（电气工程专业论文）基于can总线的单片机自动生产线测控系统的设计.pdf

江苏大学工程硕士学位论文 结出了c a n 总线在测控系统领域的一种网络应用方案。 关键词：自动生产线；测控系统；c a n 总线 江苏大学工程硕士学位论文 a b s t r a c t f i e l d b u st e c h n o l o g yi ni n d u s t r i a la u t o m a t i o nl e dt om a j o rc h a n g e si nt h ef i e l d ， w h i c hr e p r e s e n t st h ei n d u s t r i a lc o n t r o ln e t w o r kt e c h n o l o g yd e v e l o p m e n t w i t ht h e a u t o m a t i o no fi n d u s t r i a ls y s t e m si m p r o v e m e n t ，i n c r e a s i n gf u n c t i o no ft h es y s t e m u n i t ，s y s t e mb e t w e e nt h ev a r i o u sf u n c t i o n a lu n i t sa n df u n c t i o n a lu n i t sa n dt w o w a y c o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h ec o n t r o l l e r sh a v eb e c o m ei n c r e a s i n g l yp r o m i n e n t p r o b l e m f u n c t i o n a lu n i ta tt h es c e n eo ft h ep a r a m e t e rs e t t i n g s ，f a u l td i a g n o s i s ，a u t o m a t i c a l a r ma n df a u l t 1 i n er u l eo u tt h ep o s s i b i l i t yo ft h er e a l i z a t i o no f f u n c t i o n s ，r e q u i r e m e n t so ft h e f u n c t i o n a lu n i tm u s th a v ea n do t h e ru n i t sa n dt w o w a y c o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h ec o n t r o l l e rf u n c t i o n c a nt e c h n o l o g yi sd e s i g n e di n i t i a l l yu s e di nt h ea u t o m o t i v ei n d u s t r y ，i sah i g h p e r f o r m a n c e ，h i 【曲r e l i a b i l i t y , e a s yd e v e l o p m e n ta n dl o w - c o s tf i e l d b u s ，w i d e l yu s e d a r o u n dt h ew o r l d ，i st h ef i r s ta p p l i c a t i o ni nc h i n a , o n eo ft h ef i e l db u s c a nb u sa sar e s u l to ft h e i ro w nc h a r a c t e r i s t i c s i t sa p p l i c a t i o n sh a sb e e ne x t e n d e dt ot h ea u t o m o t i v ei n d u s t r yp r o c e s sc o n t r o l ， m a c h i n eb u i l d i n g ，r o b o t i c sa n d b u i l d i n ga u t o m a t i o na n do t h e rf i e l d s ，a n dm a n yb u s b e c a m et h ef i r s ti n t e m a t i o n a ls t a n d a r d s 。 