题目：基于双CAN总线的数字伺服通讯协议研究

数字伺服通讯协议是用于数字伺服和传动系统控制的网络通讯协议，能够实现控制单元和数字伺服驱动器及相关设备之间的实时数据通讯。数字伺服通讯协议在数控机床和数控机械中都得到了广泛的应用，带来设备结构的变革。但是，目前数字伺服通讯协议存在的多种标准都过于复杂，开发难度大，核心技术均被一些国外自动化设备厂商所控制，设备成本高，使用费用大，不适合我国目前的技术发展水平。CAN总线作为国际标准ISO11898，已经在工业控制领域得到了广泛的应用。在国际上，一些自动化设备厂商已经将CAN总线应用于数字伺服驱动器的控制，形成了多种基于CAN总线的应用层协议。国内也有这方面的尝试研究，但是还没有形成行业规范。本文在对数字伺服通讯协议的应用和关键技术分析的基础上，定义了一种基于双CAN总线的数字伺服通讯协议，为建立我国自主版权的数字伺服通讯协议迈进了一步。主要研究内容如下：介绍数字伺服通讯协议的研究现状，着重介绍了数字伺服通讯协议国际标准SERCOS——IEC61491以及其它一些流行的通讯协议，如PROFIBUS-DP、CC-Link、MACRO等，在此基础上详细论述了数字伺服通讯协议的关键性能，包括通讯的可靠性、实时性和时钟同步性等，并给出一些典型的实现方法。分析了CAN总线协议的基本内容和应用特性，指出在特定领域使用CAN总线时，必须定义基于CAN的应用层协议，并给出定义CAN应用层协议时需要解决的关键问题。为了将CAN总线应用于实时性要求比较高的场合，制定了时间触发CAN——TTCAN协议。这些研究成果的广泛应用以及仍然在研究的CAN总线技术表明了CAN总线具有强劲的生命力。制定了基于双CAN总线的数字伺服通讯协议CANsmc（CAN for synchronous motion control）。CANsmc协议采用主从式的双通道网络，分别定义为指令通道和状态通道，网络由一个主站和最多61个从站组成。协议以通用的CAN总线芯片为硬件基础，利用CAN芯片通讯数据帧的描述符定义出CANsmc的电报头，电报头用于区分电报类型，电报寻址，并决定从站运行方式。CANsmc共定义了三种电报类型：主站同步电报MST、主站数据电报MDT和伺服电报DT。主站通过指令通道向从站发送MST和MDT，从站在收到MDT后通过状态通道向主站反馈DT，实现了带有广播同步电报的轮询式周期性通讯。CANsmc协议支持的从站运行方式有：位置控制、速度控制、回参考点控制、读取位置指令源编码器计数值、PLC-IO控制和读写从站参数。最后，设计了一个基于CANsmc的实验系统。控制单元为工业控制PC计算机，CANsmc主站通讯卡插在PC机主板的ISA接口上。控制单元和主站通讯卡通过双端口存储器DPRAM交换数据。主站通讯卡用ATMEGA128单片机实现CANsmc的主站通讯协议，并负责处理应用数据。从站通讯卡使用ATMEGA162单片机实现从站的通讯协议，并可以通过自定义的扩展接口扩展伺服位置控制卡或开关量输入输出控制卡等设备卡，完成位置控制、速度控制、回零、IO控制等数控机械控制功能。控制系统经过协议内容测试和电磁兼容测试试验，结果证明，CANsmc协议性能优异，可以用于先进工业机器人和数控机床控制系统。