和伺服放大器占主导地位。 电动执行机构动作和响应快，工作效率高，调速性能好。作为控制和驱动阀门的重要 装置，从5 0 年代起就开始广泛地应用于我国的各个工业部门。 它主要由伺服电机、减速机构、普通控制器组成，伺服电机一般为单相电机或三相电 机，不具有自保护功能。减速机构一般为螺母、螺杆或蜗轮、蜗杆传动，具有自锁功能， 普通控制器可接受4 - 2 0 m a 调节信号，并且反馈4 - - 2 0 m a 位置信号，采用普通电位器或 差动变压器。 在工业生产过程中，因为各种工业生产条件都是不尽相同的，对于电动执行器来说， 不同的现场条件和场合就要选择不同的电动执行器，只有这样才能正常有效的进行工业生 产，同时又能够保障电动执行器的设备安全和寿命，也可以降低生产的成本，提高产品的 竞争力。所以，电动执行器在选型、配置、使用、维护方面需要用户花费很大精力。随着 现代化大工业对电动阀门要求的不断提高，原有的这些电动执行器在功能和使用上的缺点 暴露越来越明显：基本上是采用模拟电调节技术、使用磁放大器作伺服放大器、靠摩擦盘 制动、无力矩保护和行程开关、结构复杂、控制精度较低、安全性不好、缺乏完善的故障 处理和报警装置、不能很好地实现人机对话等，这类产品已经很难满足目前工业生产的要 求。 随着控制、计算机、通讯、网络等技术的发展，信息交换变得越来越普及。这些变化 2 i 概述 引起的自动化系统的变革，慢慢形成了以网络集成自动化系统为基础的智能控制系统。国 外的电动执行机构厂家表现活跃，产品发展迅速，基于现场总线的智能执行机构已经进入 国内市场，这些智能执行机构产品的进入极大地冲击着国内的仪表工业。为了更好的适应 工业自动化的发展需要，适应工业生产对控制系统的精度越来越高的要求，数字式的智能 电动执行器开发成为必然的趋势。 1 3 2 智能型电动执行机构 新一代智能电动执行机构，不仅克服了原来产品的不足，还增加了许多功能，扩展了 使用领域，提高了各项性能指标，而成本增加不多，可以大量更新现有的装置。在工业自 动化领域，智能执行器正以其独特的优势受到各部门的重视，它不仅可以实现某些常规模 拟量仪表的功能，而且可以将人们的思维和解决问题的方式方法以软件的形式加入到系统 中，从而具备智能化的特点。 虽然智能电动机构的构造随不同的品种而有所不同，但其基本的组成部分大体上是相 同的，大都包含如下部分： 中心控制单元：包括微处理器及相应的控制软件。 传感测试单元：包括传感器等外设，用于提供反馈和诊断信号。 i o 接口及通讯接口：用于信号的交换及远程信息的传递。 驱动单元：包括电机和相应的减速装置。 执行部件。 对于某一具体产品，它的一些方面的功能可能有些改进和加强，如有的产品还具有显 示、故障诊断、失效保护等功能。所有的这些部分组成在一起，形成一体化的结构，从而 具有更多的功能，更方便了人们的使用，也使整机具有完善的性能。 1 3 3 基于c a n 总线的智能执行机构 由于智能电动执行器含有微控制器与上位机双向通讯模块及软件，它在质量上更上一 层楼，具有与上位机通讯的功能。其特点为： ( 1 ) 具有智能化和高精度的系统控制功能。控制任务由传统的控制器转为由执行器的微 处理器来完成，系统可按给定值自动进行p i d 调节，控制流量过程变量。 ( 2 ) 具有一体化的结构。智能执行机构包含了位置控制器、阀位变送器、p i d 控制器及 伺服放大器，将整个控制回路装在一台现场仪表里，减少了因信号传输中的泄露和外部环 境干扰等因素对系统的影响，提高了系统的可靠性。 ( 3 ) 具有智能化的通讯功能。由于通讯符合现场总线c a n 的通讯协议，电动执行器与 上位机或控制系统之间可通过总线进行双向数字通讯，极大提高了系统的控制精度和稳定 性。产品可以通过总线与别的c a n 节点相互集成，构成控制系统，这是和以往的执行器 最大的区别所在。 3 西安理工大工程硕士学位论文 1 4 项目的来源、课题研究的内容 1 4 1 项目的来源 随着电子技术以及大规模集成电路的开发应用，各种高性能的电子器件和微处理器为 数字化阀门电动执行机构的开发研究奠定了基础。 