p a p e r sf o rt h ec a n b u si nt h em a i nt e c h n i c a la s p e c t so fm o n i t o r i n gt h e a p p l i c a t i o no fr e s e a r c h t oo u rc o l l e g ep r o v i n c i a lc e n t e r so fe l e c t r i c a la n de l e c t r o n i c e x p e r i m e n t a ls i m u l a t i o no fa na u t o m a t e dp r o d u c t i o nl i n ef o r t h et r a n s f o r m a t i o no f o b j e c t s ，t h eo r i g i n a lp l cc o n t r o ls y s t e mi n t oas i n g l e c h i pc a n b u sc o n t r o ls y s t e m ，n l ep r o d u c t i o nl i n ei sam e c h a n i c a l e l e c t r i c a la n dc o n t r o lo fi n t e g r a t e d a u t o m a t e dc o n t r o ls y s t e m ，i tw i l lo fp n e u m a t i ct e c h n o l o g y ，s e n s o rt e c h n o l o g y ，p l c t e c h n o l o g y ，c o n t r o lt e c h n o l o g yi n t oo n e ，1 h ef o r m a t i o no fat e c h n o l o g i c a l l ya d v a n c e d m a n u f a c t u r i n gs y s t e m sp r o d u c t i o n t h ep r o d u c t i o nl i n ee q u i p m e n t ，m a i n l yf o rm y c o l l e g ea u t o m a t i o n , e l e c t r i c a la n dm e c h a n i c a li n t e g r a t i o no ft h et e a c h i n gp r o f e s s i o n , t e a c h e r s ，r e s e a r c ha n dt r a i n i n gs c h 0 0 1 c a nb u st e c h n o l o g y 埘t l law i d er a n g eo fa p p l i c a t i o n s ，c a nb u sa n d s i n g l e c h i pc o m b i n a t i o no fa u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e mu s e di nt h ef i e l do fa u t o m a t i c c o n t r o lh a sb e c o m eah o ts p o t 1w i l lb ei np l a c eo fm c s 51s i n g l e c h i pt ot h eo r i g i n a l s i t eo fm i t s u b i s h ip l cc o n t r o l ，s ot h a ta u t o m a t i c a l l yr o u t e st h es i g n a lb e t w e e nt h e m o d u l et h r o u g ht h ec a nb u sp a s s ，s e tu pa ni n d u s t r i a ls i t et a r g e t e da ts i n g l e c h i p m i c r o c o m p u t e rt oc o n t r o lt h en e t w o r kc o n t r o ls y s t e mr e a l t i m eo n l i n em o n i t o r i n g a n dc o n t r o l ，av e r yg o o ds o l u t i o nt ot h ea u t o m a t i o na n dr e l a t e dp r o f e s s i o n a l si nt h e s i n g l e - c h i p ，f i e l db u st e c h n o l o g ya n di n t e g r a t e dp r o f e s s i o n a lp r a c t i c eo ft e a c h i n g c o u r s e si nt h ea b s e n c eo fv e c t o rp r o b l e m s ，v e r yg o o dt om e e tt h et e a c h i n gn e e d s 砌sp a p e ri n t r o d u c e dt h ea u t o m a t i cp r o d u