【正文】 便于安裝與維護(hù)等諸多優(yōu)點(diǎn)，但在具有總線式網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的分布式控制系統(tǒng)中，由于數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)不可避免，因此，一定程度上影響了控制系統(tǒng)的性能，甚至造成系統(tǒng)不穩(wěn)定. 傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)控制，傳感器采集到的數(shù)據(jù)直接反饋到控制器，控制器將計(jì)算得到的控制量直接輸出到D／A，得到的電壓控制信號(hào)立即作用于被控對(duì)象完成閉環(huán)控制．系統(tǒng)中的延時(shí)主要來(lái)自于控制算法的計(jì)算時(shí)間和硬件電路的延遲時(shí)間在將CAN總線引入閉環(huán)控制系統(tǒng)之后，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的改變帶來(lái)了控制行為的巨大差異，傳感器節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)總線傳遞到控制器節(jié)點(diǎn)，反饋回路中的數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)使得控制器無(wú)法實(shí)時(shí)獲得被控對(duì)象的狀態(tài)信息．同樣，控制器節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的控制信號(hào)必須通過(guò)總線傳遞到執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)，傳輸延時(shí)的存在使得控制信號(hào)亦無(wú)法及時(shí)作用于被控對(duì)象．此種情況下，數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)變?yōu)橛绊懴到y(tǒng)性能和破壞系統(tǒng)穩(wěn)定性的主要因素，因此，必須采取能夠有效補(bǔ)償傳輸延時(shí)的控制算法.2．2 控制器的設(shè)計(jì) Smith預(yù)估算法是克服純滯后的另一個(gè)有效的控制方法，其基本原理是通過(guò)預(yù)估對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性，用一個(gè)預(yù)估模型進(jìn)行時(shí)間滯后的補(bǔ)償，補(bǔ)償器與被控對(duì)象共同構(gòu)成一個(gè)沒(méi)有時(shí)間滯后的廣義被控對(duì)象．這樣，控制器相當(dāng)于對(duì)一個(gè)沒(méi)有時(shí)間滯后的系統(tǒng)進(jìn)行控制，從而有效地克服了純滯后的影響. 在本系統(tǒng)中，CAN總線的波特率和傳輸數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)為固定值，在不考慮算法計(jì)算時(shí)間和硬件電路延遲時(shí)間的情況下，系統(tǒng)中的延時(shí)可以近似地用純滯后來(lái)模擬．由于通過(guò)Smith預(yù)估器的補(bǔ)償,可以近似地認(rèn)為廣義被控對(duì)象中已不含有時(shí)滯部分．控制器采用大誤差、中誤差、小偏差三段控制算法，其中，大誤差時(shí)數(shù)字控制器輸出飽和值(即D／A飽和輸出)，這樣伺服系統(tǒng)的速度環(huán)將以最大加速度啟動(dòng)直到最大速度，并以這個(gè)速度恒速運(yùn)動(dòng)；到達(dá)中等誤差以后，控制器按最大減速度規(guī)律ω=(2еε)1/2給出，引導(dǎo)伺服系統(tǒng)以最大減速度制動(dòng)，平穩(wěn)地到達(dá)協(xié)調(diào)點(diǎn)．式中：ε為減加速度；． 由于Smith預(yù)估控制器是基于被控對(duì)象精確數(shù)學(xué)模型之上的，所以需要對(duì)被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行精確辨識(shí).2．3 被控對(duì)象模型的辨識(shí) FANUC直流PWM驅(qū)動(dòng)器的模型比較復(fù)雜，將其與電機(jī)組合成一個(gè)二階系統(tǒng)(系統(tǒng)內(nèi)環(huán))，如圖3所示． 