0 引言

　　隨著計算機信息技術的發展以及工業自動化技術的日趨成熟，人們對產品的質量與精度提出了更高的要求。產品加工出來以后再對產品進行檢測的方法由于廢品率高、自動化水平低、勞動強度大，已經不能滿足日益成熟的工業自動化要求。為了達到人們對產品提出的更高要求，一種新型在線檢測設備——主動量儀應運而生。此設備能夠在磨削加工過程中對工件的尺寸進行實時監測，并將測量結果反饋給磨床控制系統，從而在線加工過程中及時控制工件尺寸，減少了勞動強度，提高了自動化水平，降低了廢品率。因而，主動量儀在磨削加工過程中的應用得到了迅速的發展與推廣。

　　然而，國內外主動量儀由于受體積限制，測量通道數目均有限。例如中原精密Z3000系列主動量儀和東京精密PULCOM V10控制儀最多只有4個傳感器測量通道，只能同時實現4路現場信號的實時采集，限制了其在磨加工在線測控過程中的應用。

　　近年來，信息技術水平和工業自動化水平不斷提高，通信系統中的設備數量越來越多，對通信速率的要求越來越高。傳統的通信系統無法匹配逐漸趨于完善的計算機功能，對傳統通信系統的改進勢必增加成本，效果也不明顯，因此，開發一種新型的通信技術非常重要。現場總線技術就是在這種情況下產生的。它用一根總線將所有現場設備連接起來，實現了現場設備之間、現場設備與上位機之間的通信?，F場總線由于結構簡單、價格低廉、技術先進、適應工業現場惡劣的工作環境等特點，被廣泛應用于各個領域。通信協議也逐漸形成國際化標準。本文針對主動量儀的缺點，采用現場總線來擴展主動量儀的測量通道。通過常用現場總線之間的相互比較，最終采用CAN總線構建測量通道擴展系統方案，并通過實驗驗證了系統方案的可行性和有效性。

1 主動量儀結構與工作原理

　　磨加工主動量儀主要由測量裝置、驅動裝置以及控制器三部分構成，如圖1所示。傳感器是測量裝置的重要組成部分，主要用來將被測非電量信號轉化為電量信號，通常為電感信號。驅動裝置用來帶動測量裝置進入和退出測量工位。工件裝夾好以后，驅動裝置帶動工件進入測量工位進行加工，加工完畢以后，驅動裝置帶動工件退出測量工位，對工件進行裝卸?？刂破鲗y量裝置輸出的電感信號進行處理（整流、放大、濾波、A/D轉換等），發出粗磨、精磨、光磨、到尺寸等信號給磨床控制系統，磨床控制系統驅動磨床進給機構來控制工件的尺寸。

　　由于主動量儀摒棄了傳統檢測的缺點，在加工過程中就能對工件進行實時監測，因而在磨加工測控領域得到廣泛的應用。由于主動量儀的測量通道數目過少限制了其應用的進一步推廣，因此，擴展主動量儀的測量通道變得尤為重要。它可以通過一臺主動量儀實現多臺磨床的在線加工測量控制，從而降低產品加工的成本，提高生產效率，使主動量儀的功能更加強大。

2 主動量儀通道擴展方案設計

　　傳統DCS等系統由于結構集中、導線和連接附件繁多、環境適應性差等缺點，已經不能滿足工業自動化的要求，而現場總線的產生克服了傳統DCS等系統的上述缺點。因此，本文主要采用現場總線來實現主動量儀測量通道的擴展功能。下面對兩類常用的現場總線進行比較分析。

　　2.1 基于PROFIBUS-DP、CC-LINK總線測量通道擴展系統方案

　　基于PROFIBUS-DP、CC-LINK總線測量通道擴展系統方案設計如圖2所示。

　　采用主流PROFIBUS-DP、CC-LINK現場總線擴展測量通道，速度快，可達12 Mb/s，技術含量高。這類現場總線模塊貨源少，主要是國外產品，價格較高。采用傳統的站地址編碼方式，需要站地址等節點的信息，這種編碼方式使得系統不太靈活。

　　2.2 基于CAN總線測量通道擴展系統方案設計

　　基于CAN總線測量通道擴展系統方案如圖3所示。

　　采用主流CAN現場總線擴展測量通道，速度不如PROFIBUS-DP、CC-LINK現場總線快，可達1 Mb/s。這類現場總線模塊貨源多，國內外應用都比較普遍。它廢除了傳統的站地址編碼方式，代之對通信數據進行編碼，不需要站地址信息，系統顯得靈活，性價比高。

　　通過以上兩種現場總線測量通道擴展系統方案的設計與比較分析，最終選定CAN總線實現主動量儀測量通道的擴展。

3 硬件實現

　　本設計采用結構簡單、抗干擾能力強、便于編程、性價比高的STC89C52RC單片機作為測量通道擴展系統方案中的微控制器，采用SJA1000控制器、高速光耦6N137和CAN總線驅動器PCA82C250集成電路板作為系統方案中的CAN模塊。將CAN模塊的排針插到單片機上的孔槽中，實現CAN模塊與單片機之間的連接。這種連接方式減少了導線的數目，使系統變得簡單緊湊。STC89-C52RC單片機電路板上帶有RS232串口和USB接口，RS232串口具有向單片機下載程序以及與主動量儀連接的功能，USB接口用來向單片機供電。單片機通過程序控制來實現串口的初始化以及對各測量通道的數據采集。CAN總線通信控制器的硬件電路如圖4所示。

