CN104615103A - 一种运用ZigBee和CAN总线的电机控制系统及方法 - Google Patents

一种运用ZigBee和CAN总线的电机控制系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种运用ZigBee和CAN总线的电机控制系统及方法，该系统包括：ZigBee模块，负责数据的收发、处理、RF前端模块的控制和CAN总线的协议转换；RF前端模块，连接至ZigBee模块，作为实现无线射频收发及功率放大和低噪声放大的电路；PC上位机，用于向电机驱动模组发送控制命令或接收电机数据和电机控制阀门信息；RS485接口电路，在ZigBee模块和PC上位机之间进行数据传输；总线通信模块，连接至ZigBee模块，并通过采用CAN协议的总线接口连接电机驱动模组；电机驱动模组，包括多个电机驱动模块以驱动各电机；电源电路，为其他各模块提供电源，本发明可实现工业设备的低成本远距离控制。

Description

一种运用ZigBee和CAN总线的电机控制系统及方法
技术领域
本发明涉及无线电机控制领域，特别是涉及一种运用ZigBee和CAN总线技术的电机控制系统及方法。
背景技术
目前工业控制现场，大量采用总线方式来实现数据采集、状态监测和电机控制，需要大量电缆，非常不便于维护。其中最常见的通信方式有三种：1.RS232方式，采取不平衡传输方式，即单端通讯；2.RS485方式，采用平衡发送和差分接收方式实现通信；3.现场总线方式，应用在生产现场与微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点的数字通信方式。
然而，RS232其发送电平与接收电平的差只有2～3V，共模抑制能力较差，容易受到共地噪声和外部干扰的影响，再加上信号线之间的分布电容，其传送距离最大为约15米，最高数据传输速率为20kb/s，影响其通用性；RS485以1Mbit/S的高速率传输的距离不超过100M，485再低的速率也只能到1219米左右。由于采用单主从结构，利用率不高，且RS485只规定了物理层，而没有数据链路层，无法识别错误；现场总线目前存在多标准共存的现象，虽然实时性好，但是多种现场总线标准之间互不兼容，给系统的集成和使用、维护带来了很大的不便。
发明内容
为克服上述现有技术存在的不足，本发明之目的在于提供一种运用ZigBee和CAN总线的电机控制系统及方法，其可以实现工业设备的低成本远距离控制，同时也避免了传统有线方式控制布置困难、系统成本高、安装维护难度大的缺点。
为达上述及其它目的，本发明提出一种运用ZigBee和CAN总线的电机控
制系统，包括：
ZigBee模块，负责数据的收发、处理、RF前端模块的控制和CAN总线的协议转换；
RF前端模块，连接至该ZigBee模块，作为实现无线射频收发及功率放大和低噪声放大的电路；
PC上位机，用于向电机驱动模组发送控制命令或接收电机数据和电机控制阀门信息；
RS485接口电路，在该ZigBee模块和该PC上位机之间进行数据传输；
总线通信模块，连接至该ZigBee模块，并通过采用CAN协议的总线接口连接电机驱动模组；
电机驱动模组，包括多个电机驱动模块以驱动各电机；
电源电路，为其他各模块提供电源。
进一步地，该ZigBee模块包括SOC控制单元及外围电路，分为协调器节点和终端节点，该协调器节点具有路由功能，通过该RS485接口电路连接该PC上位机，该终端节点通过该总线通信模块连接该电机驱动模组。
进一步地，该总线通信模块包括CAN控制器和CAN收发器，用于接收数据信息，发送数据信号至CAN总线。
进一步地，该电源电路将直流5V的总电源电压经过LDO得到3.3V电压，利用该两个电压为整个电路提供电源。
进一步地，该ZigBee模块、RF前端模块采用3.3V电源供电，该RS485接口电路、总线通信模块采用5V电源供电。
进一步地，该RF前端模块包括RF无线通信的滤波电路和SMA天线。
进一步地，该RF前端模块还包括RF放大器，该RF发大器上设置无线射频前端模块和放大电路，RF信号输入通过差分走线进入芯片，再通过2.4GHz的SMA天线发送射频信号。
为达到上述目的，本发明还提供一种运用ZigBee和CAN总线的电机控制方法，包括如下步骤：
步骤一，启动ZigBee模块的协调器节点和终端节点，进行初始化设置，进入工作模式后马上休眠等待唤醒；
步骤二，当上位机有控制命令发送或者终端电机数据上传时，该协调器节点和该终端节点进入工作模式；
