采用無線通信技術(shù)的新型數(shù)控系統(tǒng)

引言     

近年來移動通信技術(shù)和掌上電腦的飛速發(fā)展及其在其他領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，必將對制造業(yè)產(chǎn)生深刻的影響，并為數(shù)字化制造帶來重大的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。
     
在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的數(shù)字化制造不僅僅取決于企業(yè)上層管理和設(shè)計的數(shù)字化和信息化，也取決于車間底層的數(shù)字化和信息化。我們提出一種基于移動通信技術(shù)的人機(jī)協(xié)同的新型數(shù)字化制造模式，它把無線移動通信技術(shù)引進(jìn)來，創(chuàng)建一種以人為中心的能充分發(fā)揮“人的智能”和“機(jī)器智能”的分布式人機(jī)協(xié)同工作模式。車間數(shù)字助理（Shop Floor PDA）和新型數(shù)控系統(tǒng)構(gòu)成了這種新型制造模式的兩個核心環(huán)節(jié)。本文只討論后者。
     
采用無線通信技術(shù)的新型開放式數(shù)控系統(tǒng)
     
采用無線通信技術(shù)的新型開放式數(shù)控系統(tǒng)由兩部分構(gòu)成：一部分是可移動的掌上控制器，即數(shù)控PDA;另一部分則安裝于機(jī)床上，完成傳統(tǒng)的運(yùn)動控制和PLC 功能，稱為嵌入式機(jī)床控制器。兩部分之間通過Wi- Fi（802.11）或藍(lán)牙（Bluetooth）接口實現(xiàn)移動通信，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。在這種模式下，現(xiàn)今數(shù)控系統(tǒng)中的很大一部分功能將被轉(zhuǎn)移到數(shù)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(jī)床調(diào)整、加工數(shù)據(jù)和機(jī)床狀態(tài)的采集以及和車間管理/調(diào)度服務(wù)器通信等。而機(jī)床控制器則主要執(zhí)行實時運(yùn)動控制和 PLC 功能。這種新型數(shù)控是真正的嵌入式系統(tǒng)，能大大降低數(shù)控系統(tǒng)的體積和成本。同時，通過數(shù)控PDA 也徹底改變了數(shù)控機(jī)床的操作模式，把以機(jī)器為中心改變?yōu)橐匀藶橹行摹２僮髡邿o論在位置上還是在姿勢上都不再被機(jī)床所束縛。操作更方便，更舒適，也容易實現(xiàn)一人多機(jī)操作。

由于這種專業(yè)化的數(shù)控PDA可以通過無線局域網(wǎng)和Internet上網(wǎng)，獲得車間或單元服務(wù)器乃至CAD/CAM 技術(shù)中心的支持，因而極大的增強(qiáng)了數(shù)控系統(tǒng)的功能。同時，因為數(shù)控PDA 是一個通用的數(shù)控裝置，可以顯示多種機(jī)床的操作界面，控制不同的數(shù)控機(jī)床。由此，一個手握數(shù)控PDA的操作者和若干臺數(shù)控機(jī)床就能構(gòu)成一個人機(jī)協(xié)同的加工單元。這種在數(shù)字技術(shù)支持下的以人為中心的加工單元，較之傳統(tǒng)的柔性加工單元更加靈活、更加可靠。此外，數(shù)控PDA 還具有本地數(shù)據(jù)庫管理功能，因而能用于組建車間網(wǎng)絡(luò)化制造的分布式數(shù)據(jù)庫，使之成為分布式體系結(jié)構(gòu)中實時獲取現(xiàn)場數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)結(jié)點。
    
1.1 數(shù)控PDA 的硬件結(jié)構(gòu)
     
基于IEEE802.11 下的數(shù)控PDA 的硬件體系結(jié)構(gòu)主要由32 位嵌入式微處理器、高速內(nèi)存、FLSH電子盤、無線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(shè)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(nèi)核作為其系統(tǒng)內(nèi)核，時鐘頻率高達(dá)206MHz，可以為數(shù)控PDA 提供強(qiáng)大的處理能力。
     
在通信方面，數(shù)控PDA 提供了USB 接口、串行接口和無線通信模塊。通過這些接口可以方便地與上級服務(wù)器或嵌入式機(jī)床控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。無線模塊采用Airgo公司的支持 IEEE802.11a/b/g 3 種無線LAN 標(biāo)準(zhǔn)的收發(fā)器芯片組。該芯片組可同時支持2.4GHz 和5GHz 頻帶下的OFDM（正交頻分多路復(fù)用）變頻方式。除了IEEE802.11a/b，還可支持最近作為標(biāo)準(zhǔn)剛剛獲得通過的IEEE802.11g。

