亓學(xué)蕓

摘 要：本文在介紹CAN總線技術(shù)的基礎(chǔ)上，利用CAN總線技術(shù)的優(yōu)點，設(shè)計出了數(shù)控機床聯(lián)網(wǎng)通信方案，提高了傳統(tǒng)數(shù)控機床的數(shù)字化水平。

關(guān)鍵詞：數(shù)控機床；CAN總線；聯(lián)網(wǎng)

中圖分類號：TG596

1 CAN總線技術(shù)的簡介

CAN（Controller Area Network），稱為控制器局域網(wǎng)。由于CAN總線的高性能和高可靠性，人們越來越重視，CAN總線已經(jīng)廣泛應(yīng)用在各種現(xiàn)場設(shè)備的控制網(wǎng)絡(luò)。CAN總線剛開始主要應(yīng)用在汽車工業(yè)上，作為汽車控制系統(tǒng)與各個執(zhí)行機構(gòu)間通信使用?，F(xiàn)在CAN總線不局限在汽車工業(yè)，應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)發(fā)展到制造業(yè)、自動控制和醫(yī)療器械等?，F(xiàn)在CAN總線的規(guī)范發(fā)展到CAN2.0。

綜合以上介紹的現(xiàn)場總線的綜合性能，CAN總線的波特率能夠達到1Mb/s，傳輸距離長達10Km。數(shù)據(jù)線采用雙絞線，能夠防止干擾信號。一般制造企業(yè)車間生產(chǎn)設(shè)備與控制室之間的間距在2Km，選擇CAN總線具有其他總線所無法達到的優(yōu)勢。所以本課題采用CAN總線進行通信傳輸。

2 CAN總線技術(shù)的特點

（1）CAN的工作方式為多主方式，廢除了傳統(tǒng)的站地址編碼，采用對數(shù)據(jù)塊編碼的方式，對節(jié)點的控制非常靈活，增減節(jié)點時不需重新修改程序。同時每個節(jié)點都可以在任意時刻通過總線發(fā)送信息。

（2）CAN總線上的節(jié)點信息被劃分成不同的優(yōu)先級，當(dāng)總線上有多個節(jié)點同時發(fā)送數(shù)據(jù)時，首先這些信息根據(jù)優(yōu)先級來確定發(fā)送信息的順序，優(yōu)先級高的先發(fā)送直至發(fā)送完成，優(yōu)先級低的發(fā)送權(quán)取消，等總線空閑時再發(fā)送信息。

（3）CAN采用差分信號傳輸技術(shù)。通信節(jié)點通過CANH和CANL兩條雙絞線信號線連接到總線上，依靠兩條信號線的電位差變化來傳輸信息，任何一條數(shù)據(jù)線遭受到破壞時CAN總線系統(tǒng)仍然能傳輸信息，因此這種總線適合比較惡劣的工作環(huán)境。

（4）CAN總線提前設(shè)置好報文濾波，所以總線上的節(jié)點在接受和發(fā)送數(shù)據(jù)時，無需專門的調(diào)度便可以進行數(shù)據(jù)傳輸。

（5）通信距離比較長。當(dāng)通信速率在5kbps時通信距離最遠(yuǎn)可達10km。

（6）總線驅(qū)動電路決定了CAN總線上的節(jié)點數(shù)，總線上最多可連接128個節(jié)點；CAN2.0A規(guī)范的報文標(biāo)識符有2032種，而CAN2.0B規(guī)范的報文標(biāo)識符數(shù)量不受限制。

（7）CAN總線采用短幀結(jié)構(gòu)。每幀共有8個字節(jié)，數(shù)據(jù)的傳輸時間較短，并且數(shù)據(jù)傳輸時幾乎不受干擾，檢錯效果好。

（8）由于使用CRC校驗，數(shù)據(jù)出錯率極低，適合在干擾較高的環(huán)境中工作。

（9）CAN總線有自動關(guān)閉功能，當(dāng)節(jié)點發(fā)送信息出現(xiàn)發(fā)生重大錯誤時能夠自動關(guān)閉總線，避免影響其他節(jié)點，其他節(jié)點仍可以正常進行操作。

