1、 引言

隨著紡織工業技術進步，紡織機械日益趨向成套化、自動化和系統化。自動絡筒機是紡織工業上檔次的關鍵設備，起著承上啟下、改善紗線性能的重要作用，它是紡部的整理設備和織部的準備設備，機電氣一體化，自動化程度高，速度快，生產效率高。自動絡筒機是一種具有高速、高產、高效、高質和高自動化功能，并綜合了最新機械、電子、材料、儀表及計算機信息處理和控制等技術的機電一體化產品。自動絡筒機的出現，從根本上改變了普通絡筒機的面貌，其生產的筒子卷裝大，絡紗速度高，對紗線的絡紗全過程自動化控制程度和勞動生產率高，從而成為機械、電子、氣動、儀表和計算機信息處理相結合的高新技術產品。自動絡筒機是科技含量最高的紡織機械設備，有“紡織機械皇冠上的明珠”之稱。

CAN總線是一種有效支持分布式控制系統或實時控制的串行通信網絡，是一個多主總線，總線上的各個節點都有權隨時向其他節點發送信息，總線沖突時通過總線仲裁機制來決定占用總線的節點。CAN能夠使用多種物理介質傳播，例如雙絞線、同軸電纜、光纖等。最常用的就是雙絞線。CAN總線描述的是ISO/OSI七層協議中的第一層和第二層的高速協議。目前，CAN 總線的規范常見的是2.0A和2.0B版本。本自動絡筒機通信統中采用的是2.0B擴展幀，29位標志符。

CAN中的信號包括幀起始、仲裁場、控制場、數據場、CRC 場、應答場、幀結尾等部分。報文傳輸由數據幀、遠程幀、錯誤幀、過載幀、表示和控制。數據幀/遠程幀通過幀間空間相分隔。信號使用差分電壓傳送，兩條信號線被稱為“CAN_H”和“CAN_L”，靜態時均是2.5V左右，此時狀態表示為邏輯“1”，也可以叫做“隱性”。用CAN_H比CAN_L高表示邏輯“0”，稱為“顯性”，此時，通常電壓值為：CAN_H = 3.5V 和CAN_L = 1.5V 。

2、基于SJA1000的自絡筒通信系統設計

2.1、SJA1000簡介

SJA1000是Philips公司生產的獨立CAN 總線控制器，它是早期的PCA82C200 的替代產品。它與 PCA82C200在管腳、電氣特性上完全兼容，不僅有 和PCA82C200一樣的基本CAN （BasicCAN）工作模式，而且新增加了增強CAN （ PeliCAN）工作模式，這種模式支持具有很多新特性的CAN2. 0B 協議。SJA1000是一種應用于汽車和一般工業環境的獨立CAN總線控制器，經過簡單總線連接可完成CAN總線的物理層和數據鏈路層的所有功能。其硬件與軟件設計和PCA82C200的基本CAN模式BasicCAN兼容。同時，新增加的增強CAN模式PeliCAN還可支持CAN2.0B協議。SJA1000的主要特性如下 ：1、管腳及電氣特性與獨立CAN總線控制器PCA82C200兼容 ；2、軟件與PCA82C200兼容（缺省為基本CAN模式）；3、擴展接收緩沖器（64字節FIFO）；4、支持CAN2.0B時支持11和29位標識符；5、位通訊速率為1Mbits/s；6、增強CAN模式（PeliCAN）；7、采用24ＭＨｚ時鐘頻率；8、支持多種微處理器接口；9、可編程CAN輸出驅動配置；10、工作溫度范圍為-40~+125℃。

2.2、CAN通信系統中硬件設計

CAN控制模塊主要由接口管理邏輯、發送緩沖器、接收緩沖器（RXFIFO）、接收過濾器、位流處理器 （BSP）、位時序邏輯 （BTL）和錯誤管理邏輯（EML）組成。

