基于CAN总线的舞台吊杆控制系统的设计.pdf

3 4 工业仪表与 自动化装置 2 0 1 2年第 6期 基于 C A N总线的舞台吊杆控制系统的设计 赵庆国 胡心科 1 陕西省石油化工研 究设计院 西安 7 1 0 0 5 4 2 兰州理工大学 兰州 7 3 0 0 5 0 摘要 在舞 台机械控制 系统 中 存在 P L C控制成本过 高 多吊杆协 同运作通信不易实现 吊杆 定位不准确等问题 该文结合 C A N总线通信技术 高频脉冲转换采集技术 通过 A R M 处理器进行 系统设计 使得舞台机械控制 系统可以稳定 高效 智能化运行 并且在 系统 中加入 了预置功能 大 大提 高了演出的质量和用户的工作效率 关键词 C A N总线 A R M 吊杆 高频脉冲采集技术 中图分类号 T P 3 0 2 文献标志码 B 文章编号 1 0 0 0 0 6 8 2 2 0 1 2 0 6 0 0 3 4 0 3 De s ig n o f s t a g e b o o m ma ch in e r y co n t r o l s y s t e m b a s e d o n CAN bu s Z H A O Q in g g u o HU X in k e 1 S h a a n x i R e s e a r ch D e s i g n I n s t i t u t e o fP e t r o l e u m a n d C h e mi ca l I n d u s t r y X i a n 7 1 0 0 5 4 C h i n a 2 L a n z h o u U n i v e r s i ty o f T e ch n o lo g y D mz h o u 7 3 0 0 5 0 C h i n a Ab s t r a ct I n t h e s t a g e ma ch i n e r y co n t r o l s y s t e m PL C co n t r o l co s t is e x o r bi t a n t mu l t i p le b o o m co l la b o r a t iv e co mmun i ca t io n is n o t e a s y t o r e a liz e s u s p e n d e r p o s i t io n i ng is n o t a ccu r a t e p r o b le m Th is p a p e r co mb in e s t h e CAN b u s co mmu nica t io n t e chn o lo g y a n d t h e h ig h f r e q u e n cy p uls e co n v e r s io n a n d a cq u is i t io n t e ch n o lo g y t hr o ug h t h e ARM p r o ce s s o r s y s t e m d e s ig n t h e co n t r o l s y s t e m o f s t a g e ma ch in e r y C a l l be s t a b le e ffi cie n t in t e llig e n t o p e r a t i o n A n d i n t h e s y s t e m b y a d d in g t h e p r e s e t f u n ct io n s g r e a t l y imp r o v e s t h e p e rf o r ma n ce q u a lit y a n d t h e w o r k e ffi cie n cy o f t h e u s e r K e y wor ds CAN bu s ARM b o o m hi g h fre q u e ncy p u ls e a cq u is it io n t e ch n o lo g y 0引言 1 C AN总线的应用 目 前国内绝大部分剧院内的舞台机械控制系统 主要采用 P I c 或单片机进行舞 台吊杆控制 j P L C 通过 4 2 0 mA模拟量对变 频器进行 吊杆 速度控 制 导致 吊杆定位精度不高 单片机 由于本身的主频 不高 很难实现对电机输 出的高频脉 冲信号进行采 集 实现 吊杆实时位置监 测 这 2种控制方式严重 影响了舞台吊杆控制系统的稳定性 该文利用 C A N总线 高通信速率 以及单 网络 多 节点的特点 结合高频脉冲信号采集技术 有效 地解决了上述 问题 在 实 际项 目中得 到广泛 的应 用和推广 使舞台吊杆控制系统的稳定性得到了 改善 收稿 日期 2 0 1 2 0 4 2 6 作者简介 赵庆国 1 9 6 9 男 陕西 富平人 工程师 现从事 电气 发 自控工程设训 调试 C A N总线在舞 台吊杆控制系统的优势主要体 现在以下几个方面 1 单 网络支持较多节点 C A N总线每个 网络最多支持 1 lO个 节点 在 多数大型剧院内 需要进行控制的吊杆 转 台等设备 多达近百个 所以 C A N总线可以满足大多数剧院对 现场总线网络节点数的需求 2 短距离高速通信速率 C A N总线 4 0 m 内通信速率可达 1 M b p s 非常 适用于剧院一类需要短距离高速传输信息的场合 3 结构简单 C A N总线只有 2条 C A N H和 C A N L差分信号 线 易于增加或减少网络节点 能适应剧院扩大规模 的需求 C A N总线在舞台控制系统中主要应用于供用 