吝偉偉，鐘佩思，李翠赟，呂曉東，葛旋

(山東科技大學(xué)先進(jìn)制造技術(shù)研究中心，山東青島266590)

數(shù)控技術(shù)是現(xiàn)代制造業(yè)的核心技術(shù)，數(shù)控系統(tǒng)則是制造系統(tǒng)的重要裝備，數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展研究工作受到許多大型制造企業(yè)以及國家的重視和研發(fā)支持。數(shù)控技術(shù)經(jīng)歷了分立元件系統(tǒng)、專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等階段，發(fā)展到當(dāng)前以工控微機(jī)(IPC)為控制核心的數(shù)控時(shí)代。目前基于PC 的開放式數(shù)控系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展到相當(dāng)高的水平，但是這種系統(tǒng)有著先天的不足。由于PC 機(jī)最初是針對(duì)文件管理和數(shù)據(jù)處理而設(shè)計(jì)的，CPU 適合于復(fù)雜指令集，具有很強(qiáng)的數(shù)值計(jì)算、邏輯處理和控制功能，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高、硬件冗余且無法裁剪、功耗大且可靠性低。此外，更為重要的是PC 的硬件不是針對(duì)實(shí)時(shí)控制設(shè)計(jì)的，往往需要進(jìn)行硬件擴(kuò)展以滿足實(shí)時(shí)控制的要求，而且PC 的操作系統(tǒng)也不是針對(duì)實(shí)時(shí)控制而設(shè)計(jì)的［1］。WinCE7 是微軟公司為嵌入式產(chǎn)品設(shè)計(jì)的一個(gè)高效、可升級(jí)的多線程、多進(jìn)程、搶先多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)［2］。它能夠滿足數(shù)控系統(tǒng)對(duì)可靠性、實(shí)時(shí)性、柔性模塊化及聯(lián)網(wǎng)的要求并擁有強(qiáng)大的開發(fā)工具，大大縮短了開發(fā)數(shù)控系統(tǒng)的時(shí)間。

目前數(shù)控系統(tǒng)比較常用的通信方式為RS232 端口通信。使用RS232 端口進(jìn)行通信有兩種方式:“一對(duì)一” (一臺(tái)機(jī)床配一臺(tái)計(jì)算機(jī)進(jìn)行交互傳輸)和“多對(duì)一”(多臺(tái)機(jī)床配一臺(tái)計(jì)算機(jī)進(jìn)行自動(dòng)傳輸)。“一對(duì)一”方式由于在計(jì)算機(jī)采購和后期維護(hù)方面的費(fèi)用很高而難以使用，并且導(dǎo)致計(jì)算機(jī)資源的浪費(fèi)。使用“多對(duì)一”的網(wǎng)絡(luò)通信時(shí)，可以借助于局域網(wǎng)，將其傳輸距離明顯延長，但存在機(jī)床生產(chǎn)環(huán)境復(fù)雜、布線繁瑣、出現(xiàn)故障很難檢修等問題［3］。因此提出基于WiFi 的數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床無線通信解決方案。

1 嵌入式數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床數(shù)控系統(tǒng)

1.1 嵌入式數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床數(shù)控系統(tǒng)架構(gòu)

沖床數(shù)控系統(tǒng)的模塊框圖如圖1 所示。

圖1 沖床數(shù)控系統(tǒng)的模塊框圖

該嵌入式數(shù)控系統(tǒng)主要由5 大模塊構(gòu)成:人機(jī)交互裝置、嵌入式數(shù)控操作和管理模塊、嵌入式運(yùn)動(dòng)控制模塊和I/O 及伺服控制器等，其中WiFi 無線通信包含在嵌入式數(shù)控操作和管理模塊。