步骤三，该协调器节点将上位机发送的指令转化成射频信号发送给终端节点同时将终端节点采集的状态数据通过RS485接口电路上传给上位机，该终端节点将协调器节点发送的射频信号通过CAN总线传输至电机驱动模块以及将电机驱动模块通过CAN总线传输的电机数据和电机控制阀门信息发送给协调器节点。
进一步地，该CAN总线通过CAN-bus扩展帧，采用重新定义数据帧功能的表示方式，以总线轮询方式实现CAN总线主从站的通讯ZigBee采用星形拓扑结构的线通信网络
进一步地，该终端节点和该协调节点唯有中断才进入工作，其他时间都处于休眠状态。
与现有技术相比，本发明一种运用ZigBee和CAN总线的电机控制系统及方法使用无线ZigBee和CAN总线2个网络层次，无线网络通过基于ZigBee星形拓扑结构的星形通信网完成控制指令数据接受、发送以及转换到CAN协议的数据格式，总线网络采用CAN协议完成，各节点之间实现自由通信，实现了一种适合工业用的无线和CAN总线电机控制系统，避免了传统电缆布线时布置困难、系统成本高，维护难的缺点，本发明之系统配置简单，使用简单，成本低；设备运行功耗低，设备的软硬件系统均采用低功耗设计技术，降低了能耗，设备可长时间工作，并具有高可靠性，强数据处理能力等特点，适用于控制电机对象多、种类繁杂的控制系统。
附图说明
图1为本发明一种运用ZigBee和CAN总线的电机控制系统之较佳实施例的结构框图；
图2为本发明之具体实施例的系统结构图；
图3为本发明具体实施例中电源电路的电路结构图；
图4为本发明具体实施例中CAN控制器模块的电路结构图；
图5为本发明一种运用ZigBee和CAN总线的电机控制方法的步骤流程图；
图6为本发明具体实施例的工作流程图；
图7为本发明具体实施例中上位机的软件功能图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例并结合附图说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明亦可通过其它不同的具体实例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不背离本发明的精神下进行各种修饰与变更。
图1为本发明一种运用ZigBee和CAN总线的电机控制系统之较佳实施例的结构框图。如图1所示，本发明一种运用ZigBee和CAN总线的电机控制系统，包括：ZigBee模块101、RF前端模块102、电源电路103、RS485接口电路105、总线通信模块106、电机驱动模组107、PC上位机108。
其中，ZigBee模块101包括SOC(System on Chip，片上系统)控制单元及外围电路，主要负责数据的收发、处理、RF前端模块102的控制和CAN总线的协议转换，ZigBee模块101分为协调器节点和终端节点，协调器节点具有路由功能通过RS485接口电路105连接PC上位机108，终端节点通过CAN通信模块106连接电机驱动模块107，电源电路103连接ZigBee模块101对其供电，在本发明较佳实施例中，ZigBee模块101采用TI公司的ZigBee芯片CC2531，其通过3.3V电源供电，程序下载通过标准JTAG下载接口；RF前端模块102，主要包括RF无线通信的滤波电路和SMA(Sub-Miniature-A)天线，连接至ZigBee模块101，作为实现无线射频收发及功率放大和低噪声放大的电路，在本发明较佳实施例中，RF前端模块102使用3.3V电源供电；电源电路103，将直流5V的总电源电压经过LDO(低压差稳压器)得到3.3V电压，利用这两个电压(5V和3.3V)为整个系统提供电源，为其他各模块提供电源供电；RS485接口电路105，在ZigBee模块101和PC上位机108之间进行数据传输，其直接连接至ZigBee模块101的SOC控制单元，作为上位机应用软件的配置接口，在本发明较佳实施例中，RS485接口电路105使用5V供电，通过两根通讯线，采用半双工的通讯方式；总线通信模块106，连接至ZigBee模块101的SOC控制单元，并通过采用CAN协议的总线接口连接电机驱动模组107，在本发明较佳实施例中，总线通信模块106使用5V电源供电，包括CAN收发器和CAN驱动器，采用SPI的方式连接至SOC控制单元，收发的数据通过总线接口传至电机驱动器，采用标准的总线CAN协议，用于提供用户与外部连接的接口；电机驱动模组107包括多个电机驱动模块例如直流无刷电机驱动模块、步进电机驱动模块、伺服电机驱动模块分别驱动直流无刷电机、步进电机、伺服电机，电机驱动模组107通过CAN总线接口连接总线通信模块106；PC上位机108采用手动控制和程序智能分辨电机组别发送控制命令。