我公司是生产制造暖通空调通风设备的厂家，尤其大量生产制造地铁专用的通风风 阀，在调节风阀开启的过程中需要采用执行机构来进行控制操作，我公司原有的执行器为 普通型电动执行器，存在着控制方式落后，可靠性不高，缺乏完善的保护和故障报警措施以 及必要的通信手段等问题，使得现有的阀门电动执行机构不便于调试和维护，也不能根据 生产的实际需要进行参数的现场调整，不能组成网络进行远程控制。 为了适应系统的发展与市场的需要，为企业创造更大的经济与社会效益，进一步提高 我公司的产品水平，我公司重新开发基于c a n 现场总线的、基于单片机a t m e g a l 6 的智 能型电动执行器，在今后的实际生产中逐渐成为主导产品，进而在今后几年内能够取代原 d d z 一型执行器，可以广泛地应用于电站、石油、化工、冶金、轻工业等行业部门。 1 4 2 课题的研究内容 课题研究的主要内容是开发并完成基于c a n 现场总线的智能型电动执行机构，并形 成产业化；其主要任务是系统总体方案的设计、系统的硬件选择与功能的实现、系统的可 靠性和抗干扰设计措施等；已经完成的工作有对微处理器的选型及设计、c a n 通讯接口的 硬件实现、电子开关和显示器的选择、各外围电路的设计实现以及系统的可靠性和抗干扰 设计等内容。本课题及论文的主要工作重点在于c a n 现场总线的软硬件设计及功能实现。 本课题中，采用t n n 型零齿差减速传动机构。零齿差减速机构作为行星式少齿差传动 机构中的一种特殊传动方式，既保持了少齿差传动较高的传动效率，又实现了机械自锁， 而且全部采用齿轮传动，加工简单，并能极大地减小传动机构的体积。 本课题主要的研究进程： i 、查阅国内外相关文献，了解国内外控制仪表技术的发展现状，了解相关电子元器 件的工作原理、主要作用、具体应用等，了解c a n 总线的概念、特点和c a n 协 议的内容； 2 、智能电动执行器的系统总体方案的设计； 3 、执行机构控制功能实现和系统的硬件设计，包括c a n 通讯接口、电机控制电路、 阀位检测电路等； 4 、完成对微处理器的选择、时钟频率和a d 转换器的选用、阀位变送功能的实现、 固态交流开关、显示器的选择等； 5 、软硬件联调，进行系统可靠性分析及系统的抗干扰设计； 6 、整机测试和型式实验等。 4 2 基于c a n 总线的智能型执行器硬件设计 2 基于c a n 总线的智能型执行器设计 2 1 总体方案的设计 电动执行器是过程控制系统中的一个重要组成部分，被广泛应用于冶金、电力、石油、 化工等部门。它由伺服放大器( 又称执行器控制器) 和执行机构两大部分组成，接受来自调 节器或人工给定的控制信号，将其线性地转换为机械转角或直线位移，用来操纵风门、挡 板、阀门等调节机构以完成对生产各种参量的自动控制”1 。 本论文针对国内外的电动执行机构越来越多采用机电一体化、微机控制设计以实现其 智能化、微型化、低功耗、简单化的发展趋势和要求“”，对电动执行器的控制部分( 伺 服放大器、电动操作器) 及位置发送器进行深入研究，设计了集三者控制功能于一体的嵌 入式智能伺服操作系统，实现了电动执行器的微机智能化控制。 2 1 1 智能型执行器的系统结构 本智能执行器以单片机系统及其扩展电路加上输入、输出电路构成的微机型智能系统 取代了常规的控制器，通过运行程序完成全部控制要求；同时通过红外收发装置，实现双 向数据传输；通过c a n 现场总线通讯模块，实现远程通讯功能。 智能电动执行器的控制系统原理框图如图2 2 所示。系统构成主要包括控制器、c a n 总线控制及接口、驱动电机、减速器、位置传感器、显示附件等。 笪叁堕量r 蕊 运t 报1f 电ii 阀位1 | l e d 警51 源ll 输出il 显示 a t m e g a l l 6 单片机 高精密导电塑料 电位器传感器 1 坠! 垩墨望塑i f 面谰 i _ j 嚣h 鬻炻控制j1 主回路1 、。 