CAN总线技术在组合机床通信系统中的应用

摘 要：文章结合组合机床数控技术的发展，较为全面地分析了CAN总线技术在组合机床通信系统中的软硬件设计，并针对组合机床在实际操作中电磁干扰问题，给出了CAN总线抗干扰能力的硬件设计图，较好地突出了CAN总线的高实时性、可靠性高、传输速率高、传输距离远等优点。

关键词：CAN总线技术；组合机床；通信系统；电磁干扰

引言

随着数控技术的发展，现代组合机床装备了大量的电控系统来满足加工精度、加工速度等要求，而这些电控单元需要通过通信系统来配合进行复杂的决策运算，完成加工任务。机床监控技术的出现更是使得组合机床朝着远程网络化的方向发展[3]。因此，为组合机床电控系统添加通信和控制功能的总线技术显得尤为关键。目前传统的通信方式有RS-232、RS-485、CAN总线技术等。而RS-232传输速率偏低，传输距离偏短，抗干扰能力差且只适合点对点的连接方式；RS-485可以实现半双工的总线型网络，总线上需要连接多收发器，通信速率和通信距离同样偏低，实时性不高[2]。而CAN总线技术可以很好地克服以上几种方式的缺点。

1 CAN总线技术简介

CAN（Controller Area Network）即控制器局域网，由德国Bosch公司1993年为解决汽车电控单元之间通信而推出的一种现场总线通信技术。

相比之下，CAN总线技术具有多工作方式、高实时性、非破坏性的基于优先权的仲裁技术、报文滤波技术、系统容量大、短帧结构、数据出错率低、可靠性高、通信介质选择灵活以及底层协议固化等优点[5]。当然，较为重要的特点是传输速率高、传输距离远。表1为位速率与最大通信距离的关系。

表1 位速率与最大通信距离的关系

2 CAN主控制器的硬件设计

CAN总线通信接口由CAN协议控制芯片和收发器组成。一般来说，一个CAN节点就是一个独立的具有CAN总线通信功能的单片机。常见的CAN总线节点实现方式有三种：微处理器+独立CAN协议控制器+CAN收发器、自带CAN控制器的微处理器+CAN收发器、串行I/O器件+CAN收发器[3]。文章采用第一种方式实现，基本的电路模块包含微处理器、CAN总线控制器SJA1000、CAN收发器PCA82C250和光耦隔离电路[1]。它主要实现组合机床电控单元间基本的通信功能，比如CAN总线协议格式的数据接收和发送。同时，还可以在其上扩展一些其他模块，进而构成所需的功能模块，基本電路组成框图如图1所示。

图1 基本电路模块框图

CAN总线控制器内部集成了CAN协议的大部分内容，是CAN总线的核心。CAN总线控制器有两种：SJA1000独立控制器、微处理器自带CAN控制器[3]。组合机床中的电控单位由很多微处理器组成，这些微处理器中集成了CAN总线控制器，这些控制器可以与其他PC、ARM、DSP以及单片机等各种类型标准总线组合进行接口，形成CAN总线上每个单独的节点，通信速率快，误码率低。为防止单个节点故障影响整个CAN总线通信，设计CAN节点时加设总线保护器件来隔离CAN控制器和收发器[5]。CAN收发器采用PHILIPS公司的PCA82C250收发器，提供对CAN总线的差动发送和接收能力。

3 系统抗干扰技术分析与设计

在组合机床实际操作中，由于内部封闭且空间小，电控单元复杂，布线较多等因素，难免会造成电磁干扰。CAN总线系统抗干扰技术主要可以从通信介质、电源电路、光电隔离等方面设计[5]。

3.1 通信介质

CAN总线的传输介质可以采用屏蔽干扰能力较强的屏蔽双绞线、同轴电缆或者光钎。CAN总线两端还要并联一个120欧姆的终端电阻，即是为了避免收发信号的反射、减小共模干扰。另外可加设共模扼流圈进一步消弱电磁干扰。

3.2 电源电路设计

CAN总线硬件电路的供电电源可由带隔离功能的DC-DC电源模块以及稳压器稳压电路构成。为防止浪涌、过电流以及过电压，在电路中加了瞬变二极管和自恢复保险丝，如图2所示。

3.3 光电隔离

信号进入主控制器之前可以加一级光电隔离，文章采用的是高速光耦TLP521来实现CAN总线收发器与主控制器之间的电气隔离，如图3所示。

图2 电源电路

图3 光电隔离电路

图4 CAN总线通信流程图

4 CAN总线通信软件设计

每个节点的CAN总线通信软件程序包含三部分：初始化、数据接收、数据发送。此外完整的CAN总线应用程序还包含信息判断、中断处理等功能部分[4]。

初始化包含设置波特率、各寄存器、过滤器以及屏蔽器位、选择工作方式等数据帧的设计。数据接收可进入接收子程序，发送可借助先存入缓存，再读取缓存的方式。

为了充分利用网络资源，提高CAN总线的高实时性，可设置不同传输波特率的高低速网关，不同网关除了必要的通信外，其余各网络的报文是相互独立传输的，这就需要对报文进行过滤、屏蔽等处理[6]。整个程序流程如图4所示。

5 结束语

文章分析了CAN总线技术在组合机床数据通信系统的设计与实现，通过灵活的通信协议、接口设计以及抗电磁干扰设计，充分体现了系统CAN总线短突发、高实时性、高数据率等优点。此外，该系统还可以应用到其他工业控制领域，具有广泛的应用前景。

参考文献

[1]刘家磊，等.CAN总线技术在车床企业智能节能控制系统中的应用[M].机床与液压，2015（2）.

[2]姜江，等.CAN总线在组合机床电控系统通信中的应用[M].今日电子，2004（4）.

[3]王彦华.CAN总线机床数控系统通信技术的设计应用[M].煤矿机械，2013（7）.

[4]邬宽明.CAN总线原理和应用系统设计[M].北京：北京航空航天大学出版社，2002.

[5]徐泽华.一种基于CAN接口的数字式控制手柄研制及其功能测试软件设计[D].2003.

[6]KONG Hui-fang， WEI Yang. The Research of AMT Communication System Based on CAN Bus[D].Hefei： Hefei University of Technology， 2008.

作者简介：李忠唐（1985-），男，汉，硕士研究生，毕业于同济大学，控制工程专业。