從上述特點可以看出，CAN總線在現(xiàn)場設(shè)備控制局域網(wǎng)中的優(yōu)勢非常明顯，檢錯和抗干擾能力很強，十分適合工業(yè)自動化的現(xiàn)場控制網(wǎng)絡(luò)。

3 CAN總線的工作原理

CAN采用總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

CAN總線網(wǎng)絡(luò)采用雙絞線：CAN-L和CAN-H。所有節(jié)點通過CAN-L和CAN-H連到總線上，兩條線路的信號傳輸方向相反能夠抑制外部的信號干擾。在總線的兩端接電阻，防止信號傳輸?shù)浇K點時返回以致產(chǎn)生信號疊加，出現(xiàn)嚴(yán)重故障。在傳輸網(wǎng)絡(luò)上每個節(jié)點都可以發(fā)送信號，不分主次，所以成為多主方式。CAN總線通訊基于報文傳輸，而非基于站點，所以網(wǎng)絡(luò)上可以很方便的增加節(jié)點，不用重新編寫程序。

CAN總線用顯性和隱性表示“0”和“1”。當(dāng)兩條信號線的差分電壓相近，都在2.5V左右時，總線的邏輯狀態(tài)為邏輯值“1”，表示為隱性。如果信號線CANH比CANL高時，總線的邏輯狀態(tài)為邏輯值“0”，表示為顯性，如圖2所示。當(dāng)通信過程中同時出現(xiàn)顯性位和隱性位時，隱性位將被顯性位覆蓋，總線顯示為顯性，CAN總線便是利用這種特性檢測通訊過程中的信號沖突。

我國目前機械制造業(yè)的現(xiàn)狀是有相當(dāng)多的車間數(shù)控機床與普通機床共存。但是這些數(shù)控機床大多數(shù)都處于單機運行狀態(tài)。在計算機網(wǎng)絡(luò)和通訊技術(shù)的大發(fā)展的前提下，機械制造業(yè)由傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式向自動化生產(chǎn)發(fā)展，這就需要對數(shù)控設(shè)備進行聯(lián)網(wǎng)運行。但是柔性制造系統(tǒng)過于依靠物流自動化，推廣難度很大。如果對數(shù)控設(shè)備進行集成聯(lián)網(wǎng)，既提高了數(shù)控設(shè)備的利用率，也可以極大提高了先進的生產(chǎn)管理制造模式在我國當(dāng)前制造業(yè)中的推廣，對我國當(dāng)前的制造業(yè)具有非常重要的意義。

4 數(shù)控機床連網(wǎng)通訊方案設(shè)計

連網(wǎng)方案設(shè)計如圖3所示，控制計算機作為中央控制器，負(fù)責(zé)加工零件程序的保存、傳輸，負(fù)責(zé)數(shù)控機床的管理和控制。零件的加工程序存儲到控制計算機上，然后由控制計算機將加工程序通過CAN總線傳到相應(yīng)的控制機床上，進行零件加工。各數(shù)控機床也可以將存儲的NC程序和零件加工的相關(guān)信息通過總線傳輸?shù)娇刂朴嬎銠C上。圖3為簡化設(shè)計系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

5 設(shè)計方案驗證

使用9個通信節(jié)點，其中8個通信節(jié)點通過RS232串口連接數(shù)控機床。另外1個通信節(jié)點通過CAN總線與其他8個通信節(jié)點連接，并通過RS232串口連接控制計算機。經(jīng)驗證，各節(jié)點間通信正常，節(jié)點與數(shù)控機床以及控制計算機通信正常。實驗證明該方案完全可行。

6 結(jié)束語

經(jīng)過實際測試，該系統(tǒng)可以完成將數(shù)控機床產(chǎn)生的數(shù)據(jù)上傳到計算機的工作，各節(jié)點間通信正常，1臺主控計算機可以控制8臺數(shù)控機床，受限于測試條件，沒有進行連接更多機床的進一步測試。該系統(tǒng)理論上最多可以控制256臺數(shù)控機床。

參考文獻：

[1]張宏兵.數(shù)字化制造車間集成管理系統(tǒng)研究與設(shè)計[D].南京理工大學(xué)，2010.

作者單位：山東理工職業(yè)學(xué)院，山東濟寧 272000