器h 薹 图2 - 1 智能执行器控制系统原理框图 f i g2 - 1b l o c kd i a g r a mo f i n t e l l i g e n tc o n t r o ls y s t e mi m p l e m e n t a t i o n 工作原理：执行器的输入信号和经高精密导电塑料电位器检测到的位置反馈信号进入 单片机，在内部完成放大、a d 转换、综合分析处理后，输出相应的阀位调节信号，驱动 电机的正反转从而驱动阀门，实现生产过程自动控制的目的。并可根据需要通过c a n 总 线控制通信模块进行远程通讯，达到集中控制、分散处理的目的。 5 西安理工大工程硕士学位论文 2 1 2 智能电动执行器的各组成部分 本智能型执行器由控制器、c a n 总线控制及接口部分、驱动电机、减速器、位置传 感器、显示附件等几部分组成，各部分的作用和工作原理简单介绍如下： 1 控制器采用了先进的集成电路，以a t m e g a l 6 单片机为核心：可以预先设定阀门的 灵敏度、零点和行程等整定参数，通过模拟量或数字量的输入信号设定阀门开度。 2 c a n 接口通讯功能模块由微处理器、c a n 控制器和c a n 收发器共同完成。执行器 的通讯信息经a t m e g a l l 6 集中处理后送至c a n 总线控制器s j h l 0 0 0 ，s j a l 0 0 0 再经过报 文转化送至c a n 总线收发器，由其变换成差分电平发送到c a n 物理总线上传输至上位 机。 3 电机采用的为单相交流电机，抗堵转性能较好；驱动部分由逻辑互锁电路及固态 继电器组成，完成电动机正反转的起动、换向、停止等控制。 4 减速器采用具有高效率带机械自锁的n n 型零齿差减速传动机构，该机构分为主减 速级和辅助减速级两部分，传动比范围可从十几变化到几万，能够满足用户对多种输出速 度的要求。它把驱动电机输出的旋转运动转化为输出轴的大转矩转角位移，驱动调节机构。 零齿差减速机构作为行星式少齿差传动机构中的一种特殊传动方式，既保持了少齿差传动 较高的传动效率，又实现了机械自锁，而且全部采用齿轮传动，加工简单，能极大地减小 传动机构的体积。这种新技术方便了电动执行器的设计，简化了制造工艺，提高了设计的 可靠性。其基本结构图如图2 。2 所示： 6 图2 - 2n n 型传动机构基本结构图 f i g2 - 2 b a s i cf r a m ed i a g r a mf o rn nd r i v e r 2 基于c a n 总线的智能型执行器硬件设计 5 位置传感器采用高精度的塑料导电电位器。位移检测机构通过电位器将执行机构输 出轴的机械变化转化为电信号，输入到控制器，参与执行机构的调节控制。同时该信号也 被转化成阀门位移开启度，通过显示板显示出阀门的开启度百分比。在该检测机构中，设 置了2 个起到限位作用的微动开关，以保证系统运行安全，同时还输出两组开关量信号， 用于控制系统使用。 6 在显示电路中采用双4 位l e d 显示，阀位控制信号和阀位反馈信号同时显示。由于 标准的电压或电流信号受到信号类型的限制，因此要将不同信号制转换成统一的百分比信 号来显示。阀位控制信号统一将信号转换成百分比工程量信号，则实现控制信号与百分比 工程量信号为线性对应关系，例如：4 2 0 n 认信号则用0 代表4 m a ，用1 0 0 代表2 0m a ， 用5 0 代表1 2m a ；阀位反馈信号在正作用情况下，阀门全关用0 来表示，阀门全开用 1 0 0 来表示。 2 1 。3 智能电动执行器控制器原理 智能执行机构控制框图如图2 3 所示，执行机构可以工作在三种工作方式下，即开关 型方式、调节型方式和控制型方式。 厂磊磊磊i 五磊_ - - ；赢再f s puf 图2 - 3 控制方式原理图 f i g 2 - 3d i a g r a mo f c o n t r o lt h e o r y 开关型工作方式则等同于开关型执行机构，它只有开或关两种位置j 它将根据不同 的阀位控制信号的量程来在执行机构内部设置某一固定值，当输入的阀位控制信号低于该 值时则认为是低电平，从而控制阀门关闭，反之则控制阀门打开。 