采用無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的新型數控系統

引言     

近年來(lái)移動(dòng)通信技術(shù)和掌上電腦的飛速發(fā)展及其在其他領(lǐng)域的廣泛應用，必將對制造業(yè)產(chǎn)生深刻的影響，并為數字化制造帶來(lái)重大的機遇和挑戰。
     
在網(wǎng)絡(luò )環(huán)境下的數字化制造不僅僅取決于企業(yè)上層管理和設計的數字化和信息化，也取決于車(chē)間底層的數字化和信息化。我們提出一種基于移動(dòng)通信技術(shù)的人機協(xié)同的新型數字化制造模式，它把無(wú)線(xiàn)移動(dòng)通信技術(shù)引進(jìn)來(lái)，創(chuàng )建一種以人為中心的能充分發(fā)揮“人的智能”和“機器智能”的分布式人機協(xié)同工作模式。車(chē)間數字助理（Shop Floor PDA）和新型數控系統構成了這種新型制造模式的兩個(gè)核心環(huán)節。本文只討論后者。
     
采用無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的新型開(kāi)放式數控系統
     
采用無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的新型開(kāi)放式數控系統由兩部分構成：一部分是可移動(dòng)的掌上控制器，即數控PDA;另一部分則安裝于機床上，完成傳統的運動(dòng)控制和PLC 功能，稱(chēng)為嵌入式機床控制器。兩部分之間通過(guò)Wi- Fi（802.11）或藍牙（Bluetooth）接口實(shí)現移動(dòng)通信，其結構框圖如圖1 所示。在這種模式下，現今數控系統中的很大一部分功能將被轉移到數控PDA 上。這些功能主要包括加工程序的編制、仿真與下載（包括手工編程和從CAD/CAM 工作站或臺式電腦上下載巨型加工程序）、機床調整、加工數據和機床狀態(tài)的采集以及和車(chē)間管理/調度服務(wù)器通信等。而機床控制器則主要執行實(shí)時(shí)運動(dòng)控制和 PLC 功能。這種新型數控是真正的嵌入式系統，能大大降低數控系統的體積和成本。同時(shí)，通過(guò)數控PDA 也徹底改變了數控機床的操作模式，把以機器為中心改變?yōu)橐匀藶橹行?。操作者無(wú)論在位置上還是在姿勢上都不再被機床所束縛。操作更方便，更舒適，也容易實(shí)現一人多機操作。

由于這種專(zhuān)業(yè)化的數控PDA可以通過(guò)無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)和Internet上網(wǎng)，獲得車(chē)間或單元服務(wù)器乃至CAD/CAM 技術(shù)中心的支持，因而極大的增強了數控系統的功能。同時(shí)，因為數控PDA 是一個(gè)通用的數控裝置，可以顯示多種機床的操作界面，控制不同的數控機床。由此，一個(gè)手握數控PDA的操作者和若干臺數控機床就能構成一個(gè)人機協(xié)同的加工單元。這種在數字技術(shù)支持下的以人為中心的加工單元，較之傳統的柔性加工單元更加靈活、更加可靠。此外，數控PDA 還具有本地數據庫管理功能，因而能用于組建車(chē)間網(wǎng)絡(luò )化制造的分布式數據庫，使之成為分布式體系結構中實(shí)時(shí)獲取現場(chǎng)數據的基礎結點(diǎn)。
    
1.1 數控PDA 的硬件結構
     
基于IEEE802.11 下的數控PDA 的硬件體系結構主要由32 位嵌入式微處理器、高速內存、FLSH電子盤(pán)、無(wú)線(xiàn)通信模塊以及高效電池和LCD 觸摸屏等部分組成（如圖2所示）。在硬件設計上采用Intel公司Strong ARM SA — 1100 32 位RISC 微處理器，它以ARM 公司的SA — 1 內核作為其系統內核，時(shí)鐘頻率高達206MHz，可以為數控PDA 提供強大的處理能力。
     
在通信方面，數控PDA 提供了USB 接口、串行接口和無(wú)線(xiàn)通信模塊。通過(guò)這些接口可以方便地與上級服務(wù)器或嵌入式機床控制器進(jìn)行數據通信。無(wú)線(xiàn)模塊采用Airgo公司的支持 IEEE802.11a/b/g 3 種無(wú)線(xiàn)LAN 標準的收發(fā)器芯片組。該芯片組可同時(shí)支持2.4GHz 和5GHz 頻帶下的OFDM（正交頻分多路復用）變頻方式。除了IEEE802.11a/b，還可支持最近作為標準剛剛獲得通過(guò)的IEEE802.11g。

