基于实时性优化的CAN总线织机分布式控制系统.pdf

《基于实时性优化的CAN总线织机分布式控制系统.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于实时性优化的CAN总线织机分布式控制系统.pdf（4页珍藏版）》请在三一文库上搜索。

1、第2 9 卷第l 期 2 0 0 8 年1 月 纺织学报 J o u m a l0 fT b x t i l eR e s e a r c h V 0 1 2 9N o 1 J a n 2 0 0 8 文章编号：0 2 5 3 9 7 2 1 ( 2 0 0 8 ) 0 1 0 1 1 4 0 4 基于实时性优化的C A N 总线织机分布式控制系统 戴国骏1 ，张翔1 ，高申勇2 ，张 颖1 ( 1 杭州电子科技大学计算机应用技术研究所，浙江杭州3 1 0 0 1 8 ； 2 浙江水利水电专科学校计算机与信息工程系，浙江杭州3 1 0 0 1 8 ) 摘要为了适应高速织机对电气控制系统通讯实时

2、性的要求，提出了基于c A N 总线的织机分布式控制系统。通 过分析c A N 总线的特性以及与R s 一4 8 5 总线的比较，说明织机采用c A N 总线具有优越性和可行性；同时针对影响 c A N 总线通讯实时性的因素，分别分析了c A N 协议本身固有缺陷和应用层协议c A N 0 p e n 在通讯实时性方面的不 足，提出c A N 网络实时性优化方法，并给出了实时c A N 0 p e n 协议的实现过程，及织机分布式控制系统结构。系统 运行结果表明，控制系统通讯出错率低，运行稳定，具有一定的应用价值。 关键词织机；控制系统；c A N 0 p e n ；分布式；实时性 中图分类号

3、：T S1 0 3 7文献标识码：A D i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e mO fl o o mb a s e d0 nr e a l t i m ep e r f o r m a n c e o p t i m i z e dC A N _ b u s D A IG u o j u n l ，z H A N Gx i a n 9 1 ，G A os h e n y o n f ，z H A N GY i n 9 1 ( 1 加舰把旷( 1 0 m p M 据r4 p p z 记o 幻n 加始y ，胁n 础甜D i o n 历泐瑙妙，胁n g

4、 勘M ，觋咖。增3 1 0 0 1 8 ，吼i n 口； 2 c o 唧“e r 勰d ，咖翮t i o 凡脚口n 础m ，Z 驴。增耽e rc o w e 兀，d M yo 蒯咖o e rc o f f 钟，胁嘞础，劢咖口昭 3 1 0 0 1 8 ，吼i M ) A b s t r a c tT bm e e tt h er e a l t i m ep e d o 砌a n c er e q u i r e m e n to fh 唔hs p e e dl o o m 7 sc o n t m ls y s t e m ， al o o m d i s t r i b u t e dc

5、 o n t r o ls y s t e mb a s e do nC A N - b u sw a sp r e s e n t e d T h r o u g ha n a l y z i n gC A N - b u s 7 sc h a m c t e r a n d c o 瑚p a r i n gw i t hR S 一4 8 5b u s ，i tc o n f i 瑚e dt he f e a s i b i l i t ya n ds u p e r i o r i t yo f 印p l i c a t i o no ft h eC A Nb u so nl o o m

6、； I na u s i o nt ot h ec o m m u n i c a t i o nr e a l t i m ep e d o n I l a n c e ，i ta n a l y z e dt h ei n h e r e n tl i I I l i t a t i o no fC A Np m t o c o la n d t h ed e f i c i e n c i e si n 印p l i c a t i o nl a y e rp r o t o c o lC A N 0 p e n ，an e t 、 o r kr e a l t i m eo p t i

7、 H l i z e dI n e t h o dw a sp r o p o s e d ， a n dt h er e a l i z i n gp m c e s so fp m t o c o lC A N O p e na n dt h ea r c h i t e c t u r eo fm p i e rl o o md i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m w e r ep r e s e n t e d T h er e s u l t so ft h ec o n t r o ls y s t e mm n n i n gi

8、 n d i c a t e dt h a ti th a dal o we r r o rm t eo fc o n n u n i c a t i o n a n dw o r k e ds t e a d i l y T h es y s t e mh a ss o m ea p p l i c a t i o nv a l u e K e yw o r d _ S 1 0 0 m ；c o n t r o ls y s t e m ；C A N O p e n ；d i s t r i b u t e d ；r e a l 一t i m ep e r f o 珊a n c e 随着织机

