Design and Realization of Long-distance I/O Station Based on CAN-bus for CNC System
abstract：CAN is a kind of excellent field bus with high reliability,low cost,has been applied in many fields.In the field of the CNC system,the shortage problem of input-output nodes in economical CNC system is very distinctive and the error ratio of input-output signal in teletransmission is very high.In order to solve the problem above,it will be introduced that CAN bus technology is used in CNC system with an example of designing a long-distance I/O station.
Keyword：CAN-bus;long-distance I/O station;CNC system;modular design
摘 要：CAN作为一种可靠性高、价格低廉、技术成熟、实现简单的现场总线技术在众多领域得到了广泛的应用。在数控系统领域中,经济型数控系统输入输出接口紧缺和输入输出信号在远程传输过程中易受干扰问题越来越明显,在对以上问题研究的基础上,提出了一种基于CAN总线设计数控系统远程输入输出模块的方案。
关键词：CAN总线;远程输入输出;数控系统;模块化设计

1 引 言

CAN即控制器局域网，他的通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。他的应用不再局限于汽车行业，其中CAN在机床数控系统方面实现的功能主要包括：程序管理；机床系统参数输入输出诊断、参数的通讯；机床状态采集；机床工作模式采集；数据库管理等。

目前，国产数控系统的主要份额是经济型机床数控系统。经济型数控系统与机床基本输入输出接口的数量都是有限的，经常不能满足实际操作中的需求，同时在实际车间中，机床与数控系统可能距离较远，输入输出信号在远程传输过程中非常容易受到干扰而出错，而CAN总线在传输较远距离的信号时传输时间短，受干扰概率低，还具有较高的传输速度，基于这些原因本文提出了基于CAN总线的数控系统远程输入输出模块的设计思想。

2 模块结构设计

该模块的组成结构设计如下：CANIN，CANOUT是CAN总线的输入输出接口。DI，DO是模块与机床的接口，DI：机床信息输入接口；DO：来自数控系统的信息输出给机床的接口。且D1，DO接口接收的信息都是开关量信息。

3 模块硬件设计

本输入输出模块中的微处理器选用宏晶公司的单片机STC89C516RD+。在CAN总线通信接口中，CAN通信控制器选用SJA1000，CAN总线驱动器采用PCA82C250。由图2 CAN远程输入输出模块硬件原理图可以看出，电路主要由6部分组成：微控制器STC89C516RD+、独立CAN控制器、电气隔离器件6N137、CAN总线驱动器PCA82C250、输出模块和输入模块。微处理器STC89C516RD+负责向输出模块传出要输出的数据，对输入模块的输入点进行扫描输入，以及初始化SJA1000，并通过控制SJA1000实现数据的接收和发送等通信任务。

SJA1000的AD0～AD7连接到STC89C516RD+的P0口，片选信号CS*由P2.7控制，其为0时CPU片外存储器地址可选中SJA1000，进而可对SJA1000执行相应的读／写操作。SJA1000的RD*WR*ALE分别与STC89C516RD+的对应引脚相连，INT*接STC89C516RD+的INT0*，使单片机可通过中断方式对SJA1000进行实时访问。P1口3个端口外接一拨码开关，用来确定自身模块的标识号即该模块的ID号，拨码开关的取值为000～111，所以该ID号的取值为0～7。

为了增强CAN总线节点的抗干扰能力，SJA1000的TX0和RX0并不是直接与PCA82C250的TXD和RXD相连，而是在中间加入了一级高速光耦6N137，这样就很好地实现了总线上各CAN节点间的电气隔离，但前提是光耦部分电路所采用的两个电源VCC和VDD必须完全隔离，否则就只是利用其响应速度做低通滤波器用。电源的完全隔离可采用小功率的DC-DC，或带多5 V隔离输出的开关电源模块实现。这虽然增加了接口电路的复杂性及成本，但却提高了节点的稳定性和安全性。

输出模块中各输出点通过锁存器74ALS273与STC89C516RD+的P0口相接，并由P2译出的地址以及写信号WR*进行锁存控制。而输入模块中各输入点通过总线缓冲器74ABT245与P0口相连，74ABT245由P2译出的地址以及读信号RD*进行选通控制。这样STC89C516RD+就可以方便地对外部I／O进行访问而无须其他额外的软硬件开支，大大提高了STC89C516RD+的执行效率。

4 模块软件设计

CAN总线数控系统远程输入输出模块的软件设计主要包括6大部分：STC89C516RD+初始化、CAN控制器初始化、报文发送、报文接收、对输出点的输出访问和输入点的扫描输入。本设计应用的CAN的pelic模式的标准帧格式。

程序流程如图3所示。SJA1000初始化只有在复位模式下才能进行，初始化主要包括通过调节拨码开关设置本模块的标识符，工作方式的设置、接收滤波方式的设置、接收屏蔽寄存器(AMR)和接收代码寄存器(ACR)的设置、波特率设置和中断允许寄存器(IER)的设置等。

机床信息传到数控系统：当扫描到机床的输入信号有电平变化时，模块把自身的ID信息和输入信号一起打包成标准帧发送给数控系统。

数控系统指令传到机床：模块实时监控总线，当总线上有来自数控系统的信息，启动CAN接收，根据AMR和ACR来判断是否该接收该指令帧，如果不应该接收，将信息丢弃，如果应该接收，将指令输出给机床。

5 模块应用

在实际应用中，多块输入输出模块相连接组成CAN的网络，多块输入输出模块的上位机都是机床数控系统，各模块的输入输出接口均与机床相连如图4所示。

注意在该网络中，在总线的两端应各接有一个终端电阻，终端电阻的作用是吸收信号线上电脉冲的多余能量，防止反射形成信号混淆，而信号混淆将导致通讯错误。

由于各模块的ID号的取值为0～7，所以本设计数控系统外部可扩展8个输入输出模块，其中各个模块ID号设置不能相同，且站号越小，优先级越高。在本设计中每个模块的输入点为64个，输出点为64个，则一共可以扩展到512(64*8)个输入输出点。

6 结 语

基于CAN总线的数控系统远程输入输出模块不仅扩展了经济型数控系统的输入输出节点，而且提高了远程输入输出信号传输的正确率。本系统通过了现场进行的实验测试，总线单接一个模块；接两个模块；串接8个模块，分别测试各个模块的工作情况，机床和数控系统之间的信息都能正确传送，通信速率完全能满足系统实时性能的要求，运行可靠。系统具有结构简单，集成度、智能化程度高，结构与功能可扩展性好，安全可靠，极大地增加了数控系统和机床通信的输入输出节点。随着未来工厂自动化的发展，CAN总线将具有广阔的应用前景。

作者通信地址：太原理工大学 信息工程学院 山西 太原 030024