一种can总线扩展接口的制作方法
【专利摘要】本实用新型创造提供了一种CAN总线扩展接口，包括控制芯片、串口收发模块、CAN收发模块、逻辑开关量输入单元、逻辑开关量输出单元、模拟量输出单元、脉冲量输出单元和电源管理单元；电源管理单元与各个器件电连接；串口收发模块通过收发串行数据信号与控制芯片通信连接；CAN收发模块通过收发CAN总线信号与控制芯片通信连接；逻辑开关量输入单元向控制芯片输入开关量信号；控制芯片通过逻辑开关量输出单元输出开关量信号；控制芯片通过模拟量输出单元输出模拟量信号；控制芯片通过脉冲量输出单元输出脉冲量信号。本实用新型创造所述的CAN总线扩展接口，具有兼容性高，灵活性好的特点，适用于各种型号与各厂家的模拟量或脉冲量可控的运动单元。
【专利说明】
一种CAN总线扩展接口
技术领域
[0001]本发明创造属于CAN总线控制接口技术领域，尤其是涉及一种CAN总线扩展接口。
【背景技术】
[0002]随着国内工控领域各类应用的发展，基于总线型的多轴运动控制方式已经慢慢变成趋势，各类自动化控制巨头对此都有整体方案，但控制成本颇高，非总线型运动单元更无法参与其中，例如卢宗春.基于CAN总线太阳跟踪多轴运动控制系统的研究与应用[D].2011，p20，是应用运动控制器与驱动器通过CAN0PEN的方式实现多轴联动。为非总线型电机提供CAN总线接口扩展，多具有专用性，只适用于某个或某种类型运动单元，例如论文郭光磊.基于CAN总线的分布式多轴运动控制系统通信系统设计与实现[D].2008，P3-43和论文舒志兵，张杰.基于CAN总线的网络化运动控制系统的研究[J].机械设计与制造，2008，
(I)中所提到的CAN接口专门面向某种伺服单元。
[0003]各厂家为了实现对总线型的复杂多轴运动的自动控制，往往需要投入较高的成本进行运动单元与控制器件的搭配，而在搭配的同时，极可能混用不同厂家的设备，这就很容易碰到兼容性问题;军工行业的研发人员为了实现运动单元的高速精密运动，一般使用国外高端控制器，这就极可能存在未知的安全与泄密隐患，而非总线型驱动器及电机也很少应用到此类控制当中，所以既能解决兼容性问题又能对运动单元进行精确控制的CAN总线扩展接口的研发刻不容缓。
【发明内容】
[0004]有鉴于此，本发明创造旨在提出一种CAN总线扩展接口，为普通脉冲或模拟量可控的电机及其驱动器或变频器提供CAN总线扩展功能，同时结合控制单元及传感器等器件，实现了基于bxCAN总线的多轴的灵活组网。
[0005]为达到上述目的，本发明创造的技术方案是这样实现的:
[0006]—种CAN总线扩展接口，包括控制芯片、串口收发模块、CAN收发模块、逻辑开关量输入单元、逻辑开关量输出单元、模拟量输出单元、脉冲量输出单元和电源管理单元；
[0007]所述电源管理单元上设有电源接入口和电源输出口，所述电源输出口分别与所述控制芯片、串口收发模块、CAN收发模块、逻辑开关量输入单元、逻辑开关量输出单元、模拟量输出单元和脉冲量输出单元电连接；
[0008]所述串口收发模块通过收发串行数据信号与所述控制芯片通信连接；
[0009]所述CAN收发模块通过收发CAN总线信号与所述控制芯片通信连接；
[0010]所述逻辑开关量输入单元向所述控制芯片输入开关量信号；
[0011]所述控制芯片通过所述逻辑开关量输出单元输出开关量信号；
[0012]所述控制芯片通过所述模拟量输出单元输出模拟量信号；
[0013]所述控制芯片通过脉冲量输出单元输出脉冲量信号。
[0014]进一步的，所述控制芯片为基于ARM7的嵌入式芯片，该嵌入式芯片型号为STM32，该嵌入式32位单片机的STM32增强型，应用Cortex-M3内核，最高主频为72MHz，并拥有2条APB总线。
[0015]进一步的，所述串口收发模块包括串口电平转换模块，所述串口电平转换模块与所述控制芯片通信连接。
[0016]进一步的，所述CAN收发模块包括CAN收发器和第一隔离电路，所述CAN收发器通过第一隔离电路与所述控制芯片信号连接。
[0017]进一步的，所述逻辑开关量输出单元包括驱动电路和第二隔离电路，所述驱动电路接收所述控制芯片的输出信号后驱动输出至第二隔离电路的输入端，经第二隔离电路调制后由该第二隔尚电路的输出端输出开关量信号。