c t i o nl i n em o n i t o r i n ga n dc o n t r o l s y s t e mc o m p o n e n t sa n dc o n t r o lo ft h eb a s i cr e q u i r e m e n t s ；c a r r i e do u ts i n g l e c h i p m i c r o c o m p u t e rt oc o n t r o lt h em e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e mh a r d w a r ea n ds o f t w a r e i i i 江苏大学工程硕士学位论文 d e s i g nw o r k ，o nt h eb a s i so ft h e o r ya n da p p l i c a t i o n ，t h eb o t t o mo ft h ec 埘b u s c o n t r 0 1n e t w o r kt od oa l li n d e p t hr e s e a r c h ，w i l lb et h ec a nb u st e c h n o l o g yi n m e 舢e m e ma n de o n t r o ls y s t e m ，r e a l t i m e ，n e t w o r ka n di n t e l l i g e n tc o n t r o l r e q u i r e m e n t s ，t h ed e v e l o p m e n to fc a nb u sc o m m u n i c a t i o ns o f t w a r e ，s u m m e du pt h e c a nb u si nt h ef i e l do fm e 舢e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e mo fan e t w o r ka p p l i c a t i o n p r o 毋伽1 k e y w o r d s ：a u t o m a t e dp r o d u c t i o nl i n e s ；m e 删e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e m ；c a nb u s i v 江苏大学学位论文版权使用授权书 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密匝 学位论文作者签名：扔友帮 扣o | 年or b 指导教师签名：和丑凭 ，、0 孑研年多月j 日 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中己注明引用的内容以外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 嗍唧年月j 日 江苏大学工程硕士学位论文 1 1 现场总线定义 第一章绪论 现场总线( f i e l d b u s ) 被称为2 1 世纪工业过程控制网络标准，按照国际电工 委员会i e c 6 1 1 5 8 的定义，现场总线是指安装在制造或过程区域的现场装置之 间、以及现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、串行和多点通信 的数据总线。它的关键标志是支持双向、多节点、总线式的全数字式通讯。 1 2 现场总线的产生与发展 现场总线技术是在市场对现场仪表智能化以及全数字控制系统的需求驱动 下产生的。 在很长一段时间内，计算机领域的数据传输都在使用r s 2 3 2 和c c i t t v 2 4 等通信标准，尽管它们被广泛的应用，但却始终存在通讯速率低、只能点 对点传输、无法支持更高层次的计算机之间的功能操作等缺点。同时，在复杂 或大规模的应用( 如工业现场控制或生产自动化领域) 中需要使用大量的传感 器、执行器和控制器等，它们通常分布在非常广的范围内，如果在最低层上采 用传统星型拓扑结构，那么安装成本和介质造价都将非常高昂，所以在整个网 络的底层上的确需要设计出一种造价低廉而又能经受工业现场恶劣环境的通信 系统，现场总线就是在这种背景下产生的n 1 。 现场总线是2 0 世纪8 0 年代中期在国际上发展起来的，它的最初商业应 用是h o n e y w e l l 公司在1 9 8 3 年推出的差分智能化仪表，它在原模拟仪表的基 础上增加了计算功能的微处理器芯片，在输出的直流信号上叠加了数字信号， 从而使现场装置与控制室装置之间的连接由模拟信号过渡到了数字信号。在此 基础上，美国r o s e m o u n t 公司开发出了自己的h a r t 数字通信协议。到了1 9 8 7 年，美国f o x b o r o 公司发表了i a 智能式自动控制系统，在其系统中实现了 全数字通信。 现场总线的网络体系结构及标准的研究和制定始于1 9 8 5 年。