圖中：減速器的減速比i=；k，kl，以采樣周期Ts=5 ms離散化，再利用最小二乘法辨識(shí)，最終可得k=69 354，k1=，k2=4 254．10，則被控對(duì)象的傳遞函數(shù)為998．33／(s3+35．1 s2+4 254．1s)．3 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果 實(shí)驗(yàn)中，智能傳感器節(jié)點(diǎn)以5 ms為周期采樣，智能控制器和執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)采用事件驅(qū)動(dòng)方式，CAN總線波特率設(shè)定為1 Mbit／s，反饋數(shù)據(jù)和控制數(shù)據(jù)皆為6 B．分別以加Smith預(yù)估補(bǔ)償?shù)娜慰刂扑惴ê臀醇覵mith預(yù)估補(bǔ)償?shù)娜慰刂扑惴▽?duì)系統(tǒng)實(shí)施控制．在輸入為階躍、等速、正弦信號(hào)情況下,系統(tǒng)響應(yīng)曲線和誤差曲線如圖4～圖6所示． 圖4～圖6中縱坐標(biāo)單位為“碼”，(1碼=360176。／65 536)．圖4中階躍輸入給定值為16．5176。，系統(tǒng)的穩(wěn)定性增強(qiáng)，動(dòng)態(tài)過(guò)程無(wú)超調(diào)，階躍響應(yīng)的動(dòng)態(tài)性能明顯改善，穩(wěn)態(tài)誤差的絕對(duì)值小于1mrad，滿足精度要求．圖5為等速跟蹤情況．角速度給定值為30176。／s，由于系統(tǒng)中數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)的影響，系統(tǒng)跟蹤誤差較大，跟蹤精度降低. 采用Smith預(yù)估算法可顯著減小系統(tǒng)的跟蹤誤差，提高跟蹤精度，保證跟蹤過(guò)程的準(zhǔn)確度和平穩(wěn)性．圖6給定測(cè)試信號(hào)最大角速度為30176。／s,最大角加速度為30176。／s2的正弦信號(hào)，未采用Smith預(yù)估算法時(shí)，受總線傳輸延時(shí)影響，從而使得系統(tǒng)誤差顯著減小，電機(jī)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中振動(dòng)隨之減小，系統(tǒng)性能有了較大提高.基于MCP2510和CH375的CANUSB接口卡設(shè)計(jì)[日期：2007822]來(lái)源：微計(jì)算機(jī)信息 作者：左小五[字體：大 中 小] 摘要本文介紹了MCP2510和CH375的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了CANUSB接口卡，并給出了詳細(xì)的電路原理圖及軟件流程圖，該卡可適用于各種CAN總線控制系統(tǒng)中。 關(guān)鍵詞MCP2510CH375CANUSB接口卡設(shè)計(jì) 1. 引言CAN以其優(yōu)良的性能，廣泛應(yīng)用在嵌入式系統(tǒng)中，PC機(jī)有豐富的軟件和強(qiáng)大的功能，在工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中，將PC機(jī)設(shè)計(jì)成CAN網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，方便數(shù)據(jù)處理等。CAN網(wǎng)絡(luò)與PC機(jī)的連接可通過(guò)以下幾種方式：1）CANRS232接口卡；2）CANPCI接口卡；3）CANUSB接口卡。CANRS232接口卡速度太慢，且不支持熱插拔；CANPCI接口卡雖然速度快，但不支持熱插拔。而采用CANUSB接口卡，不但速度快，而且支持熱插拔，并且可以從系統(tǒng)中直接汲取電流而不需要外部供電。文[1][2]中所設(shè)計(jì)的CANUSB接口卡，均采用SJA1000和PIDUSBD12, SJA1000為并行總線接口，與現(xiàn)在許多無(wú)外部總線的MCU不適應(yīng)，PIDUSBD12也為并行總線接口，且與MCU的軟件接口編寫(xiě)復(fù)雜，本文中設(shè)計(jì)的CANUSB接口卡，USB接口芯片選擇南京沁恒電子有限公司生產(chǎn)的CH375，該芯片支持全速設(shè)備接口USB ，該公司提供了完善的USB驅(qū)動(dòng)程序；并且該芯片內(nèi)部集成了USB 接口SIE、數(shù)據(jù)緩沖區(qū)、被動(dòng)并行接口、串行接口、命令解釋器、控制傳輸?shù)膮f(xié)議處理器、通用的固件程序等，這樣，以CH375設(shè)計(jì)的USB設(shè)備，不需要詳細(xì)了解USB 通訊協(xié)議，開(kāi)發(fā)編程非常方便[ 3]。