9、车速的提高，传统机械结构织机越来 越不能满足控制要求。目前，国外高档织机普遍采 用计算机技术、电子技术和自动控制技术对织机进 行机电一体化控制。如比利时P I G A N O L 公司的 G A M M A x 型和瑞士s u L z E R 公司的G 6 5 0 0 型剑杆织 机都采用先进的现场总线技术连接织机上各个子控 制模块，实现了织机各运动机构的实时同步控制，从 而使织机达到高度可靠的同步运动控制，织机的自 动化程度显著提高。 与国际先进水平相比，国内织机的机电一体化 水平不高。现有的国产织机电气控制系统一般仅采 用单处理器结构或采用基于R S 4 8 5 总线的单主机 集散控制结构，

10、存在功能简单、自动化水平较低、故 障率较高的缺点，难以满足高速织机对电气控制系 统的要求。 本文通过分析织机使用C A N 总线的可行性及 收稿日期：2 0 0 7 一0 4 3 0修回日期：2 0 0 7 0 9 2 0 基金项目：浙江省科技厅重点科研项目( 2 0 0 4 C 2 1 0 0 2 ) 作者简介：戴国骏( 1 9 6 5 一) ，男，教授，博士。研究方向为嵌入式实时控制系统软硬体系结构及应用。张翔，通讯作者，E m a i l g a v i n h d u e d u c n 。 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from

11、 www.PDFWatermarkR to remove the watermark 第l 期 戴国骏等：基于实时性优化的c A N 总线织机分布式控制系统 。1 1 5 。 优越性，针对C A N 协议和应用层协议C A N 0 p e n 在通 讯实时性方面的不足，提出优化方法，并给出了实时 性优化的c A N 0 p e n 协议的实现流程。以泰坦9 6 型 织机为控制对象，设计了基于1 6 位微处理器的c A N 总线织机分布式控制系统。 1C A N 总线在织机上应用 织机由五大运动机构及相关的辅助装置组 成旧31 。随着织机转速的提高，各运动机构中只有 打纬运动可直接通过机械传动实

12、现，其他运动机构 及辅助装置都需采用电气控制技术来适应织机的高 转速，因此织机的电气控制系统通常由多个功能各 异的子控制器和传感器组成。在工作过程中，功能 各自独立的各个子控制模块以织机主轴时序为基 准，相互协调完成同步运动，为使织机工作达到协调 和同步，各个子控制模块、传感器之间需进行实时通 讯传输数据。5 。 织机速度的提高和控制系统的进一步复杂化， 对控制网络的通讯实时性和可靠性提出了更高的要 求。传统的R s 一4 8 5 总线由于通讯速度慢，总线利用 率低，缺少可靠的容错机制，已经不能满足高速织机 对电气控制系统通讯实时性的要求。此外，R s 4 8 5 总线的单主机集散网络结构也不

13、适用于分布式现场 控制系统怕o 。C A N 现场总线是为适应多控制器或多 传感器之问通讯的需求而产生的串行通讯局域网 络。由于其具有通信速率高，实时性好，纠错能力 强，传输可靠性高等特点，已被广泛应用于复杂控 制系统中各个子控制系统之间进行数据通讯。川。 R S _ 4 8 5 总线与c A N 总线的性能比较如表1 所 示。与R s 4 8 5 总线相比，C A N 总线在实时性和可靠 性方面具有明显的优越性。 表lR S 4 8 5 总线和C A N 总线的性能比较 T a b 1P e r f o n n a n c ec 伽叩缸订s o no fR S 4 8 5b 啦a I l d

14、C A N - b l l s 性能R s 4 8 5 总线 c A N 总线 单节点成本 系统成本 总线利用率 网络特性 数据传输率 容错机制 节点错误影响 开发难度 后期维护成本 低稍高 高低 低高 单主网络多主网络 低 高 无可靠的错误处理和检错机制 整个网络瘫痪对整个网络无影响 标准M o d b u s 协议标准c A N _ b u s 协议，软件包支持 高低 高速织机控制系统是一种典型的现场控制应 用。c A N 总线在性能、维护成本和技术成熟程度等 方面都具有较大优势，能适用于织机的分布式控制 系统。 2 C A N 网络实时性优化方法 通讯实时性问题是高速织机电气控制系统的一

15、 个核心问题，现有C A N 协议中的一些规定影响了 C A N 网络通讯的实时性，为此本文分别分析了C A N 协议本身固有缺陷和应用层协议c A N 0 p e n 在通讯 实时性方面的不足，利用增加发送数据帧调度思想， 提出C A N 协议优化方法。 c A N 协议采用非破坏性冲突解决处理方式，在 c A N 网络中产生传输队列，按先后顺序定义队列中 信息的优先级。因此，在信息传输过程中，假如已有 其他等待时间更长的信息在c A N 总线上传输，或具 有更高优先级的其他信息竞争传输总线，此时信息将 产生延时。由此可知，该规定影响c A N 总线的通讯 实时性，产生这种影响的主要原因是c