在m o n t r e a l 江苏大学工程硕士学位论文 的i e c 技术委员会t c 6 5 c 会议上决定由p r o w a yw o r k i n gg r o u p ( i e ct c 6 5 cw g 6 ) 小组负责此项工作。该组在1 9 8 6 年和1 9 8 7 年公布了一组现场总线的功能需 求。在此期间其他一些国际标准化机构或公司也开始了这项工作，其中有著名 的i s a ( 美国仪器协会) 和i e e ep 1 8 。在经过长达1 5 年的争论之后，终于在 2 0 0 0 年形成了一个由8 个部分组成的i e c 6 11 5 8 国际标准。其中包括基金会 现场总线( f f ，f o u n d a t i o nf i e l db u s ) ，l o n w o r k s ，p r o f i b u s ，c a n ( c o n t r o l a r e an e t w o r k ) ，h a r t ( h i g h w a ya d d r e s s a b l er e m o t et r a n s d u c e r ) 等。 1 3 现场总线在国内发展的现状 在发达国家，现场总线已经得到了极大的推广，广泛用于石化、冶金、电 力、交通、环保、机械、轻纺、楼宇管理等现代自动化控制系统，当前中国经 济正处于高速发展时期，市场潜力巨大，各大现场总线的主要企业均看好中国 市场，并展开了激烈的竞争。 当前国内现场总线市场的现状是： ( 1 ) 多种现场总线标准在国内展开激烈竞争。国内商家紧跟国际标准化的 潮流，加强对i e c 标准的学习，推动了各种现场总线在我国的推广应用。多种 总线的竞争，有利于降低产品价格，有利于加快现场总线在我国的推广。 ( 2 ) 国内厂商开始自主研发现场总线产品并投入市场。国内企业推广现场 总线产品，目前还存在产品不成熟、扩充和配齐品种不足、市场开发的投入不 够等困难。 ( 3 ) 现场总线应用工程开始在各行业得到应用并迅速发展起来。 1 4 现场总线的发展前景 近年来，现场总线标准及其技术已经逐渐成为全世界自动控制领域关注的 一个焦点，是当今自动化领域技术发展的热点之一，被誉为自动化领域的计算 机局域网。甚至有人预言：2 1 世纪是现场总线的世纪。这是因为： 现场总线标准将开辟过程控制的新纪元； 现场总线将对传统的控制系统结构带来根本性变革； 目前所做出的有关现场总线的决定将在未来的几十年中影响控制领域； 2 江苏大学工程硕士学位论文 现场总线将在很大程度上改变现有的所有实现控制和维护的方法口3 ； 由此可以预见在不久的将来，现场总线将进入飞速发展期。 1 5 本文的主要研究内容 论文主要针对c a n 总线在测控技术方面的应用展开研究。c a n 总线是国际 上应用最广泛的开放式现场总线之一。c a n 总线作为一种技术先进、可靠性高、 成本合理的远程网络通信控制方式，已被广泛运用到各种自动化控制系统中。 例如在汽车电子、自动控制、智能大厦、电力系统、安防监控等各个领域，c a n 总线都具有不可比拟的优越性】。 以我院省级电工电子实验示范中心的一套自动化模拟生产线为改造对象， 将原来的p l c 控制系统改造成c a n 总线的单片机控制系统，实现了对该测控系 统的功能设计、硬件驱动、电路制作调试、程序设计、c a n 通信系统的硬件和 软件的研究开发。 本课题研究的重点在以下几个方面：c a n 总线的通信协议、单片机自动生 产线测控系统的软硬件设计与制作、c a n 总线在测控系统中的应用技术、c a n 总 线通信软件的开发。 在设计和实现系统过程中，主要的技术难点体现在以下几个方面： 1 c a n 网络既不同于传统的控制网络，也不同于计算机网络，其设计思想 和网络运行均有独特之处，需要认真研究c a n 协议； 2 硬件设计包括测控系统输入设备及接口的设计、输出设备及接口的设计、 c a n 总线接口设计，因此必须对这些硬件器件的特性及其接口有详细的了解， 才能开发出相应的驱动软件； 3 系统要求具有高可靠性，而控制现场往往存在大量的干扰源，故抗干 扰是系统要考虑的重要问题。 江苏大学工程硕士学位论文 第二章c a n 现场总线技术 2 1 控制器局域网总线c a n c a n ，全称为“c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ，即控制器局域网，是国际上应 用最广泛的现场总线之一。c a n 总线最早出现在二十世纪8 0 年代末的汽车工业 中，由德国b o s c h 公司最先提出。c a n 最初被设计作为汽车环境中的微控制器 通讯，在车载各电子控制装置e c u ( e c u e l e c t r i cc o n t r o lu n i t ，电子控制单 元) 之间交换信息，形成汽车电子控制网络。 2 2c a n 总线的技术特点 c a n 是一种总线式串行通信网络，能有效地支持具有很高安全等级的分布 实时控制，c a n 的应用范围很广从高速的网络到低价位的多路接线都可以使用 c a n 4 。