移动机器人包含众多模块，例如电机控制模块，速度反馈模块，超声波测距模 块，遥控器和上位机通信模块。图像采集模块，语音识别模块，人机接口（车灯显示，
液晶显示模块）。如此众多的模块之问数据传递是非常庞大和复杂的，ＣＡＮ总线是 一种拥有很多优点，在机器人领域应用广泛的总线技术””。
本文中婀一Ｒ型智能机器人控制系统采用分布式控制方式，上位机选用的是 高性能的嵌入式工业级主板，下位机运动控制卡选用基于ＤＳＰＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ＋
ＣＰＬＤ ＥＰＭ７１２８Ｓ为控制芯片，上位机和下位机ＤＳＰ运动控制卡之间扩充了有效地 支持分布式控制和实时控制的ＣＡＮ（ＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒＡｘｃａＮｅｔｗｏｒｋ）总线通讯方式，既能 快速地实现机器人控制的复杂算法，又具有较高的控制实时性，是一个高性能的 机器人控制系统。ｃＡＮ（ＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒＡｒｅａＮｅｔｗｏｒｋ）总线是应用最为广泛的一种现 场总线，也是目前为止唯一有国际标准的现场总线。相对于一般通信总线，它的 数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性““。其特点是：
ａ）ＣＡＮ总线为多主方式，网络上任意节点均可在任意时刻向其它节点发送数据。
ｂ）ＣＡＮ总线上的节点可以通过标识符分成不同的优先级，满足不同的实时要求。
ｃ）ＣＡＮ总线采用非破坏的总线仲裁技术，低优先级节点不影响高优先级节点的 发送。
ｄ）ＣＡＮ总线节点在４０ｍ内通信速率最高可达１Ｍｂｐｓ。
ｅ）ＣＡＮ总线上的节点数在标准帧格式下可达到１ｌＯ个，扩展帧格式下几乎不受 限制。
ｆ）报文采用短帧格式，传输时间短，出错率极低。
ｇ）ＣＡＮ总线通信介质可选用双绞线，其结构灵活，连接方便。
ＣＡＮ总线的以上特点使之十分适用于机器人控制，鉴于此，本章在第一节对 ＣＡＮ总线作为机器人控制系统的通信方式工具加以讨论研究，给出了一种基于 ＣＡＮ总线的通信方案。具体连接方式为：主控上位机通过ＣＡＮ总线接口卡连接到 总线上，各运动控制器也都通过总线收发器挂接到总线上，而且可以根据实际情 况增减数目。由于ＣＡＮ总线只用两根线进行通信，大大降低了系统连线的复杂程 度，同时增强了系统的可靠性能。如图３－Ｉ所示
２４
第３章智能机器人运动控制系统的通讯接口
图３－１基于ＣＡＮ总线通信网络结构
３．１．１ ＣＡＮ２．０协议的设定
ＣＡＮ协议是建立在ＯＳｌ７层开放互连参考模型基础之上的。但ＣＡＮ协议只定 义了模型的最下面两层一数据链路层和物理层“”，仅保证了节点间无差错的数据 传输。ＣＡＮ的应用层协议必须由ＣＡＮ用户自行定义，或采用一些国际组织制订的 标准协议。应用最为广泛的是ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ和ＣＡＮｏｐｅｎ，分别广泛应用于过程控制 和机电控制领域。但此类协议一般结构比较复杂，更适合复杂大型系统的应用。
ＣＡＮ２．ＯＡ协议中仅定义了具有１１位标识符的标准帧数据构”１，ＣＡＮ２．ＯＢ协议 中除了定义标准帧之外还定了具有２９位标识符的扩展帧数据结构。在设计时，
本系统定义在ＣＡＮ总线上传输报文为标准帧格式，如表３—１所示。
表３－１标准帧格式
仲裁域 控制域 数据域 校验域
１１位标识符 远程发送请求位（ＲＴＲ）和４位数据长度码 ８字节数据 ２字节ＣＲＣ
（ＤＬＣ）
ＣＡＮ自身虽然带有强大的通讯协议，但对于实际应用系统还必须在其基础上 开发相应的通讯协议。ＣＡＮ通讯协议设定中关键的是标识符（ＩＤ）的设定，ＣＡＮ节 点的标识符（ＩＤ）既包含了节点的地址，又包含了通讯的优先级，结合ＣＡＮ节点灵 活的软件滤波设置可以实现不同优先级的仲裁（标识符越小，优先级越高），点对 点、多点对点、点对多点以及全局广播（点对全部点）等功能。标识符（或仲裁域）