[0018]进一步的，所述逻辑开关量输出单元为12路逻辑控制输出。
[0019]进一步的，所述逻辑开关量输入单元为8路逻辑控制输入。
[0020]进一步的，模拟量输出单元包括放大电路和第三隔离电路，所述放大电路接收所述控制芯片的输出信号后放大输出至所述第三隔离电路的输入端，经该第三隔离电路调制后由该第三隔尚电路的输出端输出模拟量信号。
[0021]进一步的，所述电源输入口包括5V电源输入口和24V电源输入口。
[0022]进一步的，所述电源输出口包括正负12V电源输出口、3.3V电源输出口和1.6V电源输出口，且所述正负12V电源输出口、3.3V电源输出口和1.6V电源输出口之间相互隔离。
[0023]进一步的，所述CAN总线扩展接口还包括定时器，所述定时器与所述控制芯片信号连接，并与所述电源管理单元电连接。
[0024]相对于现有技术，本发明创造所述的具有以下优势:
[0025](I)本发明创造所述的CAN总线扩展接口，实现了运动控制系统的灵活搭建，使得控制单元及运动单元的选择更为广泛，使得复杂多轴配合运动的控制方式不仅仅局限在选用品牌中较为高端的总线型运动控制器和总线伺服电机，也可以应用扩展CAN卡的工控机或PC机和步进电机等较低成本组合来完成。
【附图说明】
[0026]构成本发明创造的一部分的附图用来提供对本发明创造的进一步理解，本发明创造的示意性实施例及其说明用于解释本发明创造，并不构成对本发明创造的不当限定。在附图中:
[0027]图1为本发明创造实施例所述的CAN总线扩展接口连接结构示意图；
[0028]图2为本发明创造实施例所述的CAN总线扩展接口应用示意图；
[0029]图3为本发明创造实施例所述的CAN总线扩展接口工作流程图。
[0030]附图标记说明:
[0031 ] 1-控制芯片;2-串口收发模块;21-串口电平转换模块;3-CAN收发模块;31-CAN收发器;32-第一隔离电路;4-逻辑开关量输入单元;5-逻辑开关量输出单元;51-驱动电路；52-第二隔呙电路；6-模拟量输出单兀;61-放大电路;62-第三隔呙电路；7-脉冲量输出单元;8-电源管理模块;9-定时器。
【具体实施方式】
[0032]需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明创造中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0033]在本发明创造的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明创造和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明创造的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明创造的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
[0034]在本发明创造的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接;可以是机械连接，也可以是电连接;可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明创造中的具体含义。
[0035]下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明创造。
[0036]如图1所示，本发明创造包括控制芯片1、串口收发模块2、CAN收发模块3、逻辑开关量输入单元4、逻辑开关量输出单元5、模拟量输出单元6、脉冲量输出单元7和电源管理单元8；
[0037]电源管理单元8上设有电源接入口和电源输出口，电源输出口分别与控制芯片1、串口收发模块2、CAN收发模块3、逻辑开关量输入单元4、逻辑开关量输出单元5、模拟量输出单元6和脉冲量输出单元7电连接；
[0038]串口收发模块2通过收发串行数据信号与控制芯片I通信连接，实现了该CAN总线扩展接口与编码器或者运动单元中的传感器等通过串行数据信号通信的器件之间的通信，实现了对CAN总线扩展接口内控制芯片I功能的调整以及对运动单元中状态数据的输入；