由于其采用了许多新技术及独特的设计，与一般的通信总线相比，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： c a n 为多主工作方式工作，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，通信方式灵活。 c a n 网络节点信息分成不同的优先级，可满足不同的实时性要求，最高 优先级的数据最多可在1 3 4 u s 内得到传输。 c a n 采用非破坏性总线仲裁技术，当多个节点同时向总线发送信息时， 发送优先级低的报文的节点会主动的退出发送，而最高优先级的报文可不受影 响地继续传输数据，从而大大节省了总线冲突的仲裁时间，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( 以太网则有可能) 。 c a n 只需通过报文滤波即可实现点对点，一点对多点或全局广播等几种 方式传送数据，直接通信距离最远可以达到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 ( 通信距离不大于4 0 m ) 。 c a n 总线上的节点数主要取决于总线驱动电路，目前可达1 l o 个；报文 标识符可达2 0 3 2 种( c a n 2 o a ) ，而扩展标准( c a n 2 o b ) 报文标识符几乎不受限 4 江苏大学工程硕士学位论文 制。 c a n 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 的通信介质可为双绞线、同轴电缆或光纤，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。 c a n 总线具有较高的性价比。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，可以充分利用现有的单片机开发工具。 c a n 凭借以上特点，越来越受到人们的重视。国外己有许多大公司的产品 采用了这一技术。其应用范围也不再局限于汽车行业，而向过程工业、机械工 业、纺织机械、农用机械、机器人、数控机床、医疗器械及传感器等领域发展。 c a n 已经形成国际标准，并己被公认为几种最有前途的现场总线之一嗍。 2 3c a n 总线的通信模型 c a n 总线采用了短帧结构和简化的通信模型，只定义了物理层和数据链路 层。 其中数据链路层分为：逻辑链路控制和介质访问控制两个子层。 逻辑链路控制的功能包括：帧接收过滤，确定节点是否采用接收到的帧； 超载通告，发送超载帧；恢复管理，帧重发工作； 介质访问控制子层是c a n 协议的重要部分，负责报文组帧、帧编码、仲裁、 应答、错误检测、出错标识以及串并行转换等。 2 4c a n 总线在工业检测控制中的应用 随着工业系统自动化程度的提高，系统中功能单元增多，系统内部各个功 能单元之间以及功能单元和控制器之间的双向通信问题日益突出。现场功能单 元的参数设定、故障诊断、自动报警和故障在线排除等功能的实现要求功能单 元必须具有和其他单元及控制器之间的双向通信功能。 江苏大学工程硕士学位论文 从市场的角度看，用户对功能单元的可控性、可靠性和易维护性的要求越 来越高，这就要求各功能单元应具有更高的“智能 。为此，需要在工业系统中 引入现场总线技术。 把现场总线引入测控系统的必要性在于工业测控系统自动化程度以及复杂 性的提高，要求系统内部各功能模块之间以及功能模块和上位机之间能够实现 双向通信。 用户对各功能模块的可控性、可靠性和易维护性要求越来越高。工业控制 元件的数字化和智能仪表的发展，要求控制系统的结构能够与之相适应。现场 总线同时具备传感器级和设备级通信能力，既支持离散控制设备，也支持变送 器等过程仪表，因此可以满足复杂控制系统的需要1 。 6 江苏大学工程硕士学位论文 第三章自动生产线工作站站内控制系统设计 我院省级电工电子实验示范中心的自动化模拟生产线，共有6 个由p l c 控 制的站点构成。系统是一个集机、电、控制于一体的综合性的自动化控制设备， 它将气动技术、传感技术、p l c 技术、控制技术等融于一体，形成了技术先进 的加工生产制造系统。它们分别是上料检测站、搬运站、加工检测站、安装站、 安装搬运站和分类站，这六个站连接成生产线后可完成工件类别的检测、加工、 搬运、安装和分类。各个单元的执行机构主要是气动执行机构，这些执行机构 的运动位置都可以通过安装在其上面的传感器的信号来判断。 自动化模拟生产线设备，主要用于我院的自动化、机电一体化专业的教学、 教师科研及校内外的培训。 该设备为大家提供了一个半开放式的学习及研究环境，各个组成单元的结 构是相对固定的，但是，设备的各个执行机构按照什么样的动作顺序执行、各 个单元之间如何配合、最终使该系统模拟一个什么样的生产加工控制过程等， 使用者可以根据自己的理解，运用所学理论知识，设计出控制程序，使设备实 现一个最符合实际的自动控制过程。 随着c a n 总线技术的广泛应用，c a n 总线与单片机结合应用于自动控制系 统已成为自动控制领域中的又一个热点，本人采用了m c s - 5 1 单片机代替p l c 来 进行现场控制，自动线各模块之间的信号传递通过c a n 总线进行，建立起了以 工业现场控制为对象的单片机生产线控制网络系统，实现了实时在线测控，较 好地解决了自动化及相关专业在单片机、现场总线技术及专业综合实践等课程 中缺少教学载体的难题，很好地满足了教学方面的需要。 