數(shù)字化舞臺(tái)布光燈具控制器的設(shè)計(jì) [日期：2004-12-8] 來源：電子技術(shù)應(yīng)用 作者：清華大學(xué)動(dòng)化系 呂景飛 李春丈 沈宇華 [字體：傳感器失效檢測(cè)等功能，并且可以與控制臺(tái)進(jìn)行雙向通訊，接收控制臺(tái)發(fā)來的指令或上報(bào)燈具狀態(tài)。

燈具控制器主要由位置測(cè)量、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、CAN總線通信接口等功能模塊組成，整體方案如圖1所示。它采用基于8051內(nèi)核、內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換電路的80C552作為主CPU。

燈具各自由度輸出轉(zhuǎn)軸裝有線性型精密電位器進(jìn)行位置測(cè)量(對(duì)于調(diào)焦測(cè)量，使用齒輪齒條機(jī)構(gòu)將直線位移轉(zhuǎn)換為角度位移)。電位器的活動(dòng)范圍為270度，使用10bitA／D轉(zhuǎn)換器，最高理論精度為270度／210=0．263度。

CPU將實(shí)測(cè)位置和控制臺(tái)傳來的設(shè)定位置進(jìn)行比較，計(jì)算出應(yīng)如何驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)。

電機(jī)的控制電路采用PWM方式，每個(gè)電機(jī)由一個(gè)H橋驅(qū)動(dòng)，效率高、發(fā)熱小、易于調(diào)試。由于要控制5個(gè)直流減速電機(jī)，因此需要5組雙相共10路PWM信號(hào)，由一片10通道PWM芯片生成。該芯片實(shí)際上是由新型的高速AVR單片機(jī)AT90s2313構(gòu)成的虛擬外設(shè)，通過軟件編程仿真PWM功能。80C552利用串口將各個(gè)通道的PWM值發(fā)送給AT90s2313，AT90s2313在內(nèi)存中生成相應(yīng)的PWM信號(hào)序列，定時(shí)向外輸出，實(shí)測(cè)PWM重復(fù)頻率為9．8kHz。程序中設(shè)計(jì)了特定算法，可以保證功率驅(qū)動(dòng)模塊的某個(gè)橋臂關(guān)斷后，對(duì)側(cè)橋臂要延時(shí)一段時(shí)間才會(huì)開通，避免由于開關(guān)速度的影響導(dǎo)致上下橋臂直通。

由于直流電機(jī)的啟動(dòng)電流和換向電流遠(yuǎn)大于正常工作電流，過高的啟動(dòng)電流除了會(huì)造成系統(tǒng)成本增加外，還有可能燒毀換向器；另外，直流電機(jī)的電磁力矩與電流成正比，過高的啟動(dòng)力矩也對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定不利。因此，在電路中設(shè)計(jì)了過流斬波裝置來限制啟動(dòng)電流。

使用現(xiàn)場(chǎng)總線進(jìn)行分布式控制是本系統(tǒng)的主要特色之一，本方案中選用了CAN總線，燈具對(duì)外連線除電源線外，只有一根屏蔽式雙絞線，布線方便、成本低廉、擴(kuò)展性強(qiáng)。CAN總線接口電路由通信協(xié)議控制芯片SJAi000和總線收發(fā)器82C250等組成。

由于每個(gè)燈具要有獨(dú)立的CAN總線地址，且每個(gè)電機(jī)、減速器、機(jī)械安裝尺寸均有一定的個(gè)體差異，因此不同的燈具上會(huì)有不同的控制參數(shù)。在設(shè)計(jì)中，應(yīng)盡量減少需要調(diào)整的參數(shù)，對(duì)于一定要調(diào)整的部分，應(yīng)將它們存儲(chǔ)在EEPROM中，每次開機(jī)讀取。

EEPROM中的參數(shù)關(guān)系到燈具控制器能否正常工作，一旦出廠，一股不建議更改。但是為了方便技術(shù)人員進(jìn)行調(diào)試，在電路中仍設(shè)計(jì)了開發(fā)人員接口，在現(xiàn)場(chǎng)無需拆下，且無需編程器就可以使用計(jì)算機(jī)串口讀取、修改EEPROM中的內(nèi)容。

2 CAN總線通信軟件的設(shè)計(jì)

CAN總線是德國(guó)Bosch公司在20世紀(jì)80年代初為解決現(xiàn)代汽車中眾多的控制與測(cè)試儀器之間的數(shù)據(jù)交換問題而開發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信總線，是最早在我國(guó)得到應(yīng)用的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。它實(shí)現(xiàn)了ISO／OSI七層模型中的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，總線上任何節(jié)點(diǎn)均可主動(dòng)向其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，數(shù)據(jù)采用短幀結(jié)構(gòu)，最長(zhǎng)8個(gè)字節(jié)，不易受干擾，故障節(jié)點(diǎn)可自動(dòng)脫離總線。

CAN總線通信控制器SJAl000由82C200發(fā)展而來，它兼容82C200的電氣特性和工作模式，并對(duì)功能進(jìn)行了擴(kuò)展。它集成子CAN協(xié)議的數(shù)據(jù)鏈路層的全部功能，可自動(dòng)完成數(shù)據(jù)編碼、成幀、沖突檢測(cè)、循環(huán)冗余校驗(yàn)、出錯(cuò)重傳等工作�？偩�收發(fā)器82C250負(fù)責(zé)竹l電子和CAN總線差分電平之間的轉(zhuǎn)換。

CAN總線軟件包主要包括初始化函數(shù)、發(fā)送函數(shù)和接收中斷函數(shù)。

初始化函數(shù)的主要工作流程見圖2。

SJA1000有兩種工作狀態(tài)：復(fù)位狀態(tài)和正常狀態(tài)。復(fù)位狀態(tài)在上電后直接進(jìn)入，也可以通過軟件置位進(jìn)入。SJAl000的所有初始化操作需在復(fù)位狀態(tài)完成。其中，接收濾波碼來自EEPROM，每個(gè)燈具有不同的接收濾波碼；為配合82C250，輸出模式寄存器設(shè)置成推挽模式，正極性輸出。初始化完成后，轉(zhuǎn)入正常狀態(tài)，填寫發(fā)送緩沖區(qū)，釋放接收緩沖區(qū)，即可正常發(fā)送接收。

發(fā)送函數(shù)首先判斷上次發(fā)送是否完成，若完成則在緩沖區(qū)內(nèi)填寫新的數(shù)據(jù)，啟動(dòng)發(fā)送；否則等待直至超時(shí)，發(fā)送完成與否由狀態(tài)寄存器指示。

接收函數(shù)采用中斷方式，SJAl000內(nèi)部包含深度為64字節(jié)的接收FIFO緩沖區(qū)，芯片無需CPU的干涉就可以自動(dòng)對(duì)收到的信息