本項目中自動絡筒機控制系統中共有60個單錠，通過上位機來對各個單錠進行控制，自動絡筒機中通信系統硬件框圖如圖１所示。

根據自動絡筒機通信系統的功能及要求，選SJA1000作為CAN控制器，并且使用了CAN控制器接口芯片PCA82C250，PCA82C250是CAN協議控制器和物理總線之間的接口。此器件對總線提供差動發送能力，對CAN控制器提供差動接收能力。整個系統以Atmel AVR單片機Mega64L。ATMEL公司的AVR單片機，是增強型RISC內載Flash的單片機，芯片上的Flash存儲器附在用戶的產品中，可隨時編程，再編程，使用戶的產品設計容易，更新換代方便。AVR單片機采用增強的RISC結構 ，使其具有高速處理能力，在一個時鐘周期內可執行復雜的指令。本系統采用的AVR mega64L還具有：用32個通用工作寄存器代替累加器，從而可以避免傳統的累加器和存儲器之間的數據傳送造成的瓶頸現象；一個時鐘周期執行一條指令；可直接訪問8M字節程序存儲器和8M字節數據存儲器寄存器等特點。因此，采用ATMEL公司生產的AVR位單片機Mega64L機作為控制系統的主控制器是十分理想的選擇。SJA1000在自絡筒通信系統中單錠的硬件配置與CAN總線接口的電路如圖 2示。硬件電路中使用 PCA82C250的目的是為了增大通信距離，提高系統的瞬間抗干擾能力，保護總線，降低射頻干擾，實現熱防護等。

SJA1000在電路中是一個總線接口芯片，實現從上位機PC-CAN接口到現場微處理器之間的數據通信。對于微處理器而言，SJA1000是一個總線接口，SJA1000片內的存儲單元相對Mega64L來說是片外的數據存儲器，因此，可以按照擴展片外數據存儲器的形式來訪問SJA1000的寄存器地址。Mega64L是CAN控制器的微處理器，把Mega64L的ALE、RD、WR和 SJA1000的ALE、RD、WR相連就構成一個最小系統節點。Mega64L通過地址總線經GAL譯碼來選通 SJA1000，并由此決定CAN控制器各寄存器的地址，通過讀、寫外部數據存儲器的形式來訪問 SJA1000。在系統中我們將SJA1000的TX1腳懸空，RX1引腳接地，形成CAN協議所要求的電平邏輯。該電路的主要功能就是通過CAN總線接收來自上位機的數據進行分析組態，然后下傳給下位機的控制電路實現控制功能，當智能控制系統接收到下位機的上傳數據，SJA1000的中斷輸出INT腳就會被激活，出現一個由高電平到低電平的躍變，產生一個中斷，從而引發微處理器Mega64L產生中斷，通過中斷處理程序接收每一幀信息并通過CAN總線上傳給上位機進行分析，以便及時糾正誤碼、錯碼。

在進行電路設計時需注意：為進一步提高系統抗干擾能力，在CAN控制器SJA1000和CAN控制器接口PCA82C250之間加接6N137光電隔離芯片，并采用DC-DC變換器隔離電源；通信信號傳輸到導線的端點時會發生反射，反射信號會干擾正常信號的傳輸，因而總線兩端兩個124歐姆電阻對匹配總線阻抗起著相當重要的作用，忽略掉它們，會使數據通信的抗干擾性和可靠性大大降低，甚至無法通信；PCA82C250第8腳與地之間的電阻RS稱為斜率電阻，它的取值決定了系統處于高速工作方式還是斜率控制方式。把該引腳直接與地相連，系統將處于高速工作方式。在這種方式下，為避免射頻干擾，建議使用屏蔽電纜作總線；而在波特率較低、總線較短時，一般采用斜率控制方式，上升和下降的斜率取決于RS的阻值。

2.3、系統軟件設計

本項目通信系統中軟件設計包括兩部分：上位機和下位機。上位機主要通過人機交互向ＣＡＮ總線發送信號給各單錠，下位機軟件主要是Mega64L接收ＣＡＮ總線信息后，完成控制單錠相應動作的任務，比如張力盤增加或是減少張力等等事件。這里主要介紹單錠中各CAN的軟件實現。

