電液伺服機構(gòu)與CAN總線接口設(shè)計 - 全文

?????? 1前言

　　在新型導彈制導和控制系統(tǒng)中采用總線式的數(shù)據(jù)傳輸方案，是解決現(xiàn)行的導彈飛行控制系統(tǒng)中，通過點對點直接連接的電纜網(wǎng)傳輸模擬信號造成的結(jié)構(gòu)復雜、可靠性低、系統(tǒng)的電磁兼容性與抗毀傷能力等諸多弊病的一個較好的途徑。電液伺服機構(gòu)是導彈控制系統(tǒng)中重要的組成部分。它的性能往往嚴重影響到導彈的控制精度，甚至決定飛行的成敗。在總線式導彈控制系統(tǒng)中，導彈電液伺服機構(gòu)將作為總線上的一個節(jié)點掛接在總線上，因此必須設(shè)計一個將總線與電液伺服機構(gòu)連接起來的接口。導彈總線式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　在導彈飛行中，慣性敏感元件獲得導彈的飛行參數(shù)后，送到彈上計算機，經(jīng)過計算機運算后形成控制指令，指令被送到導彈的電液伺服機構(gòu)，通過導彈電液伺服機構(gòu)的作動筒的動作來控制導彈的飛行彈道。

　　1.1　CAN總線

　　CAN(Controller Area Network)即控制器局域網(wǎng)絡。CAN總線是一種多主站局部網(wǎng)絡，能夠有效支持分布式控制系統(tǒng)或?qū)崟r控制系統(tǒng)的通信功能;它采用雙線串行通信方式工作。微處理器可通過CAN控制器掛到CAN總線上，它具有較強的檢錯功能以及優(yōu)先權(quán)和仲裁功能，可在高噪聲環(huán)境中使用，其傳輸速率可高達1Mb/s。

　　1.2　PC/104

　　PC/104是工業(yè)嵌入式PC的機械電氣標準。它的制定，為嵌入式應用提供了標準的系統(tǒng)平臺。PC/104總線與PC/AT總線(ISA)完全兼容。它符合IEEE-P996標準，所有信號電平與TTL兼容。PC/104模塊一般提供6mA的總線驅(qū)動能力，可驅(qū)動15個低功耗的TTL負載。與普通的工業(yè)控制機相比，PC/104總線具有如下特點：

　?、?PC/104模塊與PC機軟、硬件完全兼容，可以利用現(xiàn)有的較豐富和成熟的硬件、軟件開發(fā)工具及方法、設(shè)計知識等資源，開發(fā)周期短，成本低。

　?、?PC/104模塊體積小，功耗低，無需散熱，可層疊，具有系統(tǒng)級的性能，芯片級的大小。

　?、?模塊之間采用獨特的縱向?qū)盈B或側(cè)向接插的結(jié)合方式，模塊層疊后四角還有支柱和螺釘固定，可靠性高，配置靈活方便，便于故障的排除和修理。

　?、?外圍模塊齊全，用戶可以選擇各種不同的功能模塊，設(shè)計滿足不同需要的專用系統(tǒng)。

　?、?工作溫度范圍寬，一般在0-70度。

　　⑥ 大多數(shù)模塊采用單+5V電源，降低了系統(tǒng)對電源的要求。

　　2　接口硬件設(shè)計

　　根據(jù)實際系統(tǒng)的要求，本接口的功能主要是：實現(xiàn)與彈上計算機的通信，在控制系統(tǒng)中作為一個終端接收彈上計算機傳來的指令和數(shù)據(jù)，進行控制算法的運算及執(zhí)行D/A、A/D轉(zhuǎn)換，并將伺服機構(gòu)的運動信息和狀態(tài)數(shù)據(jù)傳輸給彈上計算機。

　　接口與CAN總線之間的傳輸介質(zhì)采用屏蔽雙絞線，接口硬件采用基于PC/104總線標準的模塊，主要有： D/A和A/D模塊、處理器模塊、外部存儲模塊、雙向驅(qū)動及時序控制模塊、CAN總線通信模塊。如圖2所示。

　　1)D/A模塊

　　在本設(shè)計中，我們選擇美國AD公司的AD7547數(shù)模轉(zhuǎn)換器。它是一種雙12位電流輸出的DACS(數(shù)據(jù)收集與控制系統(tǒng))，具有以下特點：較寬的工作電壓(12-15V);抗電源電壓干擾性能好;緊湊的封裝形式(24腳0.3英寸DIP封裝);低增益誤差。它可以和大多數(shù)的微處理器配合使用，能夠兼容TTL、CMOS電平。通過獨立的參考電壓和反饋電阻，還能夠提供四象限的乘法器功能。其內(nèi)部主要包括三個部分：控制邏輯電路、A路數(shù)模轉(zhuǎn)換電路和B路數(shù)模轉(zhuǎn)換電路。其中邏輯控制電路通過簡單的三個控制信號：CSA，CSB及WR來選擇相應的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，同時鎖存需要轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)。A路數(shù)模轉(zhuǎn)換電路的基本控制原理為：通過CSA與WR控制信號，將12位的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)一次鎖存入A路轉(zhuǎn)換電路的數(shù)據(jù)寄存器中，A路轉(zhuǎn)換電路開始進行數(shù)模轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換后的模擬量輸出。B路轉(zhuǎn)換電路的控制原理與A路類似。