IEEE802.11g是利用2.4GHz頻帶來(lái)實(shí)現最大數據傳輸速度54Mbit/ 秒的無(wú)線(xiàn)LAN 規格。該芯片組由基帶芯片和R F 芯片組成，支持使用5 G H z 帶寬的IEEE802.11a、使用2.4GHz 帶寬的IEEE802.11b 及IEEE802.11g 的無(wú)線(xiàn)LAN 方式?；鶐酒瑤в蠭EEE802.11 的MAC 功能和PHY 功能，并進(jìn)行MIMO信號處理。同時(shí)，該芯片組嵌入了IEEE802.11的安全功能加速器及服務(wù)質(zhì)量（QoS）保證電路。
     
如圖2 所示,數控PDA的主設備是由微處理器和IEEE802.11芯片組構成。IEEE802.11芯片組接受來(lái)自主機的控制指令，經(jīng)過(guò)基帶控制器的處理后命令無(wú)線(xiàn)收發(fā)器發(fā)出2.4-5.0GHz 帶寬的無(wú)線(xiàn)電波。IEEE802.11 芯片組和主機的連接可以通過(guò)USB、MINI PCI，CARDBUS，從而省去所需外部橋接器件。HCI（Host Controller Interface）的上層通信協(xié)議由主機負責處理，下層的通信協(xié)議則由芯片組內的基帶層芯片與無(wú)線(xiàn)收發(fā)器芯片負責。數控PDA 可與嵌入式機床控制器802.11無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡進(jìn)行數據傳輸和對數控機床進(jìn)行控制。
     
由于把主要的系統管理功能、人機交互和數控編程等轉移給了數控PDA，因而新型數控的機床控制部分比傳統的數控設備簡(jiǎn)化了許多，近似于一個(gè)運動(dòng)控制器和PLC。其硬軟件配置主要滿(mǎn)足伺服系統實(shí)時(shí)控制和機床I/O 功能的要求，但它必須增加無(wú)線(xiàn)通信的功能模塊。在硬件上，采用基于104 總線(xiàn)的嵌入式工控PC機的體系結構。這種體系結構不僅能完全滿(mǎn)足上述要求，而且具有體積小、結構緊湊、堅固可靠和成本低等特點(diǎn)，不失為一種較理想的選擇。
     
1.2 數控PDA 的軟件結構
     
當前用于掌上電腦上的嵌入式操作系統有很多, 較典型的有Windows CE、Pocket OS、Palm OS、Hopen、嵌入式Linux 等。Windows CE.NET 作為目前掌上電腦的是一個(gè)基于Win32應用程序編程接口（API）的操作系統。我們采用Windows CE.NET 和Visual Studio.Net分別作為數控PDA的操作系統平臺和應用程序開(kāi)發(fā)平臺。整個(gè)軟件系統按功能模塊進(jìn)行設計。系統實(shí)現分為3 個(gè)層次，分別是人機界面和系統管理層、數據組織與管理層、與上級服務(wù)器及下級嵌入式機床控制器進(jìn)行通信的通信層。通信層包括了通信鏈路的建立、數據鏈路通信協(xié)議的實(shí)現、表示層的具體實(shí)現。數據庫管理完成數據的建立、排序、檢索與維護，實(shí)現真正的移動(dòng)傳輸。系統的控制管理層是整個(gè)軟件系統的核心，對于數控 PDA 來(lái)說(shuō)，其功能和智能化程度的區別都反映在這一層上，系統功能的增減也均在這一層進(jìn)行，包括程序的編譯解釋、調整、自動(dòng)、診斷、參數設置、仿真等與用戶(hù)操作有關(guān)的功能子模塊。
     
各功能模塊通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信程序與底層進(jìn)行信息交換。其軟件功能模塊結構如圖3 所示。通信層采用串口，USB 和無(wú)線(xiàn)通信口3 種通信方式。串口通信方式采用RS232串行總線(xiàn)技術(shù)，全雙工，傳送波特率為57600bps;USB 通信方式采用USB2.0 高速通用串行總線(xiàn)，傳送速率可高達480Mbps;無(wú)線(xiàn)通信方式遵循IEEE802.11 通信協(xié)議，支持最高傳輸速率為54Mbps。整個(gè)系統的應用軟件具有控制、數據處理、人機交互、網(wǎng)絡(luò )通訊等功能。

2.新型數控中無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)
     
