采用无线通信技术的新型数控系统

     引言      近年来移动通信技术和掌上电脑的飞速发展及其在其他领域的广泛应用，必将对制造业产生深刻的影响，并为数字化制造带来重大的机遇和挑战。
      在网络环境下的数字化制造不仅仅取决于企业上层管理和设计的数字化和信息化，也取决于车间底层的数字化和信息化。我们提出一种基于移动通信技术的人机协同的新型数字化制造模式，它把无线移动通信技术引进来，创建一种以人为中心的能充分发挥“人的智能”和“机器智能”的分布式人机协同工作模式。车间数字助理（Shop Floor PDA）和新型数控系统构成了这种新型制造模式的两个核心环节。本文只讨论后者。
      采用无线通信技术的新型开放式数控系统
      采用无线通信技术的新型开放式数控系统由两部分构成：一部分是可移动的掌上控制器，即数控PDA;另一部分则安装于机床上，完成传统的运动控制和PLC 功能，称为嵌入式机床控制器。两部分之间通过Wi- Fi（802.11）或蓝牙（Bluetooth）接口实现移动通信，其结构框图如图1 所示。在这种模式下，现今数控系统中的很大一部分功能将被转移到数控PDA 上。这些功能主要包括加工程序的编制、仿真与下载（包括手工编程和从CAD/CAM 工作站或台式电脑上下载巨型加工程序）、机床调整、加工数据和机床状态的采集以及和车间管理/调度服务器通信等。而机床控制器则主要执行实时运动控制和 PLC 功能。这种新型数控是真正的嵌入式系统，能大大降低数控系统的体积和成本。同时，通过数控PDA 也彻底改变了数控机床的操作模式，把以机器为中心改变为以人为中心。操作者无论在位置上还是在姿势上都不再被机床所束缚。操作更方便，更舒适，也容易实现一人多机操作。
      由于这种专业化的数控PDA可以通过无线局域网和Internet上网，获得车间或单元服务器乃至CAD/CAM 技术中心的支持，因而极大的增强了数控系统的功能。同时，因为数控PDA 是一个通用的数控装置，可以显示多种机床的操作界面，控制不同的数控机床。由此，一个手握数控PDA的操作者和若干台数控机床就能构成一个人机协同的加工单元。这种在数字技术支持下的以人为中心的加工单元，较之传统的柔性加工单元更加灵活、更加可靠。此外，数控PDA 还具有本地数据库管理功能，因而能用于组建车间网络化制造的分布式数据库，使之成为分布式体系结构中实时获取现场数据的基础结点。
      1.1 数控PDA 的硬件结构
      基于IEEE802.11 下的数控PDA 的硬件体系结构主要由32 位嵌入式微处理器、高速内存、FLSH电子盘、无线通信模块以及高效电池和LCD 触摸屏等部分组成（如图2所示）。在硬件设计上采用Intel公司Strong ARM SA — 1100 32 位RISC 微处理器，它以ARM 公司的SA — 1 内核作为其系统内核，时钟频率高达206MHz，可以为数控PDA 提供强大的处理能力。
      在通信方面，数控PDA 提供了USB 接口、串行接口和无线通信模块。通过这些接口可以方便地与上级服务器或嵌入式机床控制器进行数据通信。无线模块采用Airgo公司的支持 IEEE802.11a/b/g 3 种无线LAN 标准的收发器芯片组。该芯片组可同时支持2.4GHz 和5GHz 频带下的OFDM（正交频分多路复用）变频方式。除了IEEE802.11a/b，还可支持最近作为标准刚刚获得通过的IEEE802.11g。
      IEEE802.11g是利用2.4GHz频带来实现最大数据传输速度54Mbit/ 秒的无线LAN 规格。该芯片组由基带芯片和R F 芯片组成，支持使用5 G H z 带宽的IEEE802.11a、使用2.4GHz 带宽的IEEE802.11b 及IEEE802.11g 的无线LAN 方式。基带芯片带有IEEE802.11 的MAC 功能和PHY 功能，并进行MIMO信号处理。同时，该芯片组嵌入了IEEE802.11的安全功能加速器及服务质量（QoS）保证电路。