16、 A N 协议规定 信息帧的优先级和其标识符绑定，为此它不能让共享 带宽的发送站点在优先级上处于平等的地位。随着 信息优先级的降低，其传输延时将单调增加。o 。 现有的c A N 应用层协议c A N O p e n 主要用来方 便现场组网和实现网络管理，从而使c A N 总线适用 范围更广，但c A N O p e n 没有解决随着控制网络复杂 化引发的C A N 通讯实时性问题。由于现有的C A N 总线控制器都将C A N 物理层和链路层协议固化，因 此无法通过改进c A N 协议本身解决通讯实时性 问题。 然而，目前大多数系统普遍采用F I F O 算法设计 c A N 节点驱动程序，

17、即先进入缓冲区的信息帧先被 发送到总线上。这种设计中高优先级c A N 节点的 信息帧必须等待缓冲区内未发送的信息帧全部完成 发送，才可参与总线占用权的竞争，由此剥夺了高优 先级信息帧的权利，影响通讯实时性。针对这一情 况，利用在c A N 驱动程序改进数据帧调度算法的思 想，通过增加发送数据帧调度算法，提出C A N 网络 实时性优化方法。 通过以上c A N 协议及c A N 0 p e n 协议的分析，本 文采取如下c A N 网络实时性优化方法，设计节点控 制器的c A N 驱动程序。 1 ) 对不同的优先级，放弃F I F O 机制，采用中断 子程序搜索发送缓冲区，使优先级最高即C

18、A N 标识 符最小的信息帧先发送。 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 1 1 6 纺织学报第2 9 卷 2 ) 对相同的优先级，各自建立F I F O 缓冲区，不 同优先级的信息帧放入相应的缓冲区，由中断子程 序先从高优先级的F I F 0 缓冲区中读取信息帧发送 到总线。 3 实时C A N O p e n 协议实现 本文提出基于c A N 总线的织机分布式控制系 统，采用c A N O p e n 协议作为C A N 总线应用层协议， 结合c

19、A N 网络实时性优化方法，给出了实时 C A N O D e n 协议实现过程。 基于c A N O p e n 协议的C A N 智能从节点软件设 计上主要包括以下几个部分：c A N 从节点数据帧标 识符分配和优先级划分，从节点状态转换，P D O 通讯 实现和c A N 发送中断子流程等。其中，c A N O p e n 信 息帧中的前4 位标识符表示信息帧的类型，其值表 示信息帧的优先级，数值越小优先级越大。图1 示 出C A N O p e n 从节点状态转换的流程图。 系统自动上电 图1C A N 0 p e n 从节点状态转换的流程图 F i g 1 S t a t ec o

20、n v e r s i o nn o wo fC A N 0 p e ns l a v en o d e 1 ) 从节点上电后，首先从节点自动初始化c A N 通讯接口、节点I D 、波特率等参数，即通讯初始化。 2 ) 然后自动进入节点初始化，调用初始化功能 模块，初始化一些特定的用户。 3 ) 完成初始化后，进入预操作状态。调用预操 作功能模块，循环执行用户程序。每个循环调用一 次接收消息功能模块，用来检查接收到的对象，并做 相应的处理，同时从节点可以执行服务数据对象 ( S e i c eD a t aO b j e c t s ，s D O ) 配置和设置参数，但是不 能发送处理数据对

21、象( P m c e s sD a t a0 b j e c t s ，P D O ) ，从 节点在远程节点管理对象( N e t w o r kM a n a g e m e n t ， N M T ) 报文来之前一直持续在预操作状态。 4 ) 若从节点收到启动N M T 报文后，进入操作状 态进行正常通讯，并发送P D 0 ，每个循环周期仍调 用一次接收消息功能模块。 5 ) 若从节点收到停止远程节点N M T 报文，从节 点进入了停止状态( S t o p p e ds t a t e ) ，从而停止P D 0 和 s D 0 通讯，但是每个周期仍调用一次接收消息功能 模块。 6 ) 当

22、从节点断电时，自动停止状态转换。 基于c A N 0 p e n 的C A N 从节点通讯主要包括发 送和接收报文，其中，从节点发送报文通过发送P D 0 方式实现。从节点发送P D O 方式分为事件触发方 式和同步触发方式。当发送处于事件触发方式时， 如果由于中断或是别的原因使某个本地变量状态发 生改变，就调用P D O 发送模块。首先存放将发送的 变量到对象字典，再把变量映射封装成P D O 对象， 发送到总线。当发送处于同步触发方式时，从节点 先等待同步帧的到来，收到同步帧后，再把P D 0 发 送到总线。 从节点接收报文模块主要处理c A N 总线传输 到从节点的各种类型报文，通过判断