系統上電初始化：系統軟件設計的指導思想是系統上電后首先對Mega64L和SJA1000進行初始化，以確定工作主頻、波特率、輸出特性等，然后通過查詢方式獲取模數轉換采樣值，并把該值通過SJA1000傳送到CAN總線上由上位機進行顯示控制，CAN發送通過中斷方式向總線發送信息，而對CAN總線上來的信息也采用中斷方式，系統每接收到一幀信息，便產生一次中斷以觸發微處理器進入中斷，在中斷服務程序中讀取該幀信息并傳送到現場。為防止出現死機和干擾，程序中還采用看門狗技術進行定時監控。

對CAN控制器進行初始化，實際上就是對ACR（驗收碼寄存器）、AMR（驗收屏蔽寄存器）、BTR0（總線定時寄存器0）、BTR1（總線定時寄存器 1）、OCR（輸出控制寄存器）這些寄存器進行相關操作。只有當控制寄存器CR中的復位請求位為高時，訪問才被允許，否則既寫不進去，也讀不出正確的內容。對CR進行第一次寫操作，要設定將要開放的中斷類型，并置位復位請求，允許初始化開始。對ACR、AMR進行寫操作，要界定對什么樣的報文予以接收，因此有時稱它們為驗收屏蔽濾波器。當滿足條件：“ACR與報文標識符的高 8位在AMR為‘0’相關位上對應相等”或 “AMR=0FFH，即ACR的所有位均為不相關（或屏蔽）位”，并存在空的收發緩存器時，完整報文可被正確收發。

發送報文：當等待發送的報文成功發送或被放棄之后，發送緩沖區被釋放并產生一個發送中斷。在中斷處理中，必須檢查狀態寄存器的發送完成標志（TCS） ，以確定之前的發送是否成功。未成功表示發送被放棄，在這種情況下CPU對放棄的發送執行一個特殊的處理，例如重復發送被放棄的報文。中斷發送報文流程圖如圖３。

接收報文：對于給出的控制器，主要流程在中斷控制的報文接收之前必須使能CAN控制器的接收終端和CPU的全局中斷。接收中斷使能標志（RIE）位于中斷使能寄存器中。

如果CPU已經接收到一個報文，該報文通過驗收濾波器并放入接收FIFO，則產生一個接收中斷。這樣 CPU能夠立即響應，將這個接收到的報文送到自身的報文存儲器，并置位命令寄存器的釋放緩沖標志RRB。接收緩沖器中其他的報文將引起新的中斷，所以沒有必要在一次中斷過程中把接收緩沖器FIFO中的所有有效報文讀取出來。不過，在接收中斷過程結束時，CPU 可以通過讀接收緩沖期狀態標志（RBS）來檢查是否還有其他報文存在。這一點在使用接收級中斷（Receive Level Interrupt）時通常是有用的。如圖３所示，整個接收的過程可在中斷服務程序中完成而不需要與主程序發生交互作用。

3、總結

目前，自動絡筒機中大量地應用先進電子技術、自動控制技術等，對其通信控制系統也提出了更高的要求。CAN總線技術及其高性能、高可靠性及其獨特的設計，已成為現場總線家族中最有希望的總線技術之一。本系統中將高可靠性的CAN-bus和性價比高、處理能力強大的AVR有機結合，使自動絡筒機通信系統在傳輸速度、實時性、差錯率控制、可靠性上都有很好的效果。

本文作者創新點：CAN總線以其卓越的特性、極高的可靠性和獨特的設計，在工業過程監控設備的互聯方面得到廣泛的應用，受到工業界的廣泛重視，并被公認為是最有前途的現場總線之一。作為通用、有效、可靠及經濟的平臺，CA N總線也已經廣泛地受到了歡迎。本文所設計的基于Atmel ARV系列增強型單片機Meag64L和SJA1000控制器為核的CAN總線已經投入使用，具有簡單、靈活、使用方便等特點。

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