成都理ｌ：人学硕十学位论文
编码各个节点。图３－２位ＭＴ—Ｒ平台扩展ＣＡＮ总线框图。
３．Ｉ．２标识符编码
圈３－２ ＣＡＮ总线控制
ＣＡＮ总线中用标识符的大小编码节点的优先权。标识符越小，优先权越高，一 个标识符如果全部是Ｏ的话，它就具有最高优先权。“非破坏性逐位仲裁”保证了 如果发送一个高优先权报文，它就会赢得仲裁并能够在一个保证的时间限度里到 达它的目的节点。系统协议采用４种报文帧，即带有数据的标准帧，向网络请求 数据的远程帧、能够报告每个节点错误的出错帧以及如果节点的接收器电路尚未 准备好就会延迟传送的过载帧。远程帧是报文帧的简短形式，用于向网络请求数 据。这时它不包含数据域，并且远程发送请求位（ＲＴＲ）要置位，数据长度码（ＤＬＣ）
被设定成期望接收到的数据字节的数量。当远程帧发送到网络上后，与远程帧标 识符匹配的节点就会将请求的数据用报文帧传送。系统协议设计中，为了保证各 个模块之间数据的传递和信息的获取，并保证数据及时安全的传递，需要合理安 排标识符和优先级，并考虑需要传递的数据和信息。表４－２是系统中各个模块报 文帧的数据结构利用１１位标识符的高３位编码模块节点，同时优先权也就确定 了。标识符越小，优先权越高，显然电机控制和速度反馈具有最高的优先权。接着 图像传感器感知追踪物体或障碍物，超声波测距具有次一级的优先权，通信模块 具有最低的优先权。
第３章智能机器人运动控制系统的通讯接口
表３－２各个模块报文帧数据结构
仲裁域（Ｄ１５一Ｄ５） 控制域（Ｄ４－ＤＯ） 命令编码 数据域 模块号
００００００００００ ０００１ ０００２ 方向命令 １（电机控制）
００１０００００００ ００００ ２００１ 速度 ２（速度传感器）
０１００００００００ ０００１ ４００２ 方向信息 ３（图像传感器）
０１１０００００００ ０００１ ６００２ 距离 ４（超声波测距）
１０００００００００ ０１００ ８００８ 保留 保留
１０１０００００００ ０１００ Ａ００８ 各种信息 ６（通信模块）
因为采用标准帧结构，所以可以设定总线传输速率为２５０ｋｂｓ。拟定每次传送 的数据量为２３个字节，每次传送的实际数据量是理论传送数据量的３倍，因此，
总线上总共传送的数据量为２３×８×３＝５５２Ｂ。每次传送时间大约为２．２１ｍｓ，考虑 到数据间隙，可保证控制周期在１０ｍｓ，满足机器人小车的运动控制要求。
３．１．３ＣＡＮ发送和接收程序
本文提供一种以ＣＡＮ发送采用查询方式的程序设计逻辑，既要查询运动控制 卡ＬＦ２４０７Ａ的ＣＡＮＴＣＲ位是否发送成功，又要查询是否收到应答信号，两者都符 合时才停止发送。以速度传感器模块为例，查询发送程序如下：
ＳＥＮＤＲＥＴＵＲＮ＝ｏ∥查询是否收到麻答信号位吖
ｄｏ｛
ＣＡＮＴＣＲ＝０ｘ００４０； ／＊ＭＢＯＸ４请求发送＋／
ｄｏ｛ＣＡＮＳＥＮＤ＝ＣＡＮＴＣＲ＆０ｘ４０００；／＊查询发送标志位是否发送成’／
，ｗｈｉｌｅ（ＣＡＮＳＥＮＩ净－－－Ｏ）；／＊若不成功继续发送＋，
ＣＡＮＳＥＮＤ＝０；
ＣＡＮＴＣＲ－－－０ｘ４０００；／＊清除发送标志吖
｝ｗｈｉｌｅ（ＳＥＮＤＲＥＴＵＲＮ．一－Ｏ）∥若没有收到应答信号继续发送’，
为了提高系统的实时性，ＣＡＮ接收采用中断方式。”。ＣＡＮ接收中断可以设置 为高中断优先级和低中断优先级。进入接收中断子程序后，调用中断处理子程序。
成都理Ｉ：人学硕十学位论文
接收中断设置和接收子程序如下：
ＣＡＮＩＭＲ＝０ｘ０Ｆ３ＦＦ；／＊ＭＢＯＸＯ中断使能，低中断优先级．，
ＣＡＮＩＦＲ＝０ｘ０ＦＦＦＦ；，慵§全部中断标忠＋／
ｆｌａｇ－－ＣＡＮＩＦＲ＆０ｘ０１００矿判断是否是ＭＢＯＸＯ中断’，
ｉｆ（ｆｌａｇ－－－一Ｏｘ０１００）
｛调用ＭＢＯＸＯ处理子程序｝
ｅｌｓｅ
｛ａｓｍ（”ｃｌｒｃ ＩＮＴＭ”）扩允许总中断＋，
Ｒｅｔｕｍ；／＊如果不是ＣＡＮ接收中断，则直接返同吖
ａｓｍ（“ｃｌｒｃ ＩＮＴＭ’＇；
扩开中断，冈为一进中断就自动关闭总中断・／