户操作的预置面板和直接控制电机的控制板之间的 2 0 1 2年第6期 工业仪表与自动化装置 3 5 通信 如图1 所示 用户可以通过预置面板给电机 控制器发送命令报文 控制器控制电机正 反转实现 吊杆的升 降 启 停等动作 电机旋转后 电机内部旋转编码器输出脉冲信 号 控制器将当前脉冲信息转换为当前吊杆实际距 离后 通过 C A N总线发送至预置面板 用户可以直 接通过预置面板了解当前 吊杆的实际距离 图 1 C A N总线通信拓扑图 2 场景预置功 能 演出场景预置是一个舞台吊杆控制系统不可缺 少的一部分 其主要目的是在演出开始前 将演出时 吊杆欲运行的位置信息存储在预置面板中 如图2 所示 如果有多路 吊杆在一场演出中需要同时动作 则将这些信息都存储起来 演出时 通过预置面板上 进行演 出场次的选择 通过 C A N总线将该场演出的 吊杆信息发送给每一个需要动作的吊杆控制器 当 按下预置面板上的启动按键时 通过 C A N总线给这 些 吊杆控制器发送运行报文 控制器通过控制 吊杆 的升 降 启 停等动作 使吊杆运行至预置位置 实 现多吊杆的协 同运作 预置 卜 选择预置场次 1设定吊杆预置位置 1 保存 堑卜I 垄 堡 堕 生 卜 叫 塑 堡 垄 垄 垡 墨 笪 星 r 1 旦 垫 图2 场景预置流程 3 硬件 设计 根据舞台吊杆控制系统要求 控制器需要对编 码器 脉 冲进行 采 集 处 理 还要 接 收预 置 面板 的 C A N报文 同时 还需要直接控制电机 该文采用 S T公司的 A R M处理器 S T M 3 2 F 1 0 3 一 V B T 6 作为控制器芯片 该芯片主频可达 7 2 M H z 并 且含有丰富的外设接 口 完全可以满足舞台吊杆控 制系统的需求 控制器硬件结构如图 3所示 图 3 控制器硬件结构 图 主控芯片通过光耦 继 电器 限位开关 编码器 进行信号的发送和接收 通过 L 9 6 1 6接人 C A N总 线 与预置面板进行报文通信 下面主要介绍编码 器高频脉冲信号采集模块 编码器信号输出为 2 4 V正弦波 而 S T M 3 2 F 1 0 3 V B T 6的计数器只能够识别 5 V或 3 3 V的方波脉 冲信号 所以需要实现信号滤波和电压转换 其硬件 电路如图4所示 图4 编码器信号采集电路 3 6 工业仪表与 自动化装置 2 0 1 2年第 6期 首先 编码器输 出的 2 4 V正弦波通过 L M3 3 9 进行电压比较 由于比较端有 2 0 V稳压管的存在 当正弦波幅值高于2 0 V时 L M 3 3 9输出高电平 反 之 输 出低电平 比较后编码器的 2 4 V正弦波信 号 就转换为 2 4 V方波信号 然后 该方波信号通过 6 N 1 3 6高速光电耦合器 的电压转换 输 出 5 V的方波信号 最终进入主控 芯片的有计数功能的 I 0端 口 主控芯片通过对脉 冲的计数 计算 出当前 电机旋转的角度 进而转换为 吊杆移动的垂直位移 并将此位移数据发送至预置 面板 该信号采集电路 可以有效地避免现场由于大 功率电机 舞台灯光 变频器所带来的信号干扰 提 高了系统 的准确性和可靠性 4 软件设计 系统的软件设计主要包括 C A N总线通信协议 设计 脉冲 一位移转换算法设计 预置功能设计 软 件使用 C语 言编程 开发 环境使用 I A R E mb e d d e d Wo r k b e n ch f o r A R M 5 5 0 系统 软 件 流程 如 图 5 所 示 系统初始化 霪 l 二二二 发送 当前位置信息至预置面板 图5 系统软件流程图 在进行 C A N通信时包含多种报文 其 中有吊杆 控制器发送至预置面板的位置信息报文 预置面板 收到吊杆控制器的报文后返 回的确认报文 以及控 制 吊杆控制器启停的启动和停止报文等 这些报文 统一为 6字格式 如表 1 所示 表 1 报文格式 D1 D 2 D3 D 4 D5 D 6 地址位 功能码位置信息 H 位置信息 L 保留 保留 地址位在发送报文时对 吊杆控制器进行区分 如果剧院内有 5 0路 吊杆 则需要有 5 0个不 同的地 址位 实现不同功能的报文 其功能码是不同的 具体 功能如表 2所示 表 2功能码说 明 功能码 功能说明 OX01 发送 表示该报文为吊杆控制器传输给预 置 面板 的报文 接收 表示该报文是预置面板接 收到 吊杆 0 X 0 2 控制器传输的报文后返回给主控制器的 报文 表明该报文已经接收到 Ox0 3 预置 表示该报文为在选场时 预置面板 给吊杆控制器发送的位置信息报文 启动 接收到该报文的吊杆控制器则开始 U A 控制吊杆进行升 降 启动等操作 f 1 xFF 停止 接收到该报文所有吊杆控制器控制 吊杆进行停 I E 等操作 5 结束语 该文通过对舞台吊杆控制系统进行的分析和研 究 利用了 C A N总线 的高速率 多节点等优势进行 了软硬件设计 并在其中加入了预置功能 极大地提 高了演出质量和用户操作效率 使用高频脉冲信号 采集电路对编码器脉冲进行 了滤波转换 提高了系 统的稳定性 通过剧院实践证明 该设计控制效果 良好 参考文献 1 鲁妍 权万锋 舞台控制系统的设计与应用 O L 中国 工控网 2 0 0 7 6 4 2 杨勇 基于C A N总线技术的果园气象监测网络节点的 设计及实现 J 微计算机信息 2 0 0 6 2 2 1 3 6 1 3 7 3 B O S C H公 司 C A N S p e ci f ica i o n V 2 0 S S t u t t g a r t Ro be a Bo s ch GmbH Po s t ch 1 991 4 李正军 现场总线及其应