　　2)A/D模塊

　　A/D模塊將導彈電液伺服機構(gòu)位移檢測裝置輸出的反饋信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字量以便于計算機進行處理。系統(tǒng)的控制精度在很大程度上取決于檢測反饋裝置的精度。根據(jù)伺服機構(gòu)的反饋參數(shù)和系統(tǒng)性能指標要求，本設(shè)計中采用美國AD公司生產(chǎn)的AD674A模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。它是一個12位逐次逼近型快速A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換速度最大為15微秒。AD674A片內(nèi)配有三態(tài)輸出緩沖器電路，因而可以直接與各種典型的8位或16位處理器相連，而無須附加邏輯接口電路，且能與CMOS及TTL電平兼容。

　　3)處理器模塊

　　本設(shè)計中處理器采用PC/104嵌入式計算機，因為它具有很快的運算速度，所以它主要為接口提供高速的數(shù)據(jù)運算與處理功能，這些數(shù)據(jù)包括彈上計算機通過總線送來的控制數(shù)據(jù)和通過模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊采集的位移檢測裝置的輸出量，處理器將它們進行處理和綜合，形成輸出量來控制作動筒的動作。

　　4)雙向驅(qū)動及時序控制模塊

　　CAN控制器SJA1000的地址總線和數(shù)據(jù)總線是按照INTEL的8位單片機總線規(guī)范設(shè)計的，與PC/104總線不能直接相連，中間要經(jīng)過雙向總線驅(qū)動電路和時序轉(zhuǎn)換電路進行兩種總線信號的切換，即將PC/104總線的數(shù)據(jù)總線和I/O地址總線經(jīng)過總線驅(qū)動器和時序轉(zhuǎn)換變成SJA1000的數(shù)據(jù)/地址復用總線，這里邊有一個關(guān)鍵的時序切換問題。控制總線的信號也要經(jīng)過相應的轉(zhuǎn)換才能驅(qū)動總線控制器SJA1000。轉(zhuǎn)換電路原理框圖如圖3所示。

　　圖3中細實線表示數(shù)據(jù)線和地址線，粗實線表示控制線，細虛線表示片選信號。

　　在本設(shè)計中，數(shù)據(jù)總線和地址總線分別通過兩個八總線收發(fā)送器74HC245連接到CAN控制器SJA1000的數(shù)據(jù)、地址復用總線上。74HC245是8位的總線收發(fā)送器，具有三態(tài)輸出，可以進行雙向的數(shù)據(jù)傳送。這中間用可編程邏輯芯片GAL16V8設(shè)計了一個時序控制邏輯電路，控制兩片74HC245的工作，進行時序切換，并避免數(shù)據(jù)和地址產(chǎn)生可能的沖突。片選信號是由一片74H688產(chǎn)生的，74H688是一個8位的數(shù)值比較器/等值檢測器。通過波段開關(guān)來設(shè)定I/O地址，用74HC688來比較PC/104總線上的地址信息和設(shè)定的I/O地址是否相同，如相同則對SJA1000產(chǎn)生片選信號。控制總線的信號切換也是由可編程邏輯芯片GAL16V8來實現(xiàn)的。

　5)通信模塊

　　CAN總線通信模塊由CAN控制器SJA1000、光電隔離器6N137、CAN收發(fā)器82C250組成，如圖4所示。

　　a)SJA1000是PHILIP公司生產(chǎn)的標準CAN總線控制器，它在軟硬件設(shè)計上完全兼容基本CAN總線控制器PCA82C200，具有和它完全兼容的引腳和協(xié)議CAN2.0A，二者可以替換。另外，它還支持總線擴展協(xié)議集CAN2.0B。它有兩種工作模式：基本模式和擴展模式。在基本模式下，它有32個工作寄存器，而在擴展模式下，它有127個工作寄存器。本設(shè)計選用基本工作模式，即支持CAN2.0A協(xié)議。CAN控制器一方面具有與微控制器接口的功能，另一方面還能完成CAN通信協(xié)議所要求的全部功能。