IEEE802.11g是利用2.4GHz頻帶來實現(xiàn)最大數(shù)據(jù)傳輸速度54Mbit/ 秒的無線LAN 規(guī)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 的無線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，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(shù)控PDA的主設(shè)備是由微處理器和IEEE802.11芯片組構(gòu)成。IEEE802.11芯片組接受來自主機(jī)的控制指令，經(jīng)過基帶控制器的處理后命令無線收發(fā)器發(fā)出2.4-5.0GHz 帶寬的無線電波。IEEE802.11 芯片組和主機(jī)的連接可以通過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(jī)負(fù)責(zé)處理，下層的通信協(xié)議則由芯片組內(nèi)的基帶層芯片與無線收發(fā)器芯片負(fù)責(zé)。數(shù)控PDA 可與嵌入式機(jī)床控制器802.11無線網(wǎng)卡進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和對數(shù)控機(jī)床進(jìn)行控制。
     
由于把主要的系統(tǒng)管理功能、人機(jī)交互和數(shù)控編程等轉(zhuǎn)移給了數(shù)控PDA，因而新型數(shù)控的機(jī)床控制部分比傳統(tǒng)的數(shù)控設(shè)備簡化了許多，近似于一個運(yùn)動控制器和PLC。其硬軟件配置主要滿足伺服系統(tǒng)實時控制和機(jī)床I/O 功能的要求，但它必須增加無線通信的功能模塊。在硬件上，采用基于104 總線的嵌入式工控PC機(jī)的體系結(jié)構(gòu)。這種體系結(jié)構(gòu)不僅能完全滿足上述要求，而且具有體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、堅固可靠和成本低等特點，不失為一種較理想的選擇。
     
1.2 數(shù)控PDA 的軟件結(jié)構(gòu)
     
當(dāng)前用于掌上電腦上的嵌入式操作系統(tǒng)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基于Win32應(yīng)用程序編程接口（API）的操作系統(tǒng)。我們采用Windows CE.NET 和Visual Studio.Net分別作為數(shù)控PDA的操作系統(tǒng)平臺和應(yīng)用程序開發(fā)平臺。整個軟件系統(tǒng)按功能模塊進(jìn)行設(shè)計。系統(tǒng)實現(xiàn)分為3 個層次，分別是人機(jī)界面和系統(tǒng)管理層、數(shù)據(jù)組織與管理層、與上級服務(wù)器及下級嵌入式機(jī)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(shù)據(jù)鏈路通信協(xié)議的實現(xiàn)、表示層的具體實現(xiàn)。數(shù)據(jù)庫管理完成數(shù)據(jù)的建立、排序、檢索與維護(hù)，實現(xiàn)真正的移動傳輸。系統(tǒng)的控制管理層是整個軟件系統(tǒng)的核心，對于數(shù)控 PDA 來說，其功能和智能化程度的區(qū)別都反映在這一層上，系統(tǒng)功能的增減也均在這一層進(jìn)行，包括程序的編譯解釋、調(diào)整、自動、診斷、參數(shù)設(shè)置、仿真等與用戶操作有關(guān)的功能子模塊。
     
各功能模塊通過無線通信程序與底層進(jìn)行信息交換。其軟件功能模塊結(jié)構(gòu)如圖3 所示。通信層采用串口，USB 和無線通信口3 種通信方式。串口通信方式采用RS232串行總線技術(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，傳送速率可高達(dá)480Mbps;無線通信方式遵循IEEE802.11 通信協(xié)議，支持最高傳輸速率為54Mbps。整個系統(tǒng)的應(yīng)用軟件具有控制、數(shù)據(jù)處理、人機(jī)交互、網(wǎng)絡(luò)通訊等功能。

2.新型數(shù)控中無線通信技術(shù)
     