3 1 自动生产线的组成 该生产加工系统由六个生产加工单元模块组成，是一个基于机、电、气一 体化的自动化生产加工系统。其构成如下：整个系统共分六个工作模块单元( 上 料检测模块、搬运模块、加工模块、安装模块、安装搬运模块、分类模块) 。每 个模块为一个工作站，由一个单独的单片机控制器控制，各工作站点之间采用 c a n 总线连接方式。 7 江苏大学工程硕士学位论文 模块化生产加工系统组成如图3 - 1 所示。 图3 - 1模块化生产加工系统组成 工件在生产线上从一站到另一站的物流加工的传递如下：上料检测站将大 工件按顺序排好后提升传递，搬运站将大工件从料检测站搬至加工站，加工站 将大工件加工并检测被加工的工件，产生成品或废品信息，通知下站，安装搬 运站将成品送至安装工位，安装站再将小工件装入大工件中，最后，由安装搬 运站再将安装好的工件送至分类站，分类站将工件按类型送入相应的料仓并统 计工件的数量和总量，如加工站有废品产生，则安装搬运站将废品直接送入废 品收料站。 这样的连接状态下，信息( 如准备好、忙、完成等) 通过总线在各工作站之 间相互交流，每个工作站成为总线上的一个节点，由各工作站产生的与工步有 关的信息能准确地传递给其他的工作站。 3 2 各站站内控制系统的软硬件设计 一、模块一( 上料检测站) ： ( 一) 上料检测站的动作过程 上料检测站是自动生产线的起始工作站，向系统中的其他工作站提供原料 和工件颜色的信息j 。“i 回转上料台将工件依次送到检测工位，提升装置将工件提升并检测工件颜 色是白色还是黑色，并向后站发出“颜色 的信息。之后，提升装置下降到位 停止。 ( 二) 控制系统硬件构成 控制器：单片机a t 8 9 c 5 1 8 江苏大学工程硕士学位论文 输入元件：手动自动切换开关、上电按钮、复位按钮、急停按钮、单站 联网切换、光电开关( 颜色检测) 、电感式接近开关( 测回转工作台位置检测) 、 磁性开关( 提升到位检测) 输出元件：回转工作台电机、提升电磁阀 l 时钟电路 _ 一 p l 口 = 纠光耦隔离 l 继电器i a t 8 9 c 5 2 i 复位电路卜一 p 3 口 g 爿光耦隔离k 8 路输入信 图3 2 上料检测站控制系统硬件构成 2 路输m 信号 输入输出接口模块均设计光耦隔离电路，以提高抗干扰能力。 本站检测工件颜色利用漫射式光电接近开关实现。漫射式光电接近开关是 利用光照射到被测物体上后反射回来的光线而工作，它的光发射器与光接收器 处于同一侧位置，且为一体化的结构。在工作时，光发射器始终发射检测光， 当接近开关的前方一定距离内没有物体时，则没有光被反射到接收器，接近开 关就处于常态而不动作；如果在接近开关的前方一定距离内出现物体，只要反 射回来的光的强度足够，则接收器接收到足够的漫射光后就会使接近开关动作 而改变输出的状态。白色物体能够将所有频率的光全部反射回来，使接近开关 动作；黑色物体能将所有频率的光全部吸收，不能使漫射式光电接近开关检测 到，从而使接近开关不动作。 电感式接近开关传感器用于判断工作台位置，是否回转到位。工作台下面 安装有一定位凸块，当凸块接近电感式接近开关时，开关就会动作，输出“1 信号，用该信号可判断工作台是否到位了。 磁性开关用于判断提升装置是否提升到位。在气缸的活塞上安装上磁性物 9 江苏大学工程硕士学位论文 质，在气缸缸筒外面的两端位置各安装一个磁感应式接近开关，就可以利用该 信号判断气缸运动的极限位置。 ( 三) 上料检测站的程序流程 图3 3 上料检测站的程序流程 二、模块二( 搬运站) ： ( 一) 搬运站的动作过程 机械手将工件从前一站搬走，搬运到下一站。 l o 江苏大学工程硕士学位论文 ( 二) 控制系统硬件构成 l 时钟电路i p 0 口 p a 口 g 爿光耦隔离l a t 8 9 c 5 2 8 2 5 5 i 复位电路卜一 p 1 口 刊光耦隔离 = 刮继电器 = p 3 口 生一光耦隔离 c 5 路输入信号 、 图3 - 4搬运站控制系统硬件构成 8 路输入信号 路输出信号 l 、基于a t 8 9 c 5 2 的微处理器模块的设计 本控制系统中各站均采用美国a t m e l 公司的a t 8 9 c 5 2 单片机作为微处理器 芯片，由于各站通信电路单片机与c a n 控制器的连接需通过总线方式，因此应 采用外部总线扩展的设计方法。而由总线扩展引起的并行口不够用的问题，则 通过扩展8 2 5 5 芯片解决。 2 、输入输出模块的设计 搬运站共有7 路输出，1 3 路输入。输输出模块均设计光耦隔离电路，以 提高抗干扰能力。 3 、按钮及检测传感器的输入信号经光耦隔离电路送入单片机，单片机的输出信 号由光耦驱动继电器，经继电器触点接通或断开各个气动电磁阀。 