隨著電力電子技術、控制技術、網絡技術、計算機技術的發展，伺服系統也獲得了前所未有的發展機遇。伺服系統滲透在國民經濟中的各個領域，如數控機床，激光加工，機器人，大規模集成電路制造，辦公自動化設備以及軍用武器隨動系統等等。伺服技術本身的發展趨勢是開放化、網絡化、智能化伺服系統。

DeviceNet作為基于現場總線技術的工業標準開放網絡,為簡單的底層工業裝置和高層如計算機、PLC等設備之間提供連接。DeviceNet應用國際標準的控制局域網(CAN)協議,具有公開的技術規范和價廉的通信部件,使得其具有比其他現場總線低得多的開發費用。設備網采用總線供電方式,提供本質安全技術,廣泛適用于各種高可靠性應用場合。

本文主要研究基于DeviceNet的伺服系統的軟硬件設計。通過CAN總線、單片機和高性能電機控制器ADMC401進行數據傳輸與控制，使伺服電機的性能更加穩定,能更好更靈活地地應用于數控系統中。

CAN總線和DeviceNet協議的實現

CAN總線協議及特點

控制器局域網CAN為串行通信協議，能有效地支持具有很高安全等級的分布實時控制。CAN的應用范圍很廣，從高速的網絡到低價位的多路配線都可以使用CAN。在汽車電子行業中，使用CAN連接發動機控制單元、傳感器、防滑系統等，其傳輸速度可達1Mbps。同時，可以將CAN安裝在卡車本體的電子控制系統里，諸如車燈組、電氣車窗等，用以代替接線配線裝置。由于采用了許多新技術及獨特的設計，CAN總線與一般的通信總線相比，它的數據通信具有突出的可靠性、實時性和靈活性。其特點概括如下[1]:

l CAN為多主方式工作，網絡上任一節點可在任意時刻主動地向網絡上其他節點發送信息，而不分主從;

l 在報文標識符上，CAN上的節點分成不同的優先級，可滿足不同的實時要求，優先級高的數據最快可在134us內得到傳輸;

l CAN采用非破壞總線仲裁技術。當多個節點同時向總線發出信息出現沖突時，優先級較低的節點主動退出發送，而最高優先級的節點可不受影響地繼續傳輸數據，從而大大節省了總線沖突仲裁時間。尤其在網絡負載很重的情況下，不會出現網絡癱瘓情況(以太網則可能)。

DeviceNet協議及特點

DeviceNet是在1994年由美國的Allen Bredly公司開發的是基于CAN的一種現場總線，實現低成本高性能的工業設備的網絡互連。DeviceNet協議特別為工廠自動控制而定制，它在美國和亞洲扮演了非常重要的角色。在歐洲，越來越多的系統方案使用DeviceNet來實現。

DeviceNet規范在2002年12月被國家標準化管理委員會批準為中國的國家標準，于2003年4月開始實施。DeviceNet協議適用于最低層的現場總線，例如:過程傳感器、執行器、閥組、電動機起動器、條形碼讀取器、變頻驅動器、面板顯示器、操作員接口和其他控制單元的網絡。可通過DeviceNet連接的設備包括從簡單的擋光板到復雜的真空泵各種半導體產品。DeviceNet也是一種串行通信鏈接，可以減少昂貴的硬接線。DeviceNet所提供的直接互連性不僅改善了設備間的通信，而且同時提供了相當重要的設備級診斷功能，這是通過硬接線I/O接口很難實現的。DeviceNet具有多種特點[2]:

l DeviceNet基于CAN技術用于PLC與現場設備之間的通信網絡。它可連接開關、變頻調速設備、固態過載保護裝置、條形碼閱讀器、I/O和人機界面等，傳輸速率為125～500kbps;

l DeviceNet使用的通信模式是:消息產生者(Producer)和消息使用者(Consumer)。傳統的通信在消息傳送上采用的技術式指定數據源和目標地址。DeviceNet使用的模型更為有效，它可使控制數據同時到達控制的每一個單元，可以更有效地利用網絡的頻帶寬度。消息產生者一次發送的數據可被多個消息使用者使用，從而更有效的傳送數據;

l DeviceNet使用的通信協議為11位標識符，即所有的I/O消息都有自己的11位標識符ID，標識符ID分成四個消息組，各有不同用途ID中同時提供了多重優先權。工作時，總線上的設備監聽網絡上消息，當設備辨識出正確的標識符后，將接受該消息;

l DeviceNet上的每一個設備可以隨時連接或斷開，而不會影響其他設備的正常運行。真正的開放性使系統擴充和改型非常方便。

控制系統的構成

為了實現伺服系統的快速實時控制,系統在設計上采用了單片機+DSP雙CPU結構。在設計時將系統控制任務進行了劃分:DSP完成實時性要求高的伺服控制任務,FLASH結構的8位單片機89C51完成實時性要求比較低的管理任務,單片機和DSP之間的通訊采用并行數據方式,由FPGA實現。同時FPGA還要完成外部I/O信號管理、位置脈沖指令信號處理及計數、故障信號處理等功能。伺服控制系統的結構如圖1所示。由圖1可以看出,系統主要有以下幾部分:伺服控制中心ADMC401;外設接口FPGA+單片機89C51;主電路以及開關電源電路[3]。下面分別說明。

圖1 伺服控制系統的結構圖
DeviceNet通信接口部分

本文所設計的DeviceNet接口電路中，采用AT89C51ED2作為節點的微處理器，在CAN總線通信接口中，CAN通信控制器采用SJA1000，CAN總線驅動器采用82C250。

圖2為DeviceNet接口電路原理圖。從圖2中可以看出，電路主要由4部分構成:微控制器89C51、獨立CAN通信控制器SJA1000、CAN總線收發器82C250和高速光電耦合器6N137。微處理器89C51負責SJA1000的初始化，通過控制SJA1000實現數據的接收和發送等通信任務。

圖2 DeviceNet接口電路原理圖
為了增強CAN總線節點的抗干擾能力，SJA1000的TX0和RXO并不是直接與82C250的TXD和RXD相連，而是通過高速光耦6N137后與82C250相連，這樣就很好的實現了總線上各CAN節點間的電氣隔離，從而保護了系統電路以及總線的信號傳輸。從整體性能來說，系統設計具有很好的通用性和實用性。

微控制器AT89C51ED2用來實現通訊的應用層協議。它具有豐富的內存資源，4個8位I/O端口、3個16位定時/計數器、256字節暫存RAM、9個中斷源、4個優先級，此外還有2K EEPROM空間，系統不需要擴展外部程序存儲器便可滿足DeviceNet協議程序的容量要求。并且能夠在×2模式(6個時鐘/機器周期)下工作運行，本文中的設計即是在×2模式下。單片機通過訪問SJA1000的寄存器來實現和上位機的通信。CAN控制器SJA1000的接收寄存器和發送寄存器用于暫時存放接收和發送的數據。單片機發送數據則通過設置SJA1000的命令寄存器發送命令位，接收數據是通過中斷方式實現，SJA1000的INT引腳與AT89C51ED2的INT1引腳相連，使單片機能夠實時響應CAN的中斷請求。采樣周期2ms由AT89C51ED2的定時器中斷產生。