2.1 802.11通信機(jī)制
     
目前常用的掌上電腦的無線聯(lián)網(wǎng)方式有GPRS， IEEE802.11（Wi-Fi），藍(lán)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 年最新版本的無線局域網(wǎng)（WLAN）標(biāo)準(zhǔn)。與藍(lán)牙協(xié)議和家庭網(wǎng)絡(luò)的HOME RF 標(biāo)準(zhǔn)相比IEEE802.11 協(xié)議具有傳輸距離遠(yuǎn)，傳輸速度快等優(yōu)點，是無線通信技術(shù)發(fā)展的主流。和其他IEEE802.x 標(biāo)準(zhǔn)一樣，802.11 標(biāo)準(zhǔn)著重定義了物理層（PHY）和介質(zhì)訪問控制（MAC）子層。IEEE802.11 的MAC 層提供對無線共享介質(zhì)的訪問控制。除此之外，還提供支持無線傳輸和站點移動所必須的網(wǎng)絡(luò)連接、認(rèn)證、保密和電源管理等功能。近年來，802.11標(biāo)準(zhǔn)又?jǐn)U展出802.11b、802.11a、802.11g等系列，這些擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)采用的是不同的物理層標(biāo)準(zhǔn)，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)議沒有重大改變。
     
2.2 新型數(shù)控中無線通信的具體實現(xiàn)方案
     
在新型數(shù)控體系結(jié)構(gòu)中，數(shù)控P D A 是通過IEEE802.11x 通信協(xié)議與車間服務(wù)器及機(jī)床控制器通信。根據(jù)機(jī)床控制系統(tǒng)的不同配置，其無線通信的實現(xiàn)方案也不同。主要有以下幾種：
     
（1） 數(shù)控PDA的無線模塊和單片機(jī)數(shù)控系統(tǒng)相連的無線通信接口電路;
（2） 數(shù)控PDA的無線模塊通過與傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)的RS232/802.11轉(zhuǎn)換器相連接;
（3） 通過數(shù)控PDA的無線模塊與嵌入式機(jī)床控制器的802.11x無線網(wǎng)卡通信。
     
在單片機(jī)數(shù)控系統(tǒng)中，通過一種基于單片機(jī)無線通訊接口電路來實現(xiàn)數(shù)控PDA 與單片機(jī)的無線通信。這種單片機(jī)無線通訊接口電路是由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(diào)制和解調(diào)能力，抗干擾能力強(qiáng)，非常適合于工業(yè)控制領(lǐng)域。同時它又具備頻率穩(wěn)定性好，接受靈敏度高，功耗底等優(yōu)點?？梢苑奖銛?shù)控PDA 與單片機(jī)之間的串行數(shù)據(jù)無線通信。其接口電路工作原理如圖4 所示。

對于傳統(tǒng)數(shù)控機(jī)床來說，通常這些設(shè)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(shè)備與數(shù)控PDA 通信呢?一個經(jīng)濟(jì)、快速的解決方案是，在傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)的串行接口上外接一個RS-232/802.11轉(zhuǎn)換器，將數(shù)控設(shè)備的串口RS-232信號與無線通信信號相互轉(zhuǎn)換，使之符合IEEE 802.11x通信協(xié)議。它使數(shù)控設(shè)備與無線局域網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)，有效地擴(kuò)展了數(shù)控設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)通信能力，并且最終使固定的數(shù)控設(shè)備可以與自由移控動的數(shù)控PDA實現(xiàn)無線通信。
     
總而言之一種基于IEEE 802.11協(xié)議下的無線串口是網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的數(shù)字化制造的重要趨勢。其無線通信結(jié)構(gòu)見圖5所示。二者間無線通信的實現(xiàn)，實際上可以看作是用無線模塊替代有線串口連接，亦既將兩個無線模塊組成的無線信道看成是一個兩端口的設(shè)備。對兩設(shè)備而言，串口通信時有線連接與無線連接的端子對應(yīng)關(guān)系是一樣的。用無線信道替代有線連接的通信程序編制也基本相同。但需要注意以下幾點：

（1） 在有線連接的通信程序中串口幀格式、串口速率可任意設(shè)置。連接線本身對上述兩個參數(shù)無限制。而在無線模塊中這兩個參數(shù)為一固定值，因此這兩個參數(shù)要與無線模塊的設(shè)置一致。
     
（2） 有線連接時，發(fā)端發(fā)出數(shù)據(jù)的時刻與收端收到數(shù)據(jù)的時刻無時間間隔。而無線模塊在發(fā)送數(shù)據(jù)時要進(jìn)行收發(fā)轉(zhuǎn)換及時鐘同步，所以在無線通信時主設(shè)備發(fā)出數(shù)據(jù)的時刻與從設(shè)備收到數(shù)據(jù)的時刻有時間間隔。
     