4 、a t 8 9 c 5 2 单片机与8 2 5 5 的并行输入输出口的使用分配如下： 表3 - 1p 1 、p 3 口的分配 p 1 0 左行电磁阀p 3 o启动按钮 p i 1 右行电磁阀p 3 1上电按钮 p 1 2 缩回电磁阀p 3 2s j a l 0 0 0 的i n t p 1 3 伸出电磁阀p 3 3急停按钮 p 1 4 放松电磁阀p 3 4手动f l 动切换 p 1 5夹紧电磁阀p 3 5 单站联网切换 江苏大学工程硕士学位论文 p 1 6 下行、上行电磁阀 p 3 6 控制总线w r p 1 7 空 p 3 7 控制总线r d p 0 、p 2 口作外部数据总线和地址总线。 表3 - 28 2 5 5 口的分配 p a o 左限位磁性开关 p a 1 右限位磁性开关 p a 2 缩回限位磁性开关 p a 3 伸限位磁性开关 p i a 4 放松、夹紧检测开关 p a 5 上行限位磁性开关 p a 6 下行限位磁性开关 p a 7 复位按钮 ( 三) 搬运站的程序流程 见图3 5 。 三、模块三( 加工站) ： ( 一) 加工站的动作过程 产品在工件加工台上进行钻孔工序。在旋转工作台上有4 个工位，用于存 放工件，在每个工位的下面都有一个圆孔，用于光电传感器对工件的识别。 加工过程一开始，在第一工位上检测到有工件，则工作台开始旋转，到达 加工工位( 第二工位) 时，对工件进行钻孔加工。加工完毕，工作台重新旋转 到达第三工位时，对钻孔的深度进行检测，判断是正品还是次品；检测完毕， 工作台又重新旋转到达第四工位时停止。 ( - - ) 控制系统硬件构成 输入元件( 1 4 路) ：手动自动切换开关、上电按钮、复位按钮、急停按钮、 单站联网切换、电感式接近开关( 1 ) 、光电开关( 1 ) 、 磁性开关( 6 ) 、电容传感器( 1 ) 1 2 江苏大学工程硕士学位论文 图3 - 5 搬运站的程序流程 输出元件( 5 路) ：伸缩电磁阀、传感器升降电磁阀、电机升降电磁阀、钻 孔电机、工作台电机 1 3 江苏大学工程硕士学位论文 i 时钟蝴卜 p 0 口 一 p a 口 d 光耦隔离| 驱动电路i r l p 3 口 ： 光耦隔离 c 5 路输入信 图3 石加工站控制系统硬件构成 4 路输入信号 5 路输入信号 5 路输出信号 由于总线扩展引起并行口不够用，需扩展8 2 5 5 一片。 该模块由旋转台子模块、钻孔加工子模块和3 h i 孔检测子模块组成。旋转 工作台主要由旋转工作台、工作台固定底盘、传动齿轮、直流电机、定位凸块、 电感式接近开关传感器、光电传感器、支架等组成。 旋转台由直流电机驱动，它通过一对齿轮减速后将动力传递到工作台，电 感式传感器用于检测工作台的转动位置，便于定位控制。对于工作台的4 个工 位，分别有4 个金属的定位凸块与之相对应，各凸块与工作台相对固定，当凸 块接近电感式接近开关时，就会使电感式接近开关动作，输出“l ”信号，用该 信号可判断工作台是否转到了工位【7 1 。 光电传感器固定在加工单元的底板上，在第一个工位的下方，当工作台转 到第一个工位时，由工作台在各个工位处都有圆孔，光电传感器发出的光线将 直接穿过圆孔，而不被遮挡，即没有反射光线返回给光电传感器，则光电传感 器的输出信号为“o ”，如果此时在该工位上放上工件，则孔被挡住，工件将光 线反射给光电传感器，则光电传感器会输出信号“1 ”。利用光电传感器信号的 变化可判断是否有工件放到了第一个工位上。 钻孔加工模块完成对工件钻孔操作，加工工件时，工件由夹紧缸夹紧，钻 头由直流电机驱动，钻头进给由钻孔气缸完成，其两个运动极限位置通过两端 江苏大学工程硕士学位论文 的磁感应式接近开关检测。 检测子模块用于实现对钻孔加工结果的模拟检测过程，检测子模块主要由 检测气缸、固定架、支架、及磁感应式接近开关组成。在检测工件时，若气缸 杆能下降到位，则认为孔的深度加工合格，否则认为孔加工不合格。气缸的位 置是通过安装在气缸两端的磁感应式接近开关来判断的。 这里未加工工件的材料和颜色的识别是用3 个不同的传感器完成，即电容 式传感器、电感式传感器和漫射式光电传感器【引。这三种传感器都属于接近开 关传感器，它们分别在以下情况下动作： ( 1 )电感式传感器在有金属物体接近它时动作； ( 2 )电容式传感器在任何物体接近它时动作； ( 3 ) 漫射式光电传感器在接近它的物体反射回来的光线达到一定程度时 动作。 由它们的特性可知，单独使用三个中的任何一个传感器都不可能实现对一 个工件的材质和颜色同时检测，但是将它们组合起来对工件进行联合检测，就 可以实现上述目的。 ( 三) 加工站的程序流程 见图3 7 。 四、模块四( 安装站) ： ( 一) 安装站动作过程 模块开始工作，选择要安装工件的料仓，将工件从料仓中推出，通过真空 吸盘将被加工工件吸住，然后摆动气缸动作，将工件配件黑白子传送到下一站 ( 安装搬运站) ，摆动气缸返回。 j ( - - ) 控制系统硬件构成 安装站控制系统硬件构成见图3 - 8 。 输入元件：手动自动切换开关、上电按钮、复位按钮、急停按钮、单站 联网切换、磁性开关( 上下、左右、前后限位) 输出元件：推料电磁阀、抽真空电磁阀、真空吸盘释放电磁阀、上升电磁 阀、下降电磁阀、左移电磁阀、右移电磁阀 1 5 江苏大学工程硕士学位论文 图3 7 加工站的程序流程 r i 工亡h i l ， 车爿光耦隔il ”日钾鬯i p o 口 p a 口 a t 8 9 c 5 2 i 复位电卜_ 一 ， ， p 1 口= 纠光耦隔 = 刮继电器 = p 3 口 e 爿光耦隔k 3 晕箨输入信一 图3 8 安装站控制系统硬件构成 1 6 8 路输入信号 路输 h 信号 江苏大学工程硕士学位论文 ( 三) 程序流程 见图3 - 9 。 