[0039]CAN收发模块3通过收发CAN总线信号与控制芯片I通信连接，使得该CAN总线扩展接口在连接运动单元后成为CAN网络节点，为模拟量或脉冲量可控的运动单元(包括变频器或驱动器和电机)提供CAN总线功能或者扩展后灵活的bxCAN总线功能，实现了控制芯片I与CAN网络中其他节点或者上位机控制单元之间的通信；
[0040]逻辑开关量输入单元4向控制芯片I输入开关量信号，逻辑开关量输入单元4为8路逻辑控制输入，该控制芯片I采用中断接收，运动单元的限位、报警等信号由控制芯片I通过所述逻辑开关量输入单元4应用中断形式监测；
[0041]控制芯片I通过逻辑开关量输出单元5输出开关量信号，该逻辑开关量输出单元5为12路逻辑控制输出；
[0042]为了适应更多驱动器与变频器，逻辑开关量输入单元4和逻辑开关量输出单元5应用光电隔离芯片实现5V、24V跳线可选。
[0043]控制芯片I通过模拟量输出单元6输出模拟量信号，模拟量输出单元通过应用减法器实现正负电压的输出，再通过应用放大器实现了模拟量信号输出的正负12V内可调；
[0044]控制芯片I通过脉冲量输出单兀7输出脉冲量信号。
[0045]控制芯片I为基于ARM7的嵌入式芯片，该嵌入式芯片型号为STM32，该嵌入式32位单片机的STM32增强型，应用Cortex-M3内核，最高主频为72MHz，并拥有2条APB总线用以连接丰富的外围设备。
[0046]串口收发模块2包括串口电平转换模块21，串口电平转换模块21与控制芯片I通信连接。
[0047]CAN收发模块3包括CAN收发器31和第一隔离电路32，CAN收发器31通过第一隔离电路32与控制芯片I信号连接。
[0048]逻辑开关量输出单元5包括驱动电路51和第二隔离电路52，驱动电路51接收控制芯片I的输出信号后驱动输出至第二隔离电路52的输入端，经第二隔离电路52调制后由该第二隔尚电路52的输出端输出开关量信号。
[0049 ]模拟量输出单元6包括放大电路61和第三隔离电路62，放大电路61接收控制芯片I的输出信号后放大输出至第三隔离电路62的输入端，经该第三隔离电路62调制后由该第三隔离电路62的输出端输出模拟量信号。
[0050]电源输入口包括5V电源输入口和24V电源输入口。
[0051 ] 电源输出口包括正负12V电源输出口、3.3V电源输出口和1.6V电源输出口，且正负12V电源输出口、3.3V电源输出口和1.6V电源输出口之间相互隔离。
[0052]CAN总线扩展接口还包括定时器9，定时器9与控制芯片I信号连接，并与电源管理单元8电连接。
[0053]如图2所示，本发明创造的一个应用实施例为多个该CAN总线扩展接口连接运动单元后分别接入CAN总线网络中，灵活组成运动控制系统，同时该CAN总线扩展接口还可以扩展为CAN卡与工控机或PC及连接，然后接入CAN总线网络中，作为上位机的网络节点。
[0054]如图3所示，本发明创造在运动单元为轴运动时CAN总线网络中的工控机控制运动单元的工作过程为:
[0055](I)控制芯片I控制该CAN总线扩展接口初始化；
[0056](2) CAN收发模块3由CAN总线网络中接收CAN总线信号，并将该CAN总线信号隔离输入控制芯片I ；
[0057](3)控制芯片I判断该CAN总线信号是否为新数据信号，若是新数据信号，则进入CAN总线接收中断，控制芯片I接收CAN总线信号并进入步骤(4)，若不是新数据信号，则判断该CAN总线信号是否传输超时，若传输超时，则CAN总线信号无效，运动单元零速钳位，若传输未超时，则重复步骤(2)和步骤(3);
[0058](4)控制芯片I复位定时器并判断CAN总线信号帧是否为错误帧，若是错误帧，则CAN总线信号无效，运动单元零速钳位，若不是错误帧，则进入步骤(5);
[0059](5)控制芯片I判断该CAN总线信号是否为终止信号，若是终止信号，则控制芯片I向运动单元发送终止信号，运动单元停止运动，若不是终止信号，则进入步骤(6);
[0060](6)控制芯片I判断该CAN总线信号是否为运动信号，若是运动信号，则先判断是否为零速，若是零速，则CAN总线信号无效，运动单元零速钳位，若不是零速，则控制芯片I通过模拟量输出单元6向运动单元发送模拟量控制信号，运动单元运动，然后重复步骤(2)至步骤(6 )，若不是运动信号，则进入步骤(7).’
