基于MC68376与CAN总线的电液伺服机构测试系统的设计

摘　要：本文采用带TouCAN、具有较强功能模块的MC68376单片机，实现了电液伺服机构测试系统的设计，实现了对电液伺服机构各项性能的测试，并能监测测试进程。介绍了MC68376的各模块功能在电液伺服机构测试系统中的应用，以及在该测试系统中CAN通信软件及相关接口电路的设计。

关键词：MC68376；CAN总线；电液伺服机构测试

电液伺服机构的功率大、油压高、噪音大、有一定的危险性，对其进行测试时，出于安全和一些特殊要求考虑，要求测试人员和伺服机构保持一定的距离。随着计算机、现场总线技术的发展，为电液伺服机构测试系统的设计提供了良好的基础。基于以上情况，要求设计的电液伺服机构测试系统能进行远程测试，具有测试数据的实时显示、监测以及数据的储存、现场动态紧急处理等功能。

CAN 总线技术协议及规范

CAN总线作为一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络，具有如下特点：数据传输可靠、实时性高、传输速率高、误码率低、系统的可靠性高、系统鲁棒性好、允许多主网络存在。CAN 遵从OSI模型，结构划分为两层：数据链路层和物理层。传输介质为双绞线，CAN 系统内两个任意节点之间的最大传输距离与其位速率有关，通信速率可达1Mbit/ s/40m，直接传输距离可达10km/5Kbit/s。CAN总线的最大特点是它废除了传统的站地址编码，而代之以通信数据块编码和报文滤波。CAN通信协议规定了4种不同的帧格式，即数据帧、远程帧、错误帧和超载帧。数据段长度最多为8个字节，可以满足控制系统中控制命令、工作状态、测试数据的一般要求。

CAN 技术规范版本2. 0包括两部分内容：版本2. 0A描述在CAN技术规范中定义的CAN报文格式。版本2.0B描述标准和扩展格式两种报文格式。CAN协议具有标准信息帧和扩展信息帧两种格式，区别在于标准帧采用11位标识符( ID) ，而扩展帧采用29位标识符。

电液伺服机构测试系统的构成

系统测试的电液伺服机构是某飞行器控制系统的执行机构，在系统中有重要的地位，它按控制系统加的控制信号动作。为了保证电液伺服机构的性能，每台电液伺服机构都要进行严格的性能测试。测试系统主要对电液伺服机构的下面项目进行性能测试:伺服机构的零位、油面高度和充气压力、电机电压和电流、伺服阀的入口压力、建压时间、零漂电流、灵敏度、速度特性、位置回环、频率特性、主油泵测试等。

电液伺服机构的测试系统由PC机(上位机) 、PC-CAN适配卡、控制器等构成，如图1所示。控制器与PC机(上位机) 通过PC-CAN适配卡进行通信，它们之间通过双绞线连结。控制器需要采集电液伺服机构中位移传感器、压力传感器的输出信号以及电机的电流信号等。控制器括：MC68376 单片机、信号调理模板、伺服放大器等模块。信号调理模板来适当调整信号的输出范围和进行信号的虑波整形等。伺服放大器给伺服机构的电液伺服阀提供电流。

图1 　电液伺服机构测试系统组成

MC68376 及在该测试系统中的应用

MC68376是32位的CPU(CPU32)，MC68376最高的工作频率为16. 78MHz。它由系统集成模块(SIM) 、时钟处理器( TPU)、可配置时钟模块(CTM4) 、队列串行模块(QSM) 、10 位的队列AD转换模块(QADC) 、3. 5KB的TPU仿真RAM模块(TPU-RAM) 、4KB的标准RAM模块(SRAM) 、8KB的掩蔽ROM(MRM) 和符合CAN2. 0B协议的CAN控制器模块(TouCAN)等构成。

