ARM工控核心板在横机人机控制系统中的应用

图1 横机人机控制系统

1.1 横机人机控制板功能需求

横机电控系统中包括人机控制板和主控板两个硬件平台。

主控板对实时性要求高，一般采用前后台系统或者是实时操作系统，主要完成对花型文件指令的解析和运动控制单元的逻辑控制。

人机控制板完成参数设置、状态查询、花型文件管理等人机交互过程，一般采用支持WinCE或Linux操作系统的工控平台实现，功能需求：

l LCD液晶显示接口，接VGA显示器；

l CAN总线接口，与电机控制板、机头控制板通信；

l USB Host，通过U盘进行花型文件更新；

l TF卡，数据存储；

l 以太网接口，联网上传数据；

l RS-485接口，备用。

1.2 横机人机控制板设计难点 1. 机头控制板失控与CAN总线通讯失败

横机运行环境中不仅有强电、静电，也包括大量电机产生的干扰信号。客户原CAN总线网络中存在严重的共模干扰，异常现象：

l 开机后CAN总线通讯失败；

l 运行过程中机头控制板概率性失控。

CAN总线电路设计不当，极易出现总线通讯不良甚至损坏整个CAN网络系统。

2. VGA显示画面色彩失真与水波纹

工业现场VGA显示器常见异常包括画面颜色失真，显示出现百叶窗或水波纹等，均与VGA电路设计有关。VGA为模拟信号，输入包括RGB信号、行同步、帧同步信号等，接口连接器同时引入电流环路互感的串扰，设计不当易造成界面显示水波纹、色彩失真等，威胁用户体验效果的提升。

3. CAN总线应用程序编程

新平台CAN应用软件开发如何快速入门？怎样解决不同平台间的软件移植？相对于以太网、串口等标准的应用函数接口，不同的CAN控制器、不同厂家提供的CAN驱动操作接口各不相同，对用户应用软件的开发、跨平台软件移植提出了相对苛刻的要求。

1.3 我们的设计实现

基于客户的功能需求与产品设计的困扰，致远电子采用模块化设计思路，基于M3352核心板快速完成了人机控制板的开发，产品如图2所示。

图2 基于M3352设计的人机控制板

人机控制板实现框图如图3所示。

图3 人机控制板实现框图

人机控制板设计难点解析：

1. CAN总线接口电路实现

CAN总线设计采用致远电子成熟电路，同时外接CAN总线隔离收发器，具备电源隔离、信号隔离和总线保护的作用，电路如图4所示。

在开机启动过程中，此设计可以保证人机控制板的CAN总线被强制上拉为高电平（隐性电平），避免系统长时间输出的低电平信号（显性电平）导致总线通讯失败或网络瘫痪。同时，此设计具有隔离与总线保护功能，可避免由于浪涌、干扰引起的总线错误与设备失控。

图4 CAN总线电路

2. VGA接口电路实现

VGA 电路采用专用10位视频D/A转换器件SDA7123，完成RGB三基色的信号转换。匹配电阻R58与R64用于降低信号反射，以保证行同步信号（HSYNC）与帧同步信号(VSYNC)的传输质量。接口滤波电路则用于解决电流环路互感引起的串扰。从信号转换、数据传输到滤波电路整体专业的设计，将有效避免水波纹和色彩失真等异常现象的发生。

3. CAN总线接口应用程序编程

M3352板载所有外围接口的驱动程序，免费提供软件API接口与开发示例源码，便于用户快速掌握CAN总线等复杂通讯的编程方法。如程序清单1所示，CAN设备的操作几行代码即可实现。

程序清单1 CAN接口编程示例

#include "ControlCan.h"

int nDeviceType = 6; /* 设备类型CAN*/

int nDeviceInd = 0; /* 第一路CAN*/

int nReserved =500; /*波特率500K*/

DWORD dwRel;

dwRel = VCI_OpenDevice(nDeviceType, nDeviceInd, nReserved); /*打开CAN设备*/

……

1.4 经验分享

横机项目中客户经常采用CAN总线通信方式，但通信电缆由多股细铜线组成，线缆之间没有双绞，也缺少屏蔽，导致实际应用中共模干扰严重，通过CANScope分析仪的FFT统计分析，干扰频率约为15KHz，幅值高达5V，耦合能量极强，致使CAN数据帧的错误率达到72%，根本不能进行正常传输。

改进建议：

l 将CAN通信电缆换成紧密的双绞线(每米33绞），带屏蔽；

l CAN节点采用CTM系列隔离收发器进行设计，与CAN总线进行隔离并增强总线保护功能。