數(shù)控系統(tǒng)主要模塊功能介紹。人機(jī)交互裝置包括手動(dòng)輸入鍵盤、LCD 顯示器和諸多其他功能按鈕，負(fù)責(zé)完成諸如NC 代碼的錄入及編輯顯示工作、手動(dòng)操作以及一些機(jī)床狀態(tài)信息顯示等;嵌入式數(shù)控操作和管理模塊是沖床數(shù)控系統(tǒng)的核心模塊之一，系統(tǒng)的所有人機(jī)交互都由該模塊處理，包括各種機(jī)床參數(shù)的選擇與設(shè)置，NC 代碼的編輯、編譯、存儲(chǔ)和傳輸，系統(tǒng)監(jiān)控與故障診斷，移動(dòng)U 盤的控制及網(wǎng)絡(luò)通信等;嵌入式數(shù)控運(yùn)動(dòng)控制模塊是機(jī)床邏輯運(yùn)動(dòng)控制的核心，利用邏輯運(yùn)算能力，負(fù)責(zé)送料機(jī)運(yùn)行軌跡的計(jì)算、插補(bǔ)、反向間隙補(bǔ)償、信號(hào)采集、主軸及開關(guān)量控制等實(shí)時(shí)性強(qiáng)的運(yùn)算和控制［1］;I/O 模塊的主要任務(wù)是高低電平之間的相互轉(zhuǎn)換、隔離保護(hù)及功率放大等，包括3 ～5 V 轉(zhuǎn)換、3 ～24 V 的轉(zhuǎn)換，采用光電耦合器隔離防止工作現(xiàn)場復(fù)雜電磁干擾以及增大驅(qū)動(dòng)功率等，另外還包括單路信號(hào)與差分信號(hào)的相互轉(zhuǎn)化;伺服控制器用來處理來自控制裝置的指令信號(hào)并完成對(duì)伺服電機(jī)的控制，實(shí)現(xiàn)被控對(duì)象跟隨控制裝置指令脈沖運(yùn)動(dòng)，確保動(dòng)作的快速和準(zhǔn)確。

1.2 系統(tǒng)硬件平臺(tái)的選擇

硬件平臺(tái)選擇廣州天嵌計(jì)算機(jī)科技有限公司的TQ210 開發(fā)板。TQ210 開發(fā)板采用Samsng CortexA8 S5PV210 芯片，CPU 采用45 nm 工藝制成，運(yùn)行最大頻率可達(dá)1 GHz，處理器內(nèi)部有32 kB 的指令高速緩存(I Cache)、32 kB 的數(shù)字高速緩存(D Cache)和512 kB 的二級(jí)緩存(L2 Cache)，完全能夠滿足嵌入式數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床數(shù)控系統(tǒng)對(duì)高實(shí)時(shí)性的要求;S5PV210 芯片的外圍部分包含實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片RTC、4個(gè)PLL、5 個(gè)通道的PWM、1 個(gè)看門狗時(shí)鐘、24 通道的DMA、8 ×14 的小型鍵盤和10 通道12 位觸摸屏專用的ADC 轉(zhuǎn)換，其中PWM 脈沖寬度調(diào)制即利用CORTEXA8 的數(shù)字輸出，來對(duì)模擬電路進(jìn)行控制［4］。該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床數(shù)控系統(tǒng)對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和伺服電機(jī)的調(diào)速;數(shù)控系統(tǒng)還可以根據(jù)編程設(shè)定的加工速度指令，調(diào)用IO 流接口函數(shù)，配合動(dòng)態(tài)設(shè)置的PWM 常數(shù)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)插補(bǔ)。該硬件平臺(tái)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床數(shù)控系對(duì)實(shí)時(shí)性要求很高的功能如伺服控制、插補(bǔ)等，而且能夠滿足數(shù)控系統(tǒng)向高速度高精度和網(wǎng)絡(luò)化制造發(fā)展的需求。因此作者選擇廣州天嵌計(jì)算機(jī)科技有限公司的TQ210 開發(fā)板作為嵌入式數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)的硬件平臺(tái)。

1.3 系統(tǒng)軟件平臺(tái)的選型與搭建

目前應(yīng)用較多的嵌入式系統(tǒng)主要有Linux 和WinCE 等。Linux 提供開放的源代碼且不需支付費(fèi)用，占據(jù)國內(nèi)主要市場，但是也有諸多不足之處:開發(fā)難度較高，系統(tǒng)調(diào)試工具不夠豐富，沒有良好的用戶圖形界面，占用較大的內(nèi)存空間等。