[0061](7)控制芯片I判断该CAN总线信号是否为急停信号，若是急停信号，则控制芯片I通过逻辑开关量输出单元5向运动单元发送急停指令，运动单元停止运动，然后重复步骤
(2)至步骤(7)，若不是急停信号，则进入步骤(8);
[0062](8)控制芯片I判断该CAN总线信号是否为点动信号，若是点动信号，则控制芯片I通过脉冲量输出单元7向运动单元输送脉冲量信号，运动单元点动，然后重复步骤(2)至步骤(8)，若不是点动信号，则该信号控制芯片I无法识别，故控制芯片发送错误报告，然后重复步骤(2)至步骤(8)。
[0063]在上述工作过程中，步骤(5)、步骤(6)、步骤(7)和步骤(8)的先后顺序可以任意调换。
[0064]在上述工作过程中，CAN总线扩展接口定时对CAN总线信息进行监测，当CAN总线扩展接口中的定时器9到达一定时间，表明在该时间内输入控制芯片I中的CAN总线信号均不是新数据信号，即CAN总线信号异常，可能发生了持续性错误命令或上位机死机等紧急情况，此时控制芯片I立即停止所有在执行指令，同时向运动单元输送保护信号，停止运动单元的运动。
[0065]在上述运动过程中，表明运动单元运动状态信息的传感器信号等由串口收发模块2输入控制芯片I，限位信号、报警信号等由逻辑开关量输入单元4输入控制芯片1，载经过控制芯片I将传感器信号、限位信号、报警信号等信息处理后反馈至CAN总线网络中。
[0066]本发明创造所述的CAN总线扩展接口能够完成对CAN总线网络中运动运动控制指令的接收，并将其转换为运动单元可识别的脉冲量信号、模拟量信号和逻辑开关量信号的形式(还包括急停、点动等特殊运动控制指令)，同时将运动单元的运动状态信号(如报警、限位等)反馈至CAN总线网络中。
[0067]本实施例使得基于CAN总线的多轴复杂运动控制具有更好的灵活性，同时使得成本控制变得更加容易，总线上扩展不同类型的运动单元变得更加容易。
[0068]本发明创造具有兼容性高，灵活性好的特点，适用于各种型号与各厂家的模拟量或脉冲量可控的运动单元，使其成为CAN网络节点设备与其他CAN网络节点设备进行组网通信，使得非总线型的运动单元可以基于CAN总线实现多轴联动。
[0069]以上所述仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。
【主权项】
1.一种CAN总线扩展接口，其特征在于:包括控制芯片(I)、串口收发模块(2)、CAN收发模块(3)、逻辑开关量输入单兀(4)、逻辑开关量输出单兀(5)、模拟量输出单兀(6)、脉冲量输出单元(7)和电源管理单元(8); 所述电源管理单元(8)上设有电源接入口和电源输出口，所述电源输出口分别与所述控制芯片(1)、串口收发模块(2)、CAN收发模块(3)、逻辑开关量输入单元(4)、逻辑开关量输出单元(5)、模拟量输出单元(6)和脉冲量输出单元(7)电连接； 所述串口收发模块(2)通过收发串行数据信号与所述控制芯片(I)通信连接； 所述CAN收发模块(3)通过收发CAN总线信号与所述控制芯片(I)通信连接； 所述逻辑开关量输入单元(4)向所述控制芯片(I)输入开关量信号； 所述控制芯片(I)通过所述逻辑开关量输出单元(5)输出开关量信号； 所述控制芯片(I)通过所述模拟量输出单元(6)输出模拟量信号； 所述控制芯片(I)通过脉冲量输出单元(7)输出脉冲量信号。2.根据权利要求1所述的CAN总线扩展接口，其特征在于:所述控制芯片(I)为基于ARM7的嵌入式芯片，该嵌入式芯片型号为STM32。3.根据权利要求1所述的CAN总线扩展接口，其特征在于:所述串口收发模块(2)包括串口电平转换模块(21)，所述串口电平转换模块(21)与所述控制芯片(I)通信连接。4.根据权利要求1所述的CAN总线扩展接口，其特征在于:所述CAN收发模块(3)包括CAN收发器(31)和第一隔离电路(32)，所述CAN收发器(31)通过第一隔离电路(32)与所述控制芯片(I)信号连接。5.根据权利要求1所述的CAN总线扩展接口，其特征在于:所述逻辑开关量输出单元(5)包括驱动电路(51)和第二隔离电路(52)，所述驱动电路(51)接收所述控制芯片(I)的输出信号后驱动输出至第二隔离电路(52)的输入端，经第二隔离电路(52)调制后由该第二隔离电路(52)的输出端输出开关量信号。6.根据权利要求1所述的CAN总线扩展接口，其特征在于:所述逻辑开关量输出单元(5)为12路逻辑控制输出。7.根据权利要求1所述的CAN总线扩展接口，其特征在于:所述逻辑开关量输入单元(4)为8路逻辑控制输入。8.根据权利要求1所述的CAN总线扩展接口，其特征在于:模拟量输出单元(6)包括放大电路(61)和第三隔离电路(62)，所述放大电路(61)接收所述控制芯片(I)的输出信号后放大输出至所述第三隔离电路(62)的输入端，经该第三隔离电路(62)调制后由该第三隔离电路(62)的输出端输出模拟量信号。9.根据权利要求1所述的CAN总线扩展接口，其特征在于:所述电源输入口包括5V电源输入口和24V电源输入口，所述电源输出口包括正负12V电源输出口、3.3V电源输出口和1.6V电源输出口，且所述正负12V电源输出口、3.3V电源输出口和1.6V电源输出口之间相互隔离。10.根据权利要求1所述的CAN总线扩展接口，其特征在于:还包括定时器(9)，所述定时器(9)与所述控制芯片(I)信号连接，并与所述电源管理单元(8)电连接。
【文档编号】G05B19/04GK205620718SQ201620433295
【公开日】2016年10月5日
【申请日】2016年5月12日
【发明人】张坤, 刘丹, 李旭东, 王东
【申请人】天津航天机电设备研究所