CAN協(xié)議芯片選擇MCP2510，該芯片采用SPI接口，連接方便，有3個(gè)發(fā)送緩沖區(qū)，2個(gè)接收緩沖區(qū)，寬工作電壓，低功耗[4]。2. 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)CANUSB接口卡，硬件方面需要USB接口芯片、CAN協(xié)議芯片和微處理器。系統(tǒng)的硬件框圖見(jiàn)圖1。微處理器選擇華邦公司的W78E516，該芯片與MCS51系列單片機(jī)兼容，內(nèi)部集成有64K的FLASH、看門(mén)狗、256字節(jié)輔助存儲(chǔ)器，還支持在系統(tǒng)可編程（ISP）。圖1 系統(tǒng)的硬件框圖CH375與MCU的連接提供了并行接口和串行接口，本文采用了并行接口，W78E516與CH375的接口電路如圖2所示。 圖2 由于CH375可輸出復(fù)位信號(hào)，微處理器可利用此復(fù)位信號(hào)，從而不需要其它專(zhuān)門(mén)復(fù)位電路。設(shè)計(jì)中還必須注意，CH375的晶振頻率必須為12MHz， MHz晶振時(shí)，系統(tǒng)不能正常工作，改為12MHz時(shí)，則可正常工作。 CAN協(xié)議芯片選擇MCP2510，總線驅(qū)動(dòng)器采用PCA82C設(shè)計(jì)如圖3所示。如果要求CAN總線上各節(jié)點(diǎn)間電氣隔離，可在MCP2510與PCA82C250之間加高速光隔離（如6N137）進(jìn)行電氣隔離，本文因版面限制而省略了光隔，光隔設(shè)計(jì)方法可參考文[5]。圖33. 下位機(jī)程序設(shè)計(jì)下位機(jī)程序的功能是，當(dāng)接收到CAN報(bào)文，將此報(bào)文重新組成適合USB傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包，并裝載到USB的發(fā)送緩沖區(qū)，而當(dāng)從USB接收到數(shù)據(jù)包，則將此數(shù)據(jù)包重新組成適合CAN傳輸?shù)膸?。下位機(jī)程序設(shè)計(jì)采用Keil C進(jìn)行設(shè)計(jì)，由于MCP2510是SPI接口，而W78E516沒(méi)有SPI接口，故編寫(xiě)了專(zhuān)門(mén)操作SPI接口的程序。設(shè)計(jì)中，CAN報(bào)文采用了標(biāo)準(zhǔn)11位ID，并且根據(jù)CAN幀格式，在單片機(jī)內(nèi)存中，定義CAN報(bào)文發(fā)送緩沖區(qū)和接收緩沖區(qū)。雖然CH375的端點(diǎn)每次最大可傳輸64字節(jié)，但為了設(shè)計(jì)方便，我們?cè)O(shè)計(jì)成每次只傳輸11個(gè)字節(jié)，用如下的結(jié)構(gòu)體表示。struct struct_USB{ unsigned char USB_cmd。 unsigned char Dat[10]。 }。USB_cmd中指示每次數(shù)據(jù)包的含義，以方便PC機(jī)與單片機(jī)傳遞信息。Dat[10]為將傳輸?shù)紺AN總線上的數(shù)據(jù)，或從CAN總線上接收到的數(shù)據(jù)。圖4 程序流程圖為防止通訊接收溢出，在設(shè)計(jì)中，為CAN和USB定義了比較大的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，啟用了W78E516芯片上的256字節(jié)輔助存儲(chǔ)器，Keil C編譯時(shí)配置存儲(chǔ)器模式為Compact模式，但在設(shè)計(jì)中需要注意的是：main()函數(shù)的語(yǔ)句中，必須先用賦值語(yǔ)句對(duì)寄存器CHPENR和CHPCON進(jìn)行配置，啟用W78E516芯片上的256字節(jié)輔助存儲(chǔ)器，然后，才能執(zhí)行函數(shù)調(diào)用語(yǔ)句，否則程序雖在編譯時(shí)可通過(guò)，但運(yùn)行時(shí)會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤。上位機(jī)程序采用VB進(jìn)行設(shè)計(jì)，由于沁恒公司為CH375提供了豐富的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)（API函數(shù)），在程序設(shè)計(jì)時(shí)，只需聲明和調(diào)用這些API函數(shù)，下面介紹編程注意事項(xiàng)。