（3） 有線連接時串口通信是全雙工的。無線模塊的通信是雙向半雙工的。因此在通信編程時應(yīng)進(jìn)行控制將收發(fā)的時間錯開。
     
對于當(dāng)代的開放式數(shù)控系統(tǒng)來說，可以在通用的操作系統(tǒng)支持下實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的和功能強(qiáng)大的無線通信。目前國內(nèi)外的開放式數(shù)控系統(tǒng)所采用的操作系統(tǒng)，一種是基于DOS，另一種是基于Windows98/NT。DOS 是運(yùn)行于16 位實模式下的單任務(wù)操作系統(tǒng)，實時性好，但受16位實模式的限制，難以實現(xiàn)高效可靠的網(wǎng)絡(luò)尤其是無線網(wǎng)絡(luò)通信的要求;Windows98/NT 功能強(qiáng)大，但體系結(jié)構(gòu)龐大，實時性差，不能滿足數(shù)控要求。Windows CE.NET 是微軟推出的新一代嵌入式操作系統(tǒng)，具有較強(qiáng)的實時性，兼?zhèn)銬OS 和Windows 的優(yōu)點，“小而精”，是完全開放的模塊化體系結(jié)構(gòu)，支持藍(lán)牙和802.11x無線通信協(xié)議以及友好的圖形界面。考慮到Microsoft公司的產(chǎn)品有更多技術(shù)支持和可利用的資源，結(jié)合我們幾年的研究基礎(chǔ)和應(yīng)用經(jīng)驗，因此我們選其作為新型數(shù)控系統(tǒng)的嵌入式機(jī)床控制器的操作系統(tǒng)平臺。硬件采用104總線的工業(yè)控制主板加802.11x無線網(wǎng)卡，實現(xiàn)與數(shù)控PDA 無線模塊的無線通信。
     
2.3 STR-6無線數(shù)據(jù)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無線收發(fā)模塊作為實現(xiàn)數(shù)控PDA 與傳統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的RS-232串口的無線通信。它具有微功率發(fā)射、高抗擾能力和低誤碼率、傳輸距離遠(yuǎn)、多信道、大緩沖區(qū)等優(yōu)點。它提供標(biāo)準(zhǔn)的RS- 232，RS-485 和UART/TTL 電平3 種接口方式，可直接與計算機(jī)、用戶的RS-485 設(shè)備、單片機(jī)或其他UART 器件連接使用。利用兩臺連有STR-6無線收發(fā)模塊的計算機(jī)可以在相距500 米距離以內(nèi)實現(xiàn)無線傳輸功能。無線模塊的工作原理圖如圖6 所示。

STR -6無線收發(fā)模塊通信實現(xiàn)方法：無線模塊A在發(fā)送數(shù)據(jù)之前首先發(fā)送握手信號給對方無線模塊B，無線模塊B 收到握手信號后反饋一個應(yīng)答信號。若無線模塊A收不到正確的反饋應(yīng)答信號，表明雙方?jīng)]有正常建立無線通信連接，無線模塊A 則繼續(xù)發(fā)送握手信號直到收到反饋信號為止。無線模塊A 收到反饋信號后開始發(fā)送數(shù)據(jù)。無線模塊B 根據(jù)所接受的信息，將數(shù)據(jù)存儲在用戶所指定的路徑下，完成整個無線通信過程。
     
結(jié)論
     
車間數(shù)字化是企業(yè)制造數(shù)字化和信息化的重要基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，也是我們所面臨的一個難點。企求排除人的參與，完全依靠計算機(jī)和自動化技術(shù)實現(xiàn)制造業(yè)數(shù)字化和信息化是不現(xiàn)實的。只有通過把當(dāng)前無線與移動通信技術(shù)引入到制造業(yè)中，實現(xiàn)隨時隨地的信息獲取和人機(jī)溝通，把人的智能和機(jī)器的智能無縫的結(jié)合起來，形成一個以人為中心的人機(jī)協(xié)同的制造模式，才能真正實現(xiàn)這個目標(biāo)。采用無線通信技術(shù)的具有數(shù)控PDA 功能的新型數(shù)控系統(tǒng)的研制，將為實現(xiàn)這種嶄新的制造模式打下堅實的基礎(chǔ)。