　　CAN總線接口電路主要包括CAN控制器SJA1000和CAN總線驅動器PCA82C250。為了增強總線節點之間的抗干擾能力，消除線路之間的串擾，在CAN控制器與驅動器之間采用高速光耦6N137進行光電隔離，硬件電路原理如圖5所示。SJA1000內置CAN2.0B協議，能夠實現CAN總線數據通信的全部特性，但其接口不能直接與CAN總線相連，信號不能直接在CAN總線上進行傳輸。CAN總線驅動器PCA82C250就是用來解決CAN控制器與總線連接的問題。它將數字信號轉化為高低兩種電平信號，實現了信號在CAN總線上的傳輸，將總線電平信號轉化為數字信號進行接收，提高了對總線差動發送和接收的能力。

4 軟件實現

　　軟件程序采用便于閱讀理解的C高級程序語言。采用Keil uvision4編譯器作為C語言的編譯環境，對程序進行編輯、調試、仿真等。采用STC-ISP燒錄軟件將編譯生成的Hex文件下載到單片機內執行。CAN控制器SJA1000的初始化是CAN總線系統軟件設計中極為重要的一部分內容。與傳統的匯編語言相比，C語言只要很少的語句就能完成SJA1000的初始化工作。Keil uvision4編譯環境為開發高性能程序奠定了基礎，大大縮短了軟件開發的周期。下面僅對CAN控制器的初始化作一描述。CAN控制器的初始化設置必須在復位模式下進行，主要包括對工作方式、代碼寄存器的接收、波特率參數、濾波方式的接收等內容的設置。初始化以后CAN控制器就可以回到工作狀態進行正常的通信任務。程序主流程圖如圖6所示。

5 實驗結果與分析

　　5.1 多測量通道數據的采集過程

　　本實驗針對主動量儀擴展了7個測量通道，鑒于篇幅限制，以兩測量通道為例來闡述對各測量通道數據進行采集的過程。根據程序設定單片機數碼管的前兩位顯示測量通道的節點號，后兩位顯示相應測量通道現場采集轉換后的數字信號。0號單片機在相鄰等時間段內，依次對測量通道1和測量通道2的數字信號進行采集。圖7為0號單片機正在采集測量通道1的數字信號過程。

　　5.2 多測量通道數據的顯示控制過程

　　為了使主動量儀能夠對擴展的各測量通道生產加工過程進行實時監控，便于統一管理，在原有主動量儀基礎上拓展開發了窗口8作為多測量通道數據的顯示控制界面。0號單片機對測量通道1的數字信號采集之后，通過RS232串口將數據實時傳遞到Z3000控制器的顯示控制界面上。依次類推，完成7個擴展通道的數據采集與顯示控制，然后重復循環整個過程。主動量儀根據數值判斷加工狀態，發送信號給磨床控制系統，從而控制工件的磨削過程。數據在主動量儀拓展開發界面上的顯示控制過程如圖8所示。

　　通過CAN總線技術擴展磨加工主動量儀測量通道，實現了CAN總線多測量通道與磨加工主動量儀之間的數據通信。該擴展系統簡單可靠、擴展性好、操作方便、性能穩定，實現了對多臺磨床在線加工過程的實時監控，降低了產品加工的成本，提高了生產效率，便于統一管理，滿足了工業自動化的需求，具有廣泛的應用前景。

參考文獻

　　[1] 張紹忠.基于SJA1000的CAN總線智能節點實現[J].電子技術應用，2006(8)：21-24.

　　[2] 尹寄明.基于CAN總線的智能傳感器開發與應用技術研究[D].南京：南京航空航天大學，2006.

　　[3] 史久根.CAN數據傳送實時性的研究及其應用[J].信息與控制，2004，33(3)：343-346.

　　[4] 嵇斗，王向軍.一種基于CAN總線技術的數據采集系統設計[J].微計算機信息，2006(32)：32-36.

　　[5] 陸前鋒.基于CAN控制器SJA1000的智能高速控制系統設計[J].電子設計應用，2003(Z1)：4-5.

　　[6] 鄔寬明.CAN總線原理和應用系統設計[M].北京：北京航空航天大學出版社，2002：21-23.

　　[7] 張培仁.基于C語言編程MCS-51單片機原理及應用[M].北京：清華大學出版社，2002：116-119.

　　[8] IAN B.Timely use of the CAN protocol in critical hard real-time systems with faults[J].IEEE Transactions on industrial electronics，2007，5(4)：48-51.

　　[9] THOMAS G J.An improved CAN field bus for industrial applications[J].Industrial Electronics，2008，14(7)：36-37.

　　[10] ROBERT P.Field bus bases[J].Computer Standard and Interface，2003，14(5)：32-36.