图2为本发明之具体实施例的系统结构图。在本发明具体实施例中，本发明之运用ZigBee和CAN总线的电机控制系统使用无线ZigBee和CAN总线2个网络层次，包括上位机、ZigBee模块、电源电路、CAN总线通信模块、RF前端模块、RS485接口电路、多种电机驱动模块和控制电机，在本发明具体实施例中，ZigBee模块采用ZigBee芯片CC2530/1，RF前端模块采用RF前端芯片CC2591，CAN总线通信模块采用CAN控制芯片MAX485、CAN收发芯片TJA1050T，电源电路采用电源转换电路LDO(低压差稳压器)LM1117。其中，ZigBee模块和RF前端电路是无线传感器网络组网所必需的部分，ZigBee网络是目前使用最为广泛的无线传感器网络。CAN总线通信模块包括CAN控制器和CAN收发器，用于接收数据信息，发送数据信号至CAN总线。系统包含不同种类的电机驱动模块和控制电机。ZigBee无线协议芯片RF信号通过RF前端芯片CC2591放大，实现数据传输；无线Zigbee通信设备通过该协议转换适配模块与有线工业自动化网络连接实现数据通信和信号采集，工业以太网有线设备通过该协议转换适配模块与无线网络连接实现数据通信和信号采集。ZigBee无线网络的ZigBee模块包含协调器节点和终端节点，协调器节点将PC上位机发送的指令转化成射频信号发送给终端节点同时将终端节点采集的状态数据通过RS485接口电路上传给上位机，终端节点传输协调器节点发送的射频信号以及电机驱动模块通过CAN总线传输的电机数据和电机控制阀门信息。
图3为本发明具体实施例中电源电路的电路结构图。在本发明较佳实施例中，采用LDO(低压差稳压器)LM1117芯片将5V转换到3.3V，电容C35起滤波电容作用，用于过滤高频干扰信号，C36、C37是钽电容用作电源去耦电容，以用于电源的稳定，电阻R7是0欧姆电阻用作数字地和模拟地单点接地以用作隔离，电源电路的作用是为其他各个模块提供5V和3.3V的直流电源。
在本发明中，为了克服无线传感器网络传输距离的限制，系统中还设置了RF发大器，RF发大器上设置无线射频前端模块和放大电路，RF信号输入通过差分走线进入芯片，再通过2.4GHz的SMA天线发送射频信号，其作用在于：放大射频信号或者采集指令的射频信号，增加射频信号或者采集指令的射频信号的传播范围。
图4为本发明具体实施例中CAN控制器模块的电路结构图。ZigBee通过SPI接CAN的14、16、17、18管脚进行数据传输，通过13号脚以中断的方式实现CAN总线上数据的接受。
图5为本发明一种运用ZigBee和CAN总线的电机控制方法的步骤流程图。如图5所示，本发明一种运用ZigBee和CAN总线的电机控制方法，包括如下步骤：
步骤501，启动ZigBee模块的协调器节点和终端节点，进行初始化设置，进入工作模式后马上休眠等待唤醒；
步骤502，当上位机有控制命令发送或者终端电机数据上传时，协调器节点和终端节点进入工作模式；
步骤503，协调器节点将PC上位机发送的指令转化成射频信号发送给终端节点同时将终端节点采集的状态数据通过RS485接口电路上传给上位机，终端节点将协调器节点发送的射频信号通过CAN总线传输至电机驱动模块以及将电机驱动模块通过CAN总线传输的电机数据和电机控制阀门信息发送给协调器节点。
图6为本发明具体实施例的工作流程图。如图6所示，启动协调器节点和终端节点，进行初始化设置(初始化Z-Stack协议栈)，指示灯闪烁后短暂进入工作模式后马上休眠等待唤醒。当PC上位机有控制命令发送或者终端电机数据上传时，协调器和终端进入工作模式，控制命令或电机数据通过ZigBee无线网络传到终端节点和协调器再经过协议转化发送到CAN总线寻找到指定的终端后结束工作，再次进入休眠。CAN总线上的设备通过CAN-bus(一种多主方式的串行通讯总线)实现数据传输，报文中没有发送数据的源地址和接收数据的目的地址，而是通过标识符来指示数据的功能信息和优选级信息。本发明中CAN总线通过CAN-bus扩展帧，采用重新定义数据帧功能的表示方式，以总线轮询方式实现CAN总线主从站的通讯ZigBee采用星形拓扑结构的线通信网络。终端节点和协调器工作时唯有中断才进入工作，并不处理网络管理等功能，大多数时间都处于休眠状态，功耗很低。
图7为本发明具体实施例中上位机的软件功能图。系统的所有数据保存在数据库，三个主要功能为通讯连接、状态监控和系统控制，通讯连接涉及到网络设置，状态监控包括电机数据和电机控制阀门信息，系统控制包括不同电机的驱动参数设置、电机的手动控制命令和智能控制模式选择。