2.1 802.11通信機制
     
目前常用的掌上電腦的無(wú)線(xiàn)聯(lián)網(wǎng)方式有GPRS， IEEE802.11（Wi-Fi），藍牙技術(shù)、家庭網(wǎng)絡(luò )HOMERF 等。這些方式各有優(yōu)劣。IEEE802.11 是1999 年最新版本的無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)（WLAN）標準。與藍牙協(xié)議和家庭網(wǎng)絡(luò )的HOME RF 標準相比IEEE802.11 協(xié)議具有傳輸距離遠，傳輸速度快等優(yōu)點(diǎn)，是無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)發(fā)展的主流。和其他IEEE802.x 標準一樣，802.11 標準著(zhù)重定義了物理層（PHY）和介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制（MAC）子層。IEEE802.11 的MAC 層提供對無(wú)線(xiàn)共享介質(zhì)的訪(fǎng)問(wèn)控制。除此之外，還提供支持無(wú)線(xiàn)傳輸和站點(diǎn)移動(dòng)所必須的網(wǎng)絡(luò )連接、認證、保密和電源管理等功能。近年來(lái)，802.11標準又擴展出802.11b、802.11a、802.11g等系列，這些擴展標準采用的是不同的物理層標準，使通信速率提高到11Mbit/s、22 Mbit/s至54 Mbit/s，但它們對MAC層協(xié)議沒(méi)有重大改變。
     
2.2 新型數控中無(wú)線(xiàn)通信的具體實(shí)現方案
     
在新型數控體系結構中，數控P D A 是通過(guò)IEEE802.11x 通信協(xié)議與車(chē)間服務(wù)器及機床控制器通信。根據機床控制系統的不同配置，其無(wú)線(xiàn)通信的實(shí)現方案也不同。主要有以下幾種：
     
（1） 數控PDA的無(wú)線(xiàn)模塊和單片機數控系統相連的無(wú)線(xiàn)通信接口電路;
（2） 數控PDA的無(wú)線(xiàn)模塊通過(guò)與傳統數控系統的RS232/802.11轉換器相連接;
（3） 通過(guò)數控PDA的無(wú)線(xiàn)模塊與嵌入式機床控制器的802.11x無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡通信。
     
在單片機數控系統中，通過(guò)一種基于單片機無(wú)線(xiàn)通訊接口電路來(lái)實(shí)現數控PDA 與單片機的無(wú)線(xiàn)通信。這種單片機無(wú)線(xiàn)通訊接口電路是由Micrel公司推出的單片發(fā)射器芯片（MICRF102）和單片接受器芯片（MICRF007）組成。工作在國際通用ISM 頻段300～400MHZ，具有ASK 調制和解調能力，抗干擾能力強，非常適合于工業(yè)控制領(lǐng)域。同時(shí)它又具備頻率穩定性好，接受靈敏度高，功耗底等優(yōu)點(diǎn)?？梢苑奖銛悼豍DA 與單片機之間的串行數據無(wú)線(xiàn)通信。其接口電路工作原理如圖4 所示。

對于傳統數控機床來(lái)說(shuō)，通常這些設備所提供的通信接口是普通的RS-232串行接口。如何使這些設備與數控PDA 通信呢?一個(gè)經(jīng)濟、快速的解決方案是，在傳統數控系統的串行接口上外接一個(gè)RS-232/802.11轉換器，將數控設備的串口RS-232信號與無(wú)線(xiàn)通信信號相互轉換，使之符合IEEE 802.11x通信協(xié)議。它使數控設備與無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)，有效地擴展了數控設備的聯(lián)網(wǎng)通信能力，并且最終使固定的數控設備可以與自由移控動(dòng)的數控PDA實(shí)現無(wú)線(xiàn)通信。
     
總而言之一種基于IEEE 802.11協(xié)議下的無(wú)線(xiàn)串口是網(wǎng)絡(luò )環(huán)境下的數字化制造的重要趨勢。其無(wú)線(xiàn)通信結構見(jiàn)圖5所示。二者間無(wú)線(xiàn)通信的實(shí)現，實(shí)際上可以看作是用無(wú)線(xiàn)模塊替代有線(xiàn)串口連接，亦既將兩個(gè)無(wú)線(xiàn)模塊組成的無(wú)線(xiàn)信道看成是一個(gè)兩端口的設備。對兩設備而言，串口通信時(shí)有線(xiàn)連接與無(wú)線(xiàn)連接的端子對應關(guān)系是一樣的。用無(wú)線(xiàn)信道替代有線(xiàn)連接的通信程序編制也基本相同。但需要注意以下幾點(diǎn)：

（1） 在有線(xiàn)連接的通信程序中串口幀格式、串口速率可任意設置。連接線(xiàn)本身對上述兩個(gè)參數無(wú)限制。而在無(wú)線(xiàn)模塊中這兩個(gè)參數為一固定值，因此這兩個(gè)參數要與無(wú)線(xiàn)模塊的設置一致。
     
（2） 有線(xiàn)連接時(shí)，發(fā)端發(fā)出數據的時(shí)刻與收端收到數據的時(shí)刻無(wú)時(shí)間間隔。而無(wú)線(xiàn)模塊在發(fā)送數據時(shí)要進(jìn)行收發(fā)轉換及時(shí)鐘同步，所以在無(wú)線(xiàn)通信時(shí)主設備發(fā)出數據的時(shí)刻與從設備收到數據的時(shí)刻有時(shí)間間隔。
     
（3） 有線(xiàn)連接時(shí)串口通信是全雙工的。無(wú)線(xiàn)模塊的通信是雙向半雙工的。因此在通信編程時(shí)應進(jìn)行控制將收發(fā)的時(shí)間錯開(kāi)。
     
對于當代的開(kāi)放式數控系統來(lái)說(shuō)，可以在通用的操作系統支持下實(shí)現標準的和功能強大的無(wú)線(xiàn)通信。目前國內外的開(kāi)放式數控系統所采用的操作系統，一種是基于DOS，另一種是基于Windows98/NT。DOS 是運行于16 位實(shí)模式下的單任務(wù)操作系統，實(shí)時(shí)性好，但受16位實(shí)模式的限制，難以實(shí)現高效可靠的網(wǎng)絡(luò )尤其是無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )通信的要求;Windows98/NT 功能強大，但體系結構龐大，實(shí)時(shí)性差，不能滿(mǎn)足數控要求。Windows CE.NET 是微軟推出的新一代嵌入式操作系統，具有較強的實(shí)時(shí)性，兼備DOS 和Windows 的優(yōu)點(diǎn)，“小而精”，是完全開(kāi)放的模塊化體系結構，支持藍牙和802.11x無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議以及友好的圖形界面?？紤]到Microsoft公司的產(chǎn)品有更多技術(shù)支持和可利用的資源，結合我們幾年的研究基礎和應用經(jīng)驗，因此我們選其作為新型數控系統的嵌入式機床控制器的操作系統平臺。硬件采用104總線(xiàn)的工業(yè)控制主板加802.11x無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡，實(shí)現與數控PDA 無(wú)線(xiàn)模塊的無(wú)線(xiàn)通信。
     
2.3 STR-6無(wú)線(xiàn)數據傳輸模塊介紹
     
我們選用上海桑博科技有限公司生產(chǎn)的STR-6無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊作為實(shí)現數控PDA 與傳統數控機床的RS-232串口的無(wú)線(xiàn)通信。它具有微功率發(fā)射、高抗擾能力和低誤碼率、傳輸距離遠、多信道、大緩沖區等優(yōu)點(diǎn)。它提供標準的RS- 232，RS-485 和UART/TTL 電平3 種接口方式，可直接與計算機、用戶(hù)的RS-485 設備、單片機或其他UART 器件連接使用。利用兩臺連有STR-6無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊的計算機可以在相距500 米距離以?xún)葘?shí)現無(wú)線(xiàn)傳輸功能。無(wú)線(xiàn)模塊的工作原理圖如圖6 所示。

STR -6無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊通信實(shí)現方法：無(wú)線(xiàn)模塊A在發(fā)送數據之前首先發(fā)送握手信號給對方無(wú)線(xiàn)模塊B，無(wú)線(xiàn)模塊B 收到握手信號后反饋一個(gè)應答信號。若無(wú)線(xiàn)模塊A收不到正確的反饋應答信號，表明雙方?jīng)]有正常建立無(wú)線(xiàn)通信連接，無(wú)線(xiàn)模塊A 則繼續發(fā)送握手信號直到收到反饋信號為止。無(wú)線(xiàn)模塊A 收到反饋信號后開(kāi)始發(fā)送數據。無(wú)線(xiàn)模塊B 根據所接受的信息，將數據存儲在用戶(hù)所指定的路徑下，完成整個(gè)無(wú)線(xiàn)通信過(guò)程。
     
結論
     
車(chē)間數字化是企業(yè)制造數字化和信息化的重要基礎環(huán)節，也是我們所面臨的一個(gè)難點(diǎn)。企求排除人的參與，完全依靠計算機和自動(dòng)化技術(shù)實(shí)現制造業(yè)數字化和信息化是不現實(shí)的。只有通過(guò)把當前無(wú)線(xiàn)與移動(dòng)通信技術(shù)引入到制造業(yè)中，實(shí)現隨時(shí)隨地的信息獲取和人機溝通，把人的智能和機器的智能無(wú)縫的結合起來(lái)，形成一個(gè)以人為中心的人機協(xié)同的制造模式，才能真正實(shí)現這個(gè)目標。采用無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的具有數控PDA 功能的新型數控系統的研制，將為實(shí)現這種嶄新的制造模式打下堅實(shí)的基礎。