在程序設(shè)計(jì)時(shí)，程序中調(diào)用CH375的第一個(gè)API函數(shù)應(yīng)為CH375的設(shè)備開(kāi)啟函數(shù)，Declare Function CH375OpenDevice Lib (ByVal iIndex As Long) As Long，該函數(shù)的功能是打開(kāi)CH375設(shè)備。關(guān)閉應(yīng)用程序時(shí)，需調(diào)用設(shè)備關(guān)閉函數(shù)，Declare Sub CH375CloseDevice Lib (ByVal iIndex As Long)，該函數(shù)的功能是關(guān)閉CH375設(shè)備。對(duì)于PC機(jī)向單片機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)和接收來(lái)自單片機(jī)的數(shù)據(jù)，只需調(diào)用相關(guān)的API函數(shù)即可。編寫(xiě)完上位機(jī)程序，當(dāng)CANUSB接口卡通過(guò)USB連接線與PC機(jī)的USB接口相連之后，系統(tǒng)會(huì)檢測(cè)到新硬件，此時(shí)，安裝好驅(qū)動(dòng)程序，就可以使用該設(shè)備。正常工作時(shí)，此卡中與CH375相連的LED亮。5. 結(jié)論本文作者創(chuàng)新點(diǎn)為采用CH375和MCP2510設(shè)計(jì)CANUSB接口卡，給出了硬件電路圖和軟件流程圖，相對(duì)于其它用SJA1000和PIDUSBD12設(shè)計(jì)的類(lèi)似產(chǎn)品，本CANUSB接口卡的硬件接口簡(jiǎn)潔，軟件不需要編寫(xiě)USB固件程序，開(kāi)發(fā)效率高，性能價(jià)格比高，在實(shí)際使用中，效果良好。另外，由于硬件上采用了獨(dú)立的CAN控制器和USB接口芯片，軟件采用C語(yǔ)言設(shè)計(jì)，所以移植到其它微處理器也比較方便。參考文獻(xiàn)[1] 張延宇，微計(jì)算機(jī)信息，2006 年第12 期：第6－8頁(yè)[2] 朱騰, 微計(jì)算機(jī)信息，2005 年第3 期：第89－90頁(yè)[3] CH375 說(shuō)明書(shū). 南京沁恒電子有限公司。[4] MCP2510 datasheet, Microchip Technology Inc。[5] ，CANRS232通信轉(zhuǎn)換模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[日期：2007514]來(lái)源：國(guó)外電子元器件 作者：何寶福 張文紅 [字體：大 中 小] RS232作為標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算機(jī)串行接口已被廣泛使用，與此同時(shí)，隨著現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的飛速發(fā)展，具有實(shí)時(shí)性好、可靠性高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)的CAN總線在測(cè)控系統(tǒng)中也越來(lái)越多地被采用，但由于兩者的總線結(jié)構(gòu)、通信協(xié)議及傳輸特點(diǎn)各不相同，因而給不同設(shè)備之間的連接帶來(lái)諸多不便。因此，如何以最簡(jiǎn)單的方式實(shí)現(xiàn)CAN節(jié)點(diǎn)與RS232串行口的通信就成為工程實(shí)踐中一個(gè)不可回避的問(wèn)題。 本文采用典型的不具備CAN通信能力的AT89C51單片機(jī)作為微處理器，設(shè)計(jì)了一個(gè)簡(jiǎn)單、實(shí)用的通信轉(zhuǎn)換模塊。該通信轉(zhuǎn)換模塊具有體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、通用性好、使用方便等特點(diǎn)。2 工作原理 CANRS232通信轉(zhuǎn)換模塊通過(guò)硬件電路的電平標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換和軟件編程的通信協(xié)議轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能。 