综上所述，本发明一种运用ZigBee和CAN总线的电机控制系统及方法使用无线ZigBee和CAN总线2个网络层次，无线网络通过基于ZigBee星形拓扑结构的星形通信网完成控制指令数据接受、发送以及转换到CAN协议的数据格式，总线网络采用CAN协议完成，各节点之间实现自由通信，实现了一种适合工业用的无线和CAN总线电机控制系统，避免了传统电缆布线时布置困难、系统成本高，维护难的缺点，本发明之系统配置简单，使用简单，成本低；设备运行功耗低，设备的软硬件系统均采用低功耗设计技术，降低了能耗，设备可长时间工作，并具有高可靠性，强数据处理能力等特点，适用于控制电机对象多、种类繁杂的控制系统。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何本领域技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰与改变。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。

Claims (10)

1.一种运用ZigBee和CAN总线的电机控制系统，包括：
ZigBee模块，负责数据的收发、处理、RF前端模块的控制和CAN总线的协议转换；
RF前端模块，连接至该ZigBee模块，作为实现无线射频收发及功率放大和低噪声放大的电路；
PC上位机，用于向电机驱动模组发送控制命令或接收电机数据和电机控制阀门信息；
RS485接口电路，在该ZigBee模块和该PC上位机之间进行数据传输；
总线通信模块，连接至该ZigBee模块，并通过采用CAN协议的总线接口连接电机驱动模组；
电机驱动模组，包括多个电机驱动模块以驱动各电机；
电源电路，为其他各模块提供电源。
2.如权利要求1所述的一种运用ZigBee和CAN总线的电机控制系统，其特征在于：该ZigBee模块包括SOC控制单元及外围电路，分为协调器节点和终端节点，该协调器节点具有路由功能，通过该RS485接口电路连接该PC上位机，该终端节点通过该总线通信模块连接该电机驱动模组。
3.如权利要求1所述的一种运用ZigBee和CAN总线的电机控制系统，其特征在于：该总线通信模块包括CAN控制器和CAN收发器，用于接收数据信息，发送数据信号至CAN总线。
4.如权利要求1所述的一种运用ZigBee和CAN总线的电机控制系统，其特征在于：该电源电路将直流5V的总电源电压经过LDO得到3.3V电压，利用该两个电压为整个电路提供电源。
5.如权利要求4所述的一种运用ZigBee和CAN总线的电机控制系统，其特征在于：该ZigBee模块、RF前端模块采用3.3V电源供电，该RS485接口电路、总线通信模块采用5V电源供电。
6.如权利要求1所述的一种运用ZigBee和CAN总线的电机控制系统，其特征在于：该RF前端模块包括RF无线通信的滤波电路和SMA天线。
7.如权利要求6所述的一种运用ZigBee和CAN总线的电机控制系统，其特征在于：该RF前端模块还包括RF放大器，该RF发大器上设置无线射频前端模块和放大电路，RF信号输入通过差分走线进入芯片，再通过2.4GHz的SMA天线发送射频信号。
8.一种运用ZigBee和CAN总线的电机控制方法，包括如下步骤：
步骤一，启动ZigBee模块的协调器节点和终端节点，进行初始化设置，进入工作模式后马上休眠等待唤醒；
步骤二，当上位机有控制命令发送或者终端电机数据上传时，该协调器节点和该终端节点进入工作模式；
步骤三，该协调器节点将上位机发送的指令转化成射频信号发送给终端节点同时将终端节点采集的状态数据通过RS485接口电路上传给上位机，该终端节点将协调器节点发送的射频信号通过CAN总线传输至电机驱动模块以及将电机驱动模块通过CAN总线传输的电机数据和电机控制阀门信息发送给协调器节点。
9.如权利要求8所述的一种运用ZigBee和CAN总线的电机控制方法，其特征在于：该CAN总线通过CAN-bus扩展帧，采用重新定义数据帧功能的表示方式，以总线轮询方式实现CAN总线主从站的通讯ZigBee采用星形拓扑结构的线通信网络
10.如权利要求8所述的一种运用ZigBee和CAN总线的电机控制方法，其特征在于：该终端节点和该协调节点唯有中断才进入工作，其他时间都处于休眠状态。
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