系统集成模块(SIM) 控制单片机系统的初始化、软硬件配置和外部总线的连接。SIM提供一个周期性中断生成器，以支持实时控制程序的执行。中断定时器允许用户按预定周期生成指定级别的中断。每当编程时间间隔到达时，由PIT产生一个中断请求，这个功能用于安排具有时限要求的控制系统任务。在本测试系统中周期性中断(PIT) ，可用于产生不同频率的正弦信号、方波信号和三角波信号等。利用产生设定频率的正弦信号进行电液伺服系统频率特性的测试。PIT频率= EXTAL频率/[ ( PIT模数)×(预分频因子)×4 ] ，又因为每个正弦信号要产生720个PIT， 即正弦信号的频率等于PIT频率/720。本电液伺服机构测试系统根据需要选取EX2TAL频率为60kHz，而PIT模数可为1～63，预分频因子设为1。即本系统可支持的0.4～20Hz的频率特性测试。

队列串行模块(QSM) 提供了两个串行通信接口:串行通信接口SCI和队列式串行外部接口QSPI。这两个子模块都能独立地完成传输操作。SCI用于异步串行通信，QSPI用于同步串行通信。QSPI有4个可编程外设选择线，只要加适当的译码电路就可使同步串行传输控制多达16个外部设备。在本测试系统中用它来和12位8通道的A/D转换器(MAX147) 和12位8通道的D/A转换器(MAX5306)相连。MAX147与MAX5306是都串行的A/D与D/A芯片。

TouCAN模块是一个实现CAN通信协议的通信控制器，即CAN控制器。其最高传输速度可高达1Mbit/s ，并且同时支持CAN协议中的标准(11位)和扩展(29 位) ID报文格式。TouCAN模块有16个用于发送和接收功能的报文缓器。TouCAN为MC68376片上集成的CAN控制器，是CAN通信的关键所在。表1为扩展(29 位)ID码格式的报文缓冲器结构示意。本课题采用扩展ID码。


TouCAN模块具有16个报文缓冲器，其中每一个缓冲器都既可以作为发送缓冲器，也可作为接收缓冲器。为了减少请求CPU32处理报文的次数，每个报文缓冲器均分配了一个独立的中断标志位，只要报文缓充器对应的中断屏蔽位被置位后，该缓冲器的报文成功发送或被接收后就产生相应的中断，通过设置TouCAN的中断构造寄存器(CANICR) 可以确定该中断程序的入口地址。

以频率特性测试为例，具体说明MC68376各功能模块在电液伺服机构测试系统中的应用。在测试前把正弦波等距离分成离散的720个点(两点间隔0. 5°) ，并计算出每一点的函数值先存在ROM中，输出不同周期的正弦信号时，输出两点函数值的时间间隔不同，其间隔时间就是周期性中断的周期时间。下位机通过CAN接收到上位机频率特性测试命令帧(该帧数据包括正弦波的周期、幅值等) 开始测试。程序计算出周期性中断的周期时间，设置好周期性中断的周期时间和中断向量后，产生周期性中断。

在一个周期性中断程序中，把一个函数值送入QSPI的发送RAM中， 同时设置好QSPI的命令RAM，启动QSPI，把数据送到MAX5306 D/A中，同时从A/D MAX147中采集位置传感器和压力传感器的信号。在720个中断周期中，通过QSPI依次发送720个函数值和采集720 次的位置传感器和压力传感器的信号，并把数据发送到上位机。在720个中断周期后进入下一个周期信号的频率测试。在测试中进行有关的测试数据的显示、存储。

电液伺服机构测试系统CAN 软件的设计

在本测试系统中，上位机的软件用Labview编程，Labview可以很好地编写图形界面，实现测试数据的显示及存储。上位机通过PCCAN 适配卡和下位机(控制器)通信。PCCAN为PC机的系统总线(并行) 和CAN总线(高速串行) 提供一个互连通道，在PCCAN上，面向PC系统开辟了1KB或2KB的高速双口RAM，直接映射到主机内存空间，可以实现CAN与主机PC的高速数据交换。

上位机完成测试项目的选择，设定相关测试参数(如正弦信号频率的设定、正弦信号幅值的设定、测试周期的设定等) ，然后把它们通过CAN总线传给控制器。在测试项目的选择上，既可选择需要的测试项目进行单独的测试，又可选择所有的测试项目连续进行测试。控制器把测试好的测试数据(如位置传感器的信号、压力信号、电流等) 通过CAN总线发给上位机，上位机将接收到的测试数据进行处理、显示、存储等。