调节型工作方式其原理与传统的执行器相类似，只是其控制任务由传统的伺服放大 器转为由执行器的微处理器来完成。在调节型工作方式下，阀位控制信号( u ) 与输出轴 位移变量成函数关系的阀位反馈信号( y ) 进行比较，当其偏差信号p = u - y a ( a 0 ，系执 行器死区) 时，输出轴正向运行；当p 2 4 1 4 3 9 0 0 2 lvnnn l i t 6i r 1 1 i 7 盥 i d 1t x l 1 9 一 l ： 一 2 5 a d 2r x 0 5 一 i l 4 一一i 2 6 2 0 f 芈 。l 写 江卡譬 d 3戤1 】0 0 uf 到v r e fs s 3 l t 2n 孔 z 2 7 d 4 旦胁k o 6 n 1 3 7 一p 1 。i 。l i ；f “。j _ ：牛p 叫 1i g n d| 一u 1 i 上 一一 d 研i nl j ；业马 = = 日磊c “f 一 2 8 习。 j li 1 1 0 0 u f d 5m o d e l a d 6v d d l 2 a d 7v d d 2 4 墅v d d 3到 5 器v s s l 8 6 蛩 3 l ev s s 2 1 6丽v s s 3 图2 - 7s j a l 0 0 0 与c a n 总线连接图 f i g 2 - 7c o n n e c t i o no fs j a l 0 0 0a n dc a nb u s 为了增强c a n 总线节点的抗干扰能力，s j a l 0 0 0 的串行口t x o 和r x o 并不是直接与 8 2 c 2 5 0 的t x d 和r x d 相连，而是通过高速光耦6 n 1 3 7 后与8 2 c 2 5 0 相连，这样就很好的实 现了总线上各c a n 节点间的电气隔离。不过应该特别说明的一点是光耦部分电路所采用的 两个电源v c c 和v d d 必须完全隔离，否则使用光耦也就失去了意义。电源的完全隔离可采 用小功率电源隔离模块或带5 v 隔离输出的开关电源模块加以实现。 为了提高节点的稳定性和安全性，尽管会增加系统的复杂性，这里在8 2 c 2 5 0 与c a n 总线的接口部分仍然使用了一定的安全和抗干扰措施。p 8 2 c 2 5 0 的c a n h 和c a n l 引脚可以 各自通过一个5 0 q 的电阻与c a n 总线相连，电阻可起到一定的限流作用，保护8 2 c 2 5 0 免受过流的冲击。同时c a n h 和c a n l 与地之间并联了两个3 0 p f 的小电容，可以滤除总线 上的高频干扰并且起到一定的防电磁辐射的能力。另外，在两根c a n 总线接入端与地之间 可以反接一个保护二极管，当c a n 总线有较高的负电压时，通过二极管的短路可起到一定 的过压保护作用。8 2 c 2 5 0 的r s 脚上接有一个斜率电阻，电阻大小可根据总线通讯速度适 当调整，一般在1 6 k q 1 4 0 k q 。 b c 州总线控制器 s j a l 0 0 0 是一种独立的c a n 控制器，它支持c a n 2 o a 和c a n 2 o b 两种技术规范，具有 较高的通讯速率和增强的验收滤波器。它是p h l i p l s 公司的c a n 控制器p c a 8 2 0 2 0 0 的替代 品。s j a l 0 0 0 具有b a s i c c a n 和p e l i c a n 两种工作方式。p e l i c a n 工作方式支持具有很多新 特性的c a n 2 o b 协议。s j a l 0 0 0 在软件和引脚上都是与它的前一款8 2 c 2 0 0 独立c a n 控制 器兼容的。在此基础上增加了很多新的功能，为了实现软件兼容，s j a l 0 0 0 采用了两种工 作方式b a s i c c a n 方式( p c a 8 2 c 2 0 0 兼容方式) 、p e l i c a n 方式( 扩展特性方式) ，+ 工作方 西安理工大工程硕士学位论文 式通过时钟分频寄存器中的c a n 的方式位来选择。