Windows Embedded Compact7 (通常簡稱為WinCE7 或Windows CE 7)是一種安全可靠的硬實(shí)時(shí)高性能嵌入式操作系統(tǒng)，它將最新的網(wǎng)絡(luò)、多媒體和通信技術(shù)結(jié)合在一起封裝在小設(shè)備中，具有搶占式多任務(wù)執(zhí)行的特性和強(qiáng)大的通信能力。Windows Embedded Compact7 擁有Windows 7 的特點(diǎn)，支持虛擬內(nèi)存機(jī)制、按需分配內(nèi)存和內(nèi)存映射文件，它專門為信息設(shè)備、移動(dòng)計(jì)算、消費(fèi)類電子產(chǎn)品和嵌入式應(yīng)用等非PC 領(lǐng)域而設(shè)計(jì)，為不同的應(yīng)用和設(shè)備提供強(qiáng)大的可定制功能。新一代的嵌入式操作系統(tǒng)平臺(tái)Windows Embedded Compact7 完整地集成了Windows Embedded CE6.0 的諸多特性，更多的新特性可以幫助開發(fā)者更快地構(gòu)建創(chuàng)新的消費(fèi)類電子設(shè)備和工業(yè)控制設(shè)備。Windows Embedded Compact7 不僅支持X86 和MIPS，同時(shí)支持最新的ARMv7 架構(gòu)和多核處理器并能在Visual Studio 2008 中無縫集成Platform Builder 2008，可以為開發(fā)者提供更高效的、流暢的開發(fā)體驗(yàn)［5］。因此，開發(fā)平臺(tái)選用Windows Embedded CE 系列最新一代操作系統(tǒng)Windows Embedded Compact7 來進(jìn)行軟件系統(tǒng)的開發(fā)。

在Windows Embedded Compact7 開發(fā)環(huán)境搭建過程中，由于是采用微軟官方提供的在線安裝包，如果采用默認(rèn)的方式安裝可能需要的磁盤空間很大，大約50 GB，但具體到開發(fā)好多默認(rèn)安裝的功能是用不到的，因此為了節(jié)約PC 的磁盤空間和保證運(yùn)行速率，安裝過程應(yīng)選擇開發(fā)用到的功能，比如安裝VS2008時(shí)由于開發(fā)用到的語言是VC + + 語言，其他如C#、JAVA 等就無需安裝。還有就是搭建Platform Builder，應(yīng)選擇對(duì)應(yīng)于硬件平臺(tái)所需要的處理器，比如該設(shè)計(jì)選用的硬件平臺(tái)是基于Cortex-A8 微處理器的平臺(tái)，它遵從ARMv7 架構(gòu)規(guī)范，安裝時(shí)只選“ARMv7 Architecture”選項(xiàng)即可，其他用不到的處理器則不要選，以免安裝時(shí)費(fèi)時(shí)、費(fèi)大量磁盤空間而對(duì)開發(fā)無用。經(jīng)過自定義，安裝完成后大約占用磁盤空間35 GB。下面是Windows Embedded Compact7 開發(fā)環(huán)境搭建步驟:

(1)Visual Studio 2008;

(2)Microsoft Expression Blend;

(3)Windows Embedded Compact 7;

(4)Microsoft Virtual PC。

完成上述步驟，Windows Embedded Compact 7 操作系統(tǒng)就安裝完成了，下一步就完成定制好的操作系統(tǒng)的開發(fā)板移植工作。采用USB 線下載移植鏡像，完成移植主要3 個(gè)步驟: (1)用原來的CE6 的EBOOT 來燒寫CE7 的STEPLDR 和CE7 的EBOOT;(2)運(yùn)行CE7 的EBOOT ，并輸入“F”命令;(3)用CE7 的EBOOT 通過USB 下載燒寫CE7 的NK。移植完成后啟動(dòng)開發(fā)板后界面見圖2。

圖2 開發(fā)板啟動(dòng)界面

2 數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床無線通信的實(shí)現(xiàn)