图3 - 9 安装站程序流程 五、模块五( 安装搬运站) ： ( 一) 安装搬运站动作过程 当第四站完成动作，安装搬运站开始工作，先根据第三站的信号来辨别工 件是否合格，利用摆臂机械手，将合格的产品送入安装工位进行安装加工，不 1 7 江苏大学工程硕士学位论文 合格的产品放到废品箱里。等待安装站将工件配件黑白子安装到工件中，再将 安装好的工件搬运到分类站。 ( 二) 控制系统硬件构成 输入元件：手动自动切换开关、上电按钮、复位按钮、急停按钮、单站 联网切换、磁性开关( 上下、左右、前后限位) 输出元件：上升下降电磁阀、左移电磁阀、右移电磁阀、机械手左移电磁 阀、机械手右移电磁阀 f 时舳i r 砬 拿爿光耦隔离ii “1 钾电跆i p o 口 p a 口 8 2 5 5 i 复位电路卜一 a t 8 9 c 5 2 p 1 口 = 刮光耦隔离 = 刮继电器 = p 3 口 享爿光耦隔离i c 3 鼢输入信 r 路输入信号 辫输出信号 图3 10 安装搬运站控制系统硬件构成 ( 三) 程序流程 见图3 1 l 。 6 、模块六( 分类站) ： ( ) 分类站动作过程 安装好的工件由运转的皮带上按颜色不同送到各个不同的仓库按工件类型 分类，将工件推入库房，并统计不同类型工件的数量。 ( 二) 控制系统硬件构成 分类站控制系统硬件构成见图3 1 2 。 输入元件：手动自动切换开关、上电按钮、复位按钮、急停按钮、单站 联网切换、磁性开关( 上下、左右、前后限位) 输出元件：上升下降电磁阀、左移电磁阀、右移电磁阀、机械手左移电磁 阀、机械手右移电磁阀 1 8 江苏大学工程硕士学位论文 图3 1 l 安装搬运站程序流程 l 时钟电路 p o 口 1 p a 口 l 一 光耦隔离 、r 一 a t 8 9 c 5 2 8 2 5 5 i 复位电路卜 p l 口 剖光耦隔离吲继电器| = p 3 口 享爿光耦隔离l 0 7 5 v c e待机模式 ii r s i 1 0ua 一1 0 ua i r s 2 0 0 ua斜率控制0 3 v c c vr s 0 6 v c c v r s 0 3 v c c高速模式i r s 5 0 0 pa 对于高速工作模式，发送器输出级晶体管被尽可能快的启动和关闭。在这种 模式下，不采取任何措施限制上升和下降的斜率。此时，采用屏蔽电缆以避免射 频干扰问题的出现。通过把引脚8 接地可选择高速工作方式。 对于较低速度或较短的总线长度，可使用非屏蔽双绞线或平行线作总线。为 降低射频干扰，应限制上升和下降的斜率n 羽。上升和下降的斜率可以通过引脚8 至地的电阻进行控制，斜率正比于引脚8 上的电流输出。 r 如果引脚8 高电平，则电流进入低电平待机模式。在这种模式下，发送器被 关闭，接收器转至低电流。如果检测到显性位，r x d 将转至低电平。微控制器应 通过引脚8 将驱动器变为正常工作状态来对这个条件做出响应。由于在待机模式 下接收器是慢速的，因此将丢失第一个报文n 耵。 在前面的c a n 接口电路中采用斜率控制接法。斜率电阻取2 0kq 。 江苏大学工程硕士学位论文 第五章c a n 通信的软件设计 5 1 s j a l0 0 0 的b a sic c a n 模式 s j a l 0 0 0 内时钟分频寄存器c d r 可进行b a s i c c a n 模式和p e li c a n 模式的选 择。c d r 7 定义了s j a l 0 0 0 的c a n 模式，如果c d r 7 为0 ，s j a l 0 0 0 工作于b a s i c c h n 模式：c d r 7 为l ，s j a l 0 0 0 工作于p e l l e a n 模式。 工作于b a s i c c a n 模式时，报文内容分为描述区和数据区。描述区由2 个 字节组成，数据区由0 - - - 8 个字节组成。 ( 1 ) 标识符i d 标识符有1 1 位( i d i o 一- i d 0 ) 。i d 1 0 是最高位，在仲裁过程中最先被发 到总线上。 ( 2 ) 远程发送请求r t r 如果r t r 位置l ，则通过总线发送的是一个远程帧，所发送的帧中没有数 据字节。尽管如此，填写正确的数据长度码还是必须的，该数据长度码取决于 具有相同标识符的回应数据帧的长度。 如果r t r 位置0 ，则通过总线发送的是一个数据帧，数据帧中包含的数据 长度由数据长度码指定。 ( 3 ) 数据长度码d l c 报文数据域中的字节数由数据长度码决定。在发送远程帧时，由于r t r 位 为1 ，数据长度码不被考虑。尽管如此，填写正确的数据长度码还是必须的， 以区分在两个c a n 控制器同时发送具有相同标识符的远程帧时，不同的数据请 求。 数据长度码不应超过8 。若选择的值超过8 ，则在数据帧中只发送8 个数据 字节，同时该数据长度码不作任何修改地一并发送n 钉。 ( 4 ) 数据区 发送的数据字节数由数据长度码决定。最先发送的是数据字节1 的最高位。 江苏大学工程