上电复位时默认的工作方式是b a s i c c a n 方式，b a s i c c a n 和p e l i c a n 方式的区别为：在p e l i c a n 方式下，s j a l 0 0 0 有一个重新设计 的含很多新功能的寄存器组，s j a i 0 0 0 包含p c a 8 2 c 2 0 0 中的所有位，同时增加了一些新的 功能位，p e l i c a n 方式支持c a n 2 o b 协议规定的所有功能( 2 9 位的标识符) 。 s j a l 0 0 0 的工作过程是这样的： 根据c a n 规范，c a n 核心模块控制c a n 帧的发送和接收。接口管理逻辑负责连接外部 主控制器，该控制器可以是微型控制器或任何其他器件。经过s j a i 0 0 0 复用的地址数据 总线访问寄存器和控制读写选通信号都在这里处理。 s j a l 0 0 0 的发送缓冲器能够存储一个完整的报文( 扩展的或标准的) 。当主控制器初始 化发送，接口管理逻辑会使c a n 核心模块从发送缓冲器读c a n 报文。 当收到一个报文时c a n 核心模块将串行位流转换成用于验收滤波器的并行数据。通过 这个可编程的滤波器，s j a l 0 0 0 能确定主控制器要接收哪些报文。 所有收到的报文由验收滤波器验收并存储在接收f i f o 。储存报文的多少由工作模式决 定，而最多能存储3 2 个报文。因为数据超载可能性被大大降低，这使用户能更灵活地指 定中断服务和中断优先级。 s j a i 0 0 0 控制器的结构图如图2 喝所示。 图2 - 8s j a l 0 0 0 控制器的结构图 f i g 2 - 8s t r u c t u r ec h a f to fc o n t r o l l e rs i a l 0 0 0 c i ，c a 8 2 g 2 5 0 总线驱动芯片 使用s j a l 0 0 0 总线控制器本可以完成c a n 总线通信任务，但是它的驱动能力不够，因 此必须要加p c a 8 2 c 2 5 0 总线驱动芯片，它是c a n 控制器与物理总线之间的接口。t x d 为发 送数据输入端，r x d 为接收数据输入端。c a n l 和c a n h 分别为c a n 总线输入输出信号的低 端和高端。凡为斜率电阻的输入端。 p c a 8 2 c 2 5 0 的工作方式： 甩允许选择三种不同的工作方式： 1高速模式：支持最大的总线速度和长度。 1 4 2 基于c a n 总线的智能型执行器硬件设计 2 斜率控制模式：输出转换速度可以被故意降低，以减少电磁辐射，当使用非屏蔽 的总线电缆时可以考虑使用这种模式。 3待机模式：这种模式系统功率消耗非常低。 由于总线输出信号的转换速率和流出引脚r ，的电流成比例，而电流主要由斜率控制电 阻的阻值决定，所以使用不同的阻值就有不同的转换速度。 在斜率控制模式中，斜率控制电阻r 。，通常连接在r 。输入和由端口输出或地线提供的 逻辑低电平之间，因此转换速度和斜率控制电阻r 。之间的关系由下面的方程式给出： 转换速率_ 秀痪蘧0 反5 雨v c 甄c 五i = i 云i i 0 i 5 v 甄c c ( 2 4 ) 如果要求转换速率为l o v u s ，则根据公式斜率控制电阻应该为： r e x t = 转抉运厦o 常彤数厕c 藤2 i 石0 巫s v 三c c 而i 弓越。 2 5 斜率控制模式中的总线长度： 斜率控制模式中，总线输出的转换速率可被降低，这意味着总线节点的循环延迟将增 加。 根据c a n 位定时的要求，这相当于系统在给定的位速度下最大的总线长度减少，或者 在给定的总线长度下位速率减少。 最大的双向传播延迟x 一有效的收发器循环延迟一其它组件循环延迟 可使用最大总线长度= 互忑夏碡汤历萌萄吾吾西一 ( 2 6 ) ，醢j 五b 见口y 付止贻船 节点的最大数量： 收发器p c a 8 2 c 2