23、报文类型，进行 相应的操作，从节点接受报文的流程如图2 所示。 图2C A N 0 p 朗从节点接收报文的流程图 F 培2 R e c e i v em e s s a g en o wo fC A N 0 p e ns l a v en o d e 最后，利用给出的C A N 网络实时性优化方法设 计C A N 发送中断子流程，对于不同优先级的信息 帧，在发送缓冲区搜索最高优先级的信息帧进行发 送，对于相同优先级的信息帧，则采用F I F O 机制进 行信息帧的发送。 4 基于C A N 总线的织机控制系统 基于c A N 总线的织机分布式控制系统结构如 图3 所示。控制系统主要包括运动控制

24、模块、传感 器模块和人机接口模块。其中，c A N 节点是C A N 通 讯网络的信息接收和发送站，各个控制模块、传感器 模块以c A N 节点的形式连接至C A N 总线，通过 C A N 总线进行相互通讯。 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 第1 期戴国骏等：基于实时性优化的c A N 总线织机分布式控制系统 1 1 7 图3 基于c A N 总线的织机分布式控制系统结构框图 F 培3 A r c h i t e c t u r eo fl o

25、o md i s t r i b u t e dc o n t m ls y s t e mb a s e do nC A N B u s 运动控制模块主要包括：主轴电机控制模块、电 子送经与电子卷取控制模块、开口控制模块( 电子提 花或电子多臂) 、电子选纬控制模块和电子储纬控制 模块。织机分布式电气控制系统的传感器节点包 括：经纱张力传感器节点、织轴光电编码器节点、断 经检测传感器节点、断纬检测传感器节点和织机手 动操作按键节点。织机的人机接口模块是操作人员 与织机交互的接口，用于监控织机的织造状态，并提 供用户输入织机相关织造数据的界面。 依据图3 的系统架构，以国产泰坦9 6 型剑杆织

26、 机为控制对象，设计了基于c A N 总线的织机控制分 布式控制系统。系统中的控制模块实现都基于英飞 凌( I n f i n e o n ) x C l 6 4 系列1 6 位微处理器，该系列芯 片集成C A N 总线控制器，实现的控制模块包括：永 磁无刷直流主轴电机模块、电子送经与电子卷取模 块、电子选纬和电子储纬模块；传感器模块采用低成 本I 确n e o nx C 8 6 6 系列8 位微处理器，该系列芯片集 成了C A N 总线控制器，实现的传感器模块包括经纱 张力传感器节点、织轴广电编码器节点、断纬检测传 感器节点和手动操作按键节点；显示模块采用L C D 显示屏，并扩展了c A

27、N 接口。各模块通过C A N 总 线连接，组成了织机分布式控制系统。 5结语 织机控制系统正朝着网络化、模块化的方向发 展，随着织机织造速度的提高，对织机控制系统的通 讯实时性和可靠性提出更高的要求，传统的R s 4 8 5 总线已经难以满足；c A N 总线凭借其通讯实时性 好、网络连接可靠等优点，已在高速现场控制领域取 得广泛应用。本文提出的基于c A N 总线的织机分 布式控制系统，采用模块化设计，各模块通过c A N 总线连接；同时在C A N 应用层增加了发送数据帧调 度算法，进一步提高了c A N 通讯实时性。控制系统 在织机上的运行结果表明，系统通讯出错率低，运行 稳定，具有一

28、定的应用价值。黼 参考文献： 1 陈元甫，洪海沧剑杆织机原理与使用 M 北京：中 国纺织出版社，2 0 0 5 ：5 4 2 2 肖卫兵智能化剑杆织机 J 上海纺织科技，2 0 0 3 ，3 l ( 2 ) ：2 8 3 0 3 史伟民剑杆织机机电控制系统研究 J 机电工程， 2 0 0 3 ，2 0 ( 5 ) ：1 8 5 1 8 7 4 赵斌基于c A N 总线的粗纱机控制系统 J 纺织学 报，2 0 0 6 ，2 7 ( 5 ) ：8 4 8 6 5 任军军，韦鳃，张仲超针织圆机的计算机集散控制系 统 J 纺织学报，2 0 0 5 ，2 6 ( 1 ) ：9 5 9 7 6 范辉R S

29、 4 8 5 总线与c A N 总线应用比较 J 上海电机 学院学报，2 0 0 5 ，8 ( 5 ) ：5 4 5 6 7 饶运涛现场总线c A N 原理与应用技术 M 北京：北 京航空航天大学出版社，2 0 0 4 ：1 4 1 8 8 李雅博，张俊智，卢青春混合动力电动汽车上c A N 网络设计实时性分析 J 汽车工程，2 0 0 5 ，2 7 ( 1 ) ：1 6 1 9 9 罗禹贡，董珂，李克强，等混合动力电动车c A N 协议 的实时性研究 J 高技术通讯，2 0 0 5 ，1 6 ( 4 ) ：3 8 7 3 9 0 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark