編碼器的CAN總線接口及其在光電跟蹤系統中的應用
2020-11-25 電子產品世界
1 引 言
本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/149568.htm絕對式光電軸角編碼器是一種數字測角裝置，實時測量轉軸所處的角位置及角速度，它把軸角信息轉換成度、分、秒形式的數字代碼，與控制系統中的總線連接可實現實時測量。它具有工作可靠性高，抗幹擾能力強，精度高，斷電記憶等優點。在靶場設備、數字經緯儀、雷達及一些大型軍用設備等數位化測量跟蹤和定位系統中得到廣泛應用。
在這些實際應用的控制系統中由於各分系統傳感器和探測器輸出的數據結構不同，絕對式光電軸角編碼器會用到不同的內部數據通信方式，主要有RS232、RS485/488串口，並口等。但在具體工程應用項目中，上述通信方式常會受到傳輸距離、通信速率等方面限制。近幾年來串行通信快速發展，出現了多種控制系統現場總線形式，CAN總線就是其中應用最為廣泛的一種，它是控制器區域網總線的簡稱，是一種有效支持分布式控制和實時控制的串行通信網絡。由於CAN總線的高性能、高可靠性及獨特的設計，已成為目前國內外普及和實時性最高的現場總線。控制系統中內部通信方式的發展變化，使得用作測量角位移和角速度的編碼器要提供CAN總線接口以滿足整個控制系統的現場總線設計要求。
2 編碼器工作原理和數據傳輸
2.1工作原理
編碼器由數據採集裝置和數據處理裝置兩部分組成。結構原理框圖如1所示。單片機是編碼器電路系統的核心部分，它將編碼器的信號（粗碼、中精碼、精碼）採集到後，經精碼細分、碼道校正、數字量相加、電調零、度分秒轉換等軟體處理，最後顯示及實現與控制系統接口。
2.2數據傳輸
編碼器與控制系統的數據傳輸可以採用並行和串行兩種方式。並行傳輸通過並口傳遞數據，每位數據需要數據電纜一芯，例如對於24位解析度的編碼器就需要一根24芯的電纜，因此使用空間受到限制，僅適用於短距離傳輸和特殊要求的場合。串行傳輸，數據信息通過一根雙絞線實現串行傳送，根據不同通信協議再加些附加位實現糾錯等功能，這一功能可擴大應用於數據總線系統中。串行傳輸用線少，硬體少，成本低，傳輸距離遠，數據安全可靠。
2.3 提出編碼器CAN總線接口
在對各種現場總線的綜合比較中，基於CAN總線構建的通信系統具有很多優異的特性：數據信號採用差分電壓傳輸；總線傳輸介質可用雙絞線、同軸電纜和光纖；可以多主方式工作，通信方式靈活；可以點對點、點對多點及全局廣播方式傳送接收數據；網絡上的節點信息可分成不同的優先級，滿足不同的實時要求；採用非破壞性總線仲裁技術；數據採用短幀結構，每一幀為8Byte，數據出錯率低；通信協議中數據鏈路層的MAC子層具有嚴格的錯誤檢測能力；具有國際標準，開放性好。因此，在對光電跟蹤系統內部通信方式改造中採用CAN總線作為數據通信總線結構，進而提出編碼器CAN總線接口。
3 編碼器CAN總線接口在光電跟蹤系統中的應用
3.1編碼器用於光電跟蹤系統位置檢測
絕對式光電軸角編碼器是光電跟蹤系統中光電跟瞄架測量方位角和俯仰角角度傳感器，將光電跟蹤系統內部總線結構改造為CAN總線通信方式，編碼器的CAN總線接口發揮其接口靈活，節省線路的特點，同時它本身帶有微處理器，可以作為系統中的一個智能節點，直接向其他設備發送遠程幀，實現智能控制。圖2為基於CAN總線的光電跟蹤系統通信結構圖。光電跟蹤系統使用CAN總線單一串行總線結構代替多種通信方式的並行結構，兩個光電編碼器測得的方位角和俯仰角經總線發送到主控制機，主控制機將數據進行相應處理後，通過總線控制伺服控制系統，所有的分系統都可以通過一對雙絞線連接在一起，簡化了系統布線，提高整個系統總線利用率、數據傳輸實時性和系統擴充性，同時誤碼率大大降低。
3.2 編碼器節點CAN總線接口硬體組成
CAN總線接口主要有單片機、CAN總線控制器、CAN總線驅動器及光電隔離等硬體組成。CAN總線通信接口具體電路如圖3所示。
單片機選擇Intel80C196KC, 它是16位嵌入式微控制器，更適合複雜的實時控制場合，它同時負責對編碼器的數據處理和對CAN總線節點的初始化。CAN控制器選擇Philips半導體公司的SJA1000，實現總線與主控機（控制計算機）之間數據通信的接口，支持CAN2.0A和CAN2.0B協議，有擴展64位元組接收緩衝器，支持先進先出（FIFO）原則，支持11位和29位標識碼，通信位速率可達1Mbps，可以工作在BasicCAN模式和PeliCAN模式。CAN總線驅動器選擇Philips的TJA1050，它是高速CAN總線驅動器，提供CAN控制器和物理總線之間的接口，實現對CAN總線的差動發送和接收功能，具有強電磁幹擾下，寬共模範圍的差動接收能力，輸入電平與3.3V器件兼容，未上電節點不會干擾總線。加入TJA1050能夠保證數據的高速通信。為了安全性和提高抗幹擾能力，利用TJA1050對稱性能好的特點，使用分離終端。CANH和CANL與地之間並聯了兩個30pF的小電容，起到濾除總線上的高頻幹擾和一定的防電磁輻射能力。為了進一步提高系統的抗幹擾能力，在CAN控制器SJA1000和CAN驅動器TJA1050之間使用了高速光耦6N137構成隔離電路，實現電流隔離接法，6N137兩側電源VCC和VDD完全隔離，這樣可以防止線路間的串擾，同時在總線兩端要接2個120Ω的總線阻抗匹配電阻。
3.3節點軟體設計
絕對式光電軸角編碼器的角度信息（度、分、秒）從CAN控制器發送到CAN總線或從CAN總線到CAN接收緩衝器都是由SJA1000總線控制器自動完成的。它的CAN總線接口通信程序由初始化子程序、發送子程序和接收子程序構成。首先根據實際系統需要選擇CAN總線工作模式，這裡選擇PeliCAN模式，12MHz晶振，總線數據傳輸速率設為500Kbits/s，各個總線節點要設置相同的數據傳輸速率，以保證正常通信。判斷SJA1000與單片機物理連接可靠，然後初始化SJA1000控制器，在SJA1000復位模式下，設定各個寄存器的初始狀態。初始化流程圖如圖4。實現數據的發送和接收由發送子程序和接收子程序完成，由報文ID判斷節點數據的流向，發送數據時，報文ID接收標誌位段的設置原則為：需要接收的節點其相應的ID位為0，其餘位為1 。接收數據時則相反，通過ID判斷是否為發送給自己的信息，是則接收，不是濾除。
4 結束語
CAN總線作為現場設備級的通信總線，有很高的可靠性和性能價格比，帶有CAN總線接口的絕對式光電軸角編碼器使它更加靈活運用於控制系統中。
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