電平標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換 RS232采用的不是TTL電平的接口標(biāo)準(zhǔn)，而是負(fù)邏輯，即邏輯1為3 V～15 V；邏輯0為+3 V～+15 V；而CAN總線是采用顯性和隱性兩個(gè)互補(bǔ)的邏輯值表示0和1，其信號(hào)是以兩線之間的差分電壓形式出現(xiàn)的。這樣導(dǎo)致兩總線之間的信號(hào)電壓不匹配。無(wú)法直接進(jìn)行正常的通信，因此，需要相應(yīng)的硬件接口電路實(shí)現(xiàn)電平標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換。 通信協(xié)議轉(zhuǎn)換 RS232通信屬于異步串行通信。一般為兩點(diǎn)傳輸，其每幀的數(shù)據(jù)格式通常為：起始位+數(shù)據(jù)位+奇偶校驗(yàn)位(可省略)+停止位；每個(gè)數(shù)據(jù)包的格式通常為：數(shù)據(jù)包頭+數(shù)據(jù)字節(jié)+校驗(yàn)和(溢出不計(jì))。而CAN通信屬于總線通信，可以同時(shí)存在多個(gè)節(jié)點(diǎn)，因此通信協(xié)議相對(duì)也比較復(fù)雜，這里以標(biāo)準(zhǔn)幀傳輸為例，其數(shù)據(jù)格式通常如表1所列。因此，需要軟件處理實(shí)現(xiàn)通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換。3 硬件設(shè)計(jì) 模塊采用Atmel公司生產(chǎn)的AT89C51型單片機(jī)作為微處理器，采用SJA1000和TJA1050分別作為CAN控制器和驅(qū)動(dòng)器，采用MAX202E作為RS232串行接口驅(qū)動(dòng)器，其硬件連接電路圖如圖1所示。 AF89C51采用外接晶體振蕩器提供時(shí)鐘輸入，通過(guò)并行地址／數(shù)據(jù)復(fù)用的方式訪問(wèn)CAN控制器SJA1000，；SJA1000作為CAN控制器，也采用單獨(dú)的外部時(shí)鐘輸入，由于集成了CAN協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層功能，可完成對(duì)通信數(shù)據(jù)的幀處理，其地址為0x00～0xFF；TJA1050作為CAN控制器和物理總線之間的接口，采用高速工作模式，用于提供總線的差動(dòng)發(fā)送能力和CAN控制器差動(dòng)接收能力；MAX202E用于實(shí)現(xiàn)RS232電平到微控制器接口電路的TTL電平轉(zhuǎn)換。4 軟件設(shè)計(jì) 模塊的軟件設(shè)計(jì)主要包括RS232通信程序和CAN通信程序兩部分，采用中斷方式。其中，RS232通信數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟ㄌ芈蕿?15 200 bit／s，數(shù)據(jù)格式為1位起始位、8位數(shù)據(jù)位、1位停止位；CAN總線的傳輸波特率為500 kbit／s，采用PeliCAN模式的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀格式，每條報(bào)文的標(biāo)識(shí)符ID為11位，有效數(shù)據(jù)為0～8個(gè)字節(jié)。其軟件流程如圖2所示。 在RS232中斷程序中，微處理器對(duì)接收的串口數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后提取出數(shù)據(jù)字節(jié)，通過(guò)增加幀結(jié)構(gòu)信息、幀類(lèi)型、字節(jié)長(zhǎng)度和標(biāo)識(shí)符等生成CAN報(bào)文格式，然后由CAN控制器的發(fā)送緩沖區(qū)發(fā)送出去；在CAN中斷程序中，微處理器對(duì)接收的有效CAN報(bào)文進(jìn)行解析，提取出字節(jié)長(zhǎng)度和字節(jié)內(nèi)容，通過(guò)增加數(shù)據(jù)頭、數(shù)據(jù)尾和校驗(yàn)和轉(zhuǎn)換為RS232通信格式，完成數(shù)據(jù)傳輸。5 結(jié)束語(yǔ) 該設(shè)計(jì)已應(yīng)用于筆者開(kāi)發(fā)的項(xiàng)目一某型低空紅外預(yù)警系統(tǒng)。用CANRS232通信轉(zhuǎn)換模塊將CAN總線收到的角度傳感器測(cè)出的空中目標(biāo)方位角和高低角(10 ms一組測(cè)角、波特