CAN总线在嵌入式磨削数控系统中的研究与设计

摘要

数控系统是计算机技术在机械制造领域的一种典型应用，它集计算机、机械加工、微电子和自动控制多项技术于一体。数控技术的应用不仅给传统的制造业带来了革命性的变化，而且对国计民生的一些行业的发展也起着越来越重要的作用。目前，随着嵌入式系统的不断发展，由ARM微处理器构成的嵌入式系统以其低成本、高可靠性、高稳定性，在机床数控领域得到了越来越广泛的应用。 数控系统的通信设计对整个数控系统功能的实现有着重要的影响。因此，研究数控系统的通信总线对提高数控系统的效率和稳定性有着积极的作用。 在基于ARM9的嵌入式数控磨削系统中，在对比和研究了当今应用最为广泛且具有一定的开放性和标准化的现场总线一基金会现场总线FF、Profibus总线、CAN总线等的技术特点和应用性的基础上，最终选择了CAN总线作为系统的开放式总线。 基于ARM9嵌入式数控磨削系统的硬件结构的设计是采用主从式的多微处理器结构模式。主微处理器S3C2410负责对键盘、LED数码管、液晶显示器进行控制，从微处理器通过FPGA控制X、Y、Z、A、B、C轴的运动，或者接收来自外部的各种开关量、模拟量和数字量信号。各节点处理器通过各自的SPI接口与CAN控制器MCP2515相接，再通过CAN收发器MCP2551接入到CAN总线，实现了主从处理器各节点间的通信。 在当今应用非常广泛的嵌入式操作系统Linux+RTAI的软件平台下，通过对数控系统软件功能的分析，借助CAN总线完成了数控系统上下位机插补数据传输、上位机对下位机节点的实时监控以及上位机对输入输出节点的控制软件的设计。

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第一章绪论

1.1数控系统概况

1.2数控系统内部通信目前面临的问题和解决方法

1.3课题研究意义及主要内容

第二章CAN总线概述

2.1 CAN总线技术与特点

2.2 CAN总线与其他现场总线技术的比较

2.3 CAN的各种应用层协议的特点

2.4本章小结

第三章数控系统中CAN总线网络的设计

3.1系统总体结构

3.2基于CAN总线嵌入式数控系统工作原理

3.3数控系统中CAN通信协议的设计

3.3.1数据报文

3.3.2紧急报文

3.3.3 I/O报文

3.3.4服务报文

3.4 CAN模块硬件设计

3.5控制系统硬件抗干扰措施

3.6本章小结

第四章基于CAN总线的数控系统软件设计

4.1控制系统的软件功能分析

4.2基于Linux/RTAI的实时软件平台

4.3 CAN软件接口程序设计

4.3.1 SPI接口程序设计

4.3.2 CAN控制器驱动程序设计

4.4 NURBS插补算法程序设计

4.4.1 NURBS曲线基础理论

4.4.2 NURBS实时插补的实现

4.4.3上下位机间的粗插补数据的传输

4.5数据的接收与处理

4.6上位机对下位机的实时监控

4.7提高软件的可靠性

4.8本章小结

第五章实验与测试

5.1 CAN总线回环模式测试

5.2上下位机通信测试

5.3数控系统与运动控制节点的CAN总线通信可靠性实验

5.4本章小结

第六章总结与展望

6.1总结

6.2工作展望

参考文献

致谢

攻读学位期间主要的研究成果