2.1 數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床無線通信模塊的選型

目前實(shí)現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)，主要有藍(lán)牙無線接入技術(shù)、家庭網(wǎng)絡(luò)的HomeRF 技術(shù)、紅外數(shù)據(jù)通信IrDA 以及IEEE802.11 連接技術(shù)等幾種技術(shù)。藍(lán)牙技術(shù)是由移動(dòng)通信公司與移動(dòng)計(jì)算機(jī)公司聯(lián)合起來開發(fā)的傳輸范圍約為10 m 的短距離無線通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，用來在便攜式計(jì)算機(jī)、移動(dòng)電話以及其他移動(dòng)設(shè)備之間建立起一種小型、經(jīng)濟(jì)、短距離的無線鏈路。由于藍(lán)牙無線網(wǎng)絡(luò)面向的是短距離聯(lián)網(wǎng)，所以將其應(yīng)用在制造車間是不適合的。HomeRF 主要為家庭網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，是IEEE802.11 與DECT (Digital Enhance cordless Telephone，是根據(jù)泛歐地區(qū)共同通信協(xié)定標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)的移動(dòng)產(chǎn)品)的結(jié)合，旨在降低語音數(shù)據(jù)成本［6］。紅外數(shù)據(jù)通信IrDA 是利用紅外線進(jìn)行點(diǎn)到點(diǎn)視距傳輸?shù)募夹g(shù)，它是在1993年由紅外線數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)制訂的。目前IrDA 的傳送速率最高為16 Mb/s，接收角度120°。紅外傳輸設(shè)備體積小、功耗低、技術(shù)成熟，進(jìn)入市場早，價(jià)格便宜、應(yīng)用廣泛。但I(xiàn)rDA 的最大缺點(diǎn)是只能進(jìn)行視距傳輸，即通信設(shè)備中間不能存在阻擋物，從而把IrDA 應(yīng)用限制在特定領(lǐng)域之內(nèi)［7］。WiFi 是一種基于IEEE802.11 協(xié)議的短程無線傳輸技術(shù)，具有無需布線、覆蓋范圍廣以及有效距離長的特點(diǎn)，且傳輸速度快，其中IEEE802.11n 已達(dá)到600 Mb/s，能夠滿足大多用戶的需求［8］。與藍(lán)牙這種無線傳輸方式一樣，都是經(jīng)常使用的短距離無線傳播技術(shù)，雖然在安全性方面，藍(lán)牙技術(shù)更強(qiáng)一些，但是在網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍方面，WiFi 更有優(yōu)勢，可以達(dá)到90 m左右。另外，WiFi 的傳輸速率也更快［9］。因此采用WiFi，無線模塊選用海凌科電子新推出的HLKRM04 模組。

2.2 數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床WiFi 無線通信實(shí)現(xiàn)

數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床無線通信模塊包括與上位機(jī)連接的WiFi 模塊1 和與機(jī)床嵌入式控制器連接的WiFi 模塊2，兩個(gè)模塊之間無線通信的實(shí)現(xiàn)是整個(gè)機(jī)床通信的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。WiFi 無線網(wǎng)絡(luò)傳輸包括上電初期的設(shè)備探測、信息查詢、設(shè)備初始化和網(wǎng)絡(luò)連接建立部分，以及通信過程中的數(shù)據(jù)包發(fā)送、接受和管理等。

WinCE7 下WiFi 初始化的實(shí)現(xiàn)主要有4 個(gè)步驟:

(1)查找系統(tǒng)中可用無線網(wǎng)絡(luò)

實(shí)現(xiàn)程序如下:

(2)獲取并解析無線網(wǎng)絡(luò)信息

獲取無線網(wǎng)卡及掃描無線AP 信息可由以下函數(shù)實(shí)現(xiàn):

BOOL GetWirelessCardInfo (PTCHAR pCard，PINTF_ENTRY_EX pIntf，PDWORD pOutFlags)

其中:pCard 為無線網(wǎng)卡標(biāo)識(shí)號(hào)GUID;pIntf 為無線網(wǎng)卡配置信息結(jié)果體;pOutFlags 為網(wǎng)卡配置信息掩碼標(biāo)志。

(3)連接網(wǎng)絡(luò)

實(shí)現(xiàn)無線網(wǎng)卡連接到需要的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可調(diào)用以下函數(shù):