　　b)82C250是CAN總線收發(fā)器，它是控制器和物理總線間的接口。CAN控制器的傳送和接收端不允許與總線直接相連，原因是：當網(wǎng)絡內(nèi)某個節(jié)點未加電或發(fā)生故障時，將影響整個網(wǎng)絡的正常工作。另外，若總線出現(xiàn)短路故障時，CAN控制器的輸出驅(qū)動器有可能損壞。所以，在實現(xiàn)應用中必須在CAN控制器與總線之間設(shè)置一個接口電路。82C250能提供對總線的差動發(fā)送能力和對CAN控制器的差動接收能力。82C250還具有很強的驅(qū)動能力，能增大通信距離(最遠可達10Km)，可以進行斜率控制以降低射頻干擾，具有瞬間抗干擾能力。它有三種工作模式：高速模式、斜率控制模式和待機模式。本設(shè)計中采用了斜率控制模式，通過在8引腳上接一個18歐姆的電阻來控制總線上的斜率。

　　c)6N137是一個TI公司生產(chǎn)的高速光電隔離器，它具有較高的速度，可以滿足系統(tǒng)的要求，采用光電隔離電路以后，總線驅(qū)動器與總線控制器分別供電，隔斷了二者的電氣連接，進一步提高了抗干擾性能。

　　3　接口軟件設(shè)計

　　伺服機構(gòu)與CAN總線接口軟件的主要任務有：初始化、接收總線信息、向總線發(fā)送信息、受理中斷、數(shù)據(jù)運算與輸入輸出控制。伺服機構(gòu)傳感器采集的信號存入指定發(fā)送子地址的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)內(nèi)，從彈上計算機接收的指令和數(shù)據(jù)則存入指定的接收子地址的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)內(nèi)。當接口收到彈上計算機的控制指令后，開始對伺服機構(gòu)進行控制。

　　初始化程序設(shè)計是本接口設(shè)計中重要的一個環(huán)節(jié)。在系統(tǒng)上電復位后，首先確定微處理器的設(shè)置，然后在SJA復位后，需要確定與通信有關(guān)的參數(shù)，包括總線定時、各種寄存器和工作模式等。在系統(tǒng)運行過程中，也可以發(fā)出一個復位請求，根據(jù)實現(xiàn)情況重新確定系統(tǒng)的通信參數(shù)。其初始化程序主要步驟有：

　　1)初始化微處理器，同時關(guān)閉與CAN控制器相連的外部中斷。

　　2)檢查復位端，若進行復位狀態(tài)，則設(shè)置通信參數(shù)，包括：工作模式、時鐘驅(qū)動寄存器、接收碼寄存器、輸出控制寄存器、接收屏蔽寄存器和總線定時等。

　　3)檢查復位請求位，若復位請求位為低，則系統(tǒng)進入正常工作狀態(tài)，開微處理器的外部中斷以及CAN控制器本身的中斷。

　　初始化程序流程圖如圖5所示。

　　CAN總線報文數(shù)據(jù)的接收是由控制器根據(jù)CAN總線通信協(xié)議自主完成的。接收到的數(shù)據(jù)被放入接收緩存，然后狀態(tài)寄存器的“接收緩存狀態(tài)”標志位將被置位，同時，中斷寄存器的“接收中斷”標志位也被置位。微處理器必須讀出接收到的數(shù)據(jù)，同時釋放接收緩存。報文的接收過程可以采用中斷方式，也可以通過查詢的方式實現(xiàn)。

　　本設(shè)計中采用查詢方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收。如圖6所示為查詢方式的流程圖。CAN控制器的接收中斷標志被關(guān)閉。微處理器讀取CAN控制器的狀態(tài)寄存器的“接收緩存狀態(tài)”標志位，檢查是否有數(shù)據(jù)到來。如果緩沖區(qū)為空，表示沒有接收到數(shù)據(jù)，微處理器便轉(zhuǎn)到其它工作上去，直到下一輪檢查。如果緩沖區(qū)滿，則表示有數(shù)據(jù)放入緩存。微處理器可以根據(jù)報文信息讀取緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)，之后需要設(shè)置命令寄存器的“釋放緩存標志”，通知SJA1000釋放接收緩存，完成接收，并進行相應的數(shù)據(jù)處理。但由于接收緩存中的報文不一定只是一個，因此必須重新檢查接收緩存，直到接收緩存為空為止。否則，由于接收緩存的大小有限，將會出現(xiàn)緩沖區(qū)溢出的現(xiàn)象。循環(huán)查詢的時間必須足夠快，以避免報文丟失。

　　4　結(jié)束語

　　本設(shè)計很好地解決了導彈伺服機構(gòu)與CAN總線的連接和通信問題，大大減輕了原系統(tǒng)的重量，增強了信號傳遞的抗干擾性，提高了伺服機構(gòu)的控制精度，另外，PC/104的模塊化結(jié)構(gòu)使得接口的通用性和可維修性也顯著提高。