下位机接受上位机通过CAN发来的命令确定测试项目、测试参数和停机等紧急处理命令。本系统中，16个报文寄存器可处理16个数据帧，并且不同数据放入不同的报文寄存器中。因此在接收中断服务程序中，很容易地判断中断是由哪个接收报文引起的。对于接收数据，本系统采用中断方式实现，一旦中断发生，即将接收的数据自动装载到相应的报文寄存器中，并转向相应的测试项目进行测试。

TouCAN控制器规定低地址的报文缓冲器对应的中断优先级较高地址的报文缓冲器对应的中断优先级高。这样可以设置低地址的报文缓冲器接受需紧急处理的命令。在测试系统中规定，紧急处理命令优先级最高(如在危险状况下的停机) ，同级别的命令按顺序执行。如果下位机正在进行项目测试时，遇到同级别的测试则等测试完了该项目后，同时把采集好的数据发送到上位机后再进行测试。

使用TouCAN，主要包括对CAN初始化、数据的接收和发送进行编程。对TouCAN模块进行初始化，主要的工作是设置位定时和初始化消息缓冲区。TouCAN用3个8位寄存器(控制寄存器CANCTRL1与CANCTRL2 、预分频寄存器PRES2DIV) 来设置CAN协议要求的位定时参数。本测试系统中总线长度根据需要选为40m，MC68376的工作频率为16.78MHz，CAN传输的波特率选为250Kbit/s ，预分频倍数为4。初始化消息缓冲区需要设定缓冲区的类型，符合CAN协议的ID、SRR、IDE、RTR、ID 屏蔽滤波寄存器和CAN 中断寄存器。初始化的流程如图2 所示。

图2 　CAN 初始化流程

数据的接收根据CAN总线应用层协议规定好ID的含义，通过设定3个屏蔽寄存器(1个全局的，2个特殊的)将需要的数据接收到消息缓冲区，不需要的过滤掉，再通过读当前消息缓冲区的ID确定数据所代表的含义。采用中断方式的CAN接收流程，如图3所示。

图3 　CAN 接收流程

数据的发送可以采用中断或定时的方式来实现。如果采用中断方式发送来接收数据，要涉及到中断向量的设置，方法为: 中断向量的高3 位来自CANICR 的IVBA[2∶0 ] ，低5 位由消息缓冲区的编号决定(为定值) 。采用中断方式的CAN 发送流程，如图4 所示。

图4 　发送流程

5 　测试系统硬件设计

5. 1 　电压采集电路
在测试系统中，电压采集电路要采集的信号是位置传感器、压力传感器，以及电流传感器等输出的电压信号。为保证电压测量的准确性，减少干扰，利用光电耦合器件进行隔离，构成了悬浮采样系统。电压隔离采样电路，如图5 所示。采集电路由光电耦合器、射级跟随器组成。由于采用利用了高性能的光电耦合器件及合理的电路设计，通过标定，电压测试的精度可达到千分之一。

图5 　电压隔离采样电路

5. 2 　CAN通信接口电路
MC68376单片机内部嵌入满足CAN2.0B规范的CAN控制器，所以不必扩展CAN控制器，如图6所示。82C250是CAN 总线收发器，它是CAN控制器与总线之间的接口器件，实现对总线的差动发送和差动接收。6N137为高速隔离器件，用于保护总线控制器。

图6 　单片机与CAN 收发器82C250 的接口电路

6 　结束语

电液伺服机构测试系统中采用了CAN(控制器局域网络) 总线技术，能对电液伺服机构进行远程测试，实现测试数据的实时显示、监测以及数据的储存、现场动态处理等功能。另外，由于采用的带Tou-CAN的MC68376 (32 位) 单片机中集成了许多强大的功能模块，较方便地实现了电液伺服机构的各项测试项目的测试，免去了信号发生器的使用，并具有体积小的特点。由于采用了CAN 总线技术，有利于根据需要扩展成分布式测试系统。