基于CANopen的铝合金板带快速电磁铸轧通信系统设计

3 系统硬件设计
3．1 网络系统结构
基于CANopen的通信系统由上位机与现场设备层的电源控制系统(包括三相特种电源控制系统与直流辅助电源控制系统)共同构成。上位机通过CAN现场总线与下位机进行通信，以实现实时监控与控制系统功能。各个子系统之间也通过CAN总线连接进行通信。通信网络拓扑结构采用总线式结构。其系统网络结构如图3所示。
3．2 下位机通信系统设计
基于“MCU+CPLD”的设计是当前数字电路研究开发的一种重要实现形式。本控制系统将MCU和CPLD相结合，以用于铝电磁场快速连续铸轧特种电源控制，并将其作为系统的控制核心。
MCU采用美国TI公司的MSP430F1611，该器件是16位超低功耗MSP430系列微控制器中的一款。MSP430系列单片机(或称为微控制器)是具有超低功耗特性且功能强大的单片机，它有多个子系列，其中MSP430F1x子系列是TI公司在2000年开发的、带FLASH的单片机，其存储器容量和片内外围模块随着具体型号的不同而不同，用户可以根据需要具体选择。其控制系统硬件框图如图4所示。

CANopen通信协议可由CAN通信控制器来实现。由于MSP430F16ll内部没有集成CAN控制器模块，因此需要在外围进行扩展。本设计选择美国Microchip公司的MCP2510作为系统的CAN总线通信控制器，图5所示为CAN总线通信接口电路。MCP2510是带有SPI接口的独立CAN控制器，它完全支持CAN总线V2．0A／B技术规范，通信速率为lMbps，芯片包含三个发送缓冲器和两个接收缓冲器，可以减少MCU的管理负担。CAN总线收发器采用的PCA82C250是CAN控制器与物理总线之间的接口，可以提供对总线的差动发送和接收功能。两个高速光电隔离器件TLPll3用来提高通信电路的抗干扰能力，防止总线上的干扰信号窜入控制器和MCU，同时也可以完成MCP25lO与82C250之间3．3V和5V电平的转换。

MSP430F16ll的USART接口可支持两种不同的串行协议，即通用异步协议(UART协议)和同步协议(SPI协议)。用控制寄存器UCTL中的控制位SYNC可选择所需模式，当SYNC为0时，选择异步模式UART；当SYNC=1时，选择同步模式SPI。MCP2510可与USARTl通信模块的SPI进行接口。
3．3 上位机设计
上位机要能完成对下位机监测及参数设置等功能。他的硬件选型及结构设计的好坏直接影响系统现场的工作效率。本系统选用PLC与触摸屏相结合的方式来设计监控上位机。其中PLC是上位机的中心，利用PLC实现对上位机的监控，比采用工控计算机监控上位机更加符合现场操作的要求，并能够适用现场高温的恶劣环境，也具有更高的可靠性，同时还能够方便地实现逻辑控制。而监控采用触摸屏技术，也比键盘和鼠标操作更加简单和方便，也更加符合现场操作习惯，可大大提高现场操作的效率。
本设计采用施耐德公司的Twido系列PLC。Twido PLC带有多种不同的通信方式及接口，包括工业以太网、CANopen、MODBUS、AS-I。一般它最少带1个标准的RS-485／422的串行通信接口，而且运算速度快，PLC循环周期短，扩展性能好。Twido PLC不仅具有众多的开关量I／O扩展模块，而且还具有众多的特殊功能模块可供用户选择，故可大大提高PLC的控制性能。系统中的处理器可选择TWDLAE40DRF，它是一体型控制器，该控制器具有24点输入，14点继电器输出和2点源型晶体管输出，同时带有一个RS-485端口和一个RJ-45以太网口，可直接接入工业以太网与上层网络进行通信。该控制器本身不具有CAN通信功能，但可通过外接CANopen主站模块TWDNC01M实现基于CANopen协议的CAN现场总线通信。
TWDNC01M CANopen主站模块可安装在PLC的扩展总线上，它支持16个从设备，但不支持对CAN从设备的扩展寻址，其传输速度决定于总线长度和电缆长度。用于连接到CAN现场总线的总线连接器位于TWDNC01M CANopen主站模块的中下部，包含管脚CAN_L(CAN_L bus线)、CAN_H(CAN_H bus线)，PLC通过这两个有差动接收和发送能力的总线终端连接到CAN总线上。
为配合PLC的工作。监控平台应选用操作方便的人机界面(触摸屏)，本系统选中eView公司的MT500系列触摸屏MT510，其配套的软件为EasyBuilder。EasyBuilder是组态软件，主要用来配置各种元件。该软件是专门面向PLC应用的，其功能非常强大，使用非常方便，完全可以满足现代工业庞大的工作量及功能需求。
eView MTS00触摸屏定义了RS-232和RS-485两种通信接口，本设计选用RS-485接口定义。Twido系列PLC通过CPU单元上的通信端口与e-View MT500触摸屏相连接，它们之间采用Modbus协议进行通信。