BOOL WirelessConnectToAP (PTCHAR pSSID，PTCHAR pCard，ULONG ulPrivacy，BOOL bAdhoc，NDIS_802_11 _AUTHENTICATION _MODE ndisMode，PTCHAR pKey，int iKeyIndex，int iEapType)

(4)判斷網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)

當(dāng)完成網(wǎng)絡(luò)連接后，如要判斷網(wǎng)絡(luò)連接是否成功，可調(diào)用以下函數(shù):

BOOL IsAssociated (const INTF_ENTRY_EX Intf，const DWORD dwOutFlags)

上位機(jī)與機(jī)床嵌入式控制器之間數(shù)據(jù)交互過程見圖3。

圖3 數(shù)據(jù)交互流程圖

3 系統(tǒng)測試和實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)機(jī)床選擇南京華訊機(jī)械制造有限公司HPI-3047 數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床1 臺(tái)，實(shí)驗(yàn)環(huán)境為生產(chǎn)車間工作環(huán)境。Wireshark 是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包分析軟件。網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包分析軟件的功能是截取網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包，并盡可能顯示出最為詳細(xì)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)。利用Wireshark軟件抓取上位機(jī)與機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)嵌入式控制器之間通信的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包，Wireshark 軟件抓取的無線通信數(shù)據(jù)包見圖4。

圖4 無線通信數(shù)據(jù)包

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:文中設(shè)計(jì)的嵌入式數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床WiFi 無線通信，能夠?qū)崿F(xiàn)上位機(jī)與機(jī)床嵌入式控制器之間的數(shù)據(jù)交互，完全能夠取代傳統(tǒng)的線纜通信，降低了企業(yè)成本，提高了機(jī)床執(zhí)行效率。

4 結(jié)束語

運(yùn)用當(dāng)今熱門的嵌入式技術(shù)開發(fā)嵌入式數(shù)控系統(tǒng)，避免了基于PC 的數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高、硬件冗余且無法裁剪、功耗大且可靠性低的劣勢。建立基于WinCE7 和CORTEXA8 的嵌入式數(shù)控系統(tǒng)，滿足了數(shù)控機(jī)床對(duì)高實(shí)時(shí)性的要求。把WiFi 無線通信技術(shù)應(yīng)用到數(shù)控機(jī)床通信系統(tǒng)中去，取代傳統(tǒng)的線纜通信，免去了車間安裝線纜和后期維護(hù)檢修的工作。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、無線通信技術(shù)及信息處理技術(shù)的發(fā)展，相信數(shù)控機(jī)床通信能夠?qū)崿F(xiàn)無線化、高效化和制造的網(wǎng)絡(luò)化，降低企業(yè)的成本，提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

［1］王燚．基于嵌入式技術(shù)的沖床數(shù)控系統(tǒng)研究與開發(fā)［D］．武漢:武漢理工大學(xué)，2009．

［2］張磊．基于WindowsCE 的開放式數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］．武漢:華中科技大學(xué)，2011．

［3］樂英高，任小洪，徐衛(wèi)東，等．基于ZigBee 的數(shù)控機(jī)床通信系統(tǒng)研究［J］．機(jī)床與液壓，2012，40(9):81－83，87．

［4］熊積健，王琪．基于S5PV210 平板電腦的設(shè)計(jì)［J］．計(jì)算機(jī)與現(xiàn)代化，2012(5):189－191，194．

［5］尹成．Windows CE7 開發(fā)實(shí)戰(zhàn)詳解［M］．北京:人民郵電出版社，2012．

［6］王宏余．基于WLAN 的網(wǎng)絡(luò)化DNC 系統(tǒng)研究［D］．鎮(zhèn)江:江蘇大學(xué)，2008．

［7］與非網(wǎng)．WiFi、藍(lán)牙、HomeRF 和紅外四種短距離無線通信簡介［OL］．2012．http://www.eefocus.com/rf-microwave/316166．

［8］楊順，李明明．基于ARM 和WiFi 技術(shù)的遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］．計(jì)算機(jī)測量與控制，2013(11):3068－3071．

［9］李鵬．基于嵌入式系統(tǒng)無線條碼采集終端的研究與設(shè)計(jì)［D］．西安:西安科技大學(xué)，2012．