      如图2 所示,数控PDA的主设备是由微处理器和IEEE802.11芯片组构成。IEEE802.11芯片组接受来自主机的控制指令，经过基带控制器的处理后命令无线收发器发出2.4-5.0GHz 带宽的无线电波。IEEE802.11 芯片组和主机的连接可以通过USB、MINI PCI，CARDBUS，从而省去所需外部桥接器件。HCI（Host Controller Interface）的上层通信协议由主机负责处理，下层的通信协议则由芯片组内的基带层芯片与无线收发器芯片负责。数控PDA 可与嵌入式机床控制器802.11无线网卡进行数据传输和对数控机床进行控制。
      由于把主要的系统管理功能、人机交互和数控编程等转移给了数控PDA，因而新型数控的机床控制部分比传统的数控设备简化了许多，近似于一个运动控制器和PLC。其硬软件配置主要满足伺服系统实时控制和机床I/O 功能的要求，但它必须增加无线通信的功能模块。在硬件上，采用基于104 总线的嵌入式工控PC机的体系结构。这种体系结构不仅能完全满足上述要求，而且具有体积小、结构紧凑、坚固可靠和成本低等特点，不失为一种较理想的选择。
      1.2 数控PDA 的软件结构
      当前用于掌上电脑上的嵌入式操作系统有很多, 较典型的有Windows CE、Pocket OS、Palm OS、Hopen、嵌入式Linux 等。Windows CE.NET 作为目前掌上电脑的是一个基于Win32应用程序编程接口（API）的操作系统。我们采用Windows CE.NET 和Visual Studio.Net分别作为数控PDA的操作系统平台和应用程序开发平台。整个软件系统按功能模块进行设计。系统实现分为3 个层次，分别是人机界面和系统管理层、数据组织与管理层、与上级服务器及下级嵌入式机床控制器进行通信的通信层。通信层包括了通信链路的建立、数据链路通信协议的实现、表示层的具体实现。数据库管理完成数据的建立、排序、检索与维护，实现真正的移动传输。系统的控制管理层是整个软件系统的核心，对于数控 PDA 来说，其功能和智能化程度的区别都反映在这一层上，系统功能的增减也均在这一层进行，包括程序的编译解释、调整、自动、诊断、参数设置、仿真等与用户操作有关的功能子模块。
      各功能模块通过无线通信程序与底层进行信息交换。其软件功能模块结构如图3 所示。通信层采用串口，USB 和无线通信口3 种通信方式。串口通信方式采用RS232串行总线技术，全双工，传送波特率为57600bps;USB 通信方式采用USB2.0 高速通用串行总线，传送速率可高达480Mbps;无线通信方式遵循IEEE802.11 通信协议，支持最高传输速率为54Mbps。整个系统的应用软件具有控制、数据处理、人机交互、网络通讯等功能。
      2.新型数控中无线通信技术
      2.1 802.11通信机制
      目前常用的掌上电脑的无线联网方式有GPRS， IEEE802.11（Wi-Fi），蓝牙技术、家庭网络HOMERF 等。这些方式各有优劣。IEEE802.11 是1999 年最新版本的无线局域网（WLAN）标准。与蓝牙协议和家庭网络的HOME RF 标准相比IEEE802.11 协议具有传输距离远，传输速度快等优点，是无线通信技术发展的主流。和其他IEEE802.x 标准一样，802.11 标准着重定义了物理层（PHY）和介质访问控制（MAC）子层。IEEE802.11 的MAC 层提供对无线共享介质的访问控制。除此之外，还提供支持无线传输和站点移动所必须的网络连接、认证、保密和电源管理等功能。近年来，802.11标准又扩展出802.11b、802.11a、802.11g等系列，这些扩展标准采用的是不同的物理层标准，使通信速率提高到11Mbit/s、22 Mbit/s至54 Mbit/s，但它们对MAC层协议没有重大改变。
      2.2 新型数控中无线通信的具体实现方案
      在新型数控体系结构中，数控P D A 是通过IEEE802.11x 通信协议与车间服务器及机床控制器通信。根据机床控制系统的不同配置，其无线通信的实现方案也不同。主要有以下几种：
      （1） 数控PDA的无线模块和单片机数控系统相连的无线通信接口电路;
      （2） 数控PDA的无线模块通过与传统数控系统的RS232/802.11转换器相连接;
      （3） 通过数控PDA的无线模块与嵌入式机床控制器的802.11x无线网卡通信。
      在单片机数控系统中，通过一种基于单片机无线通讯接口电路来实现数控PDA 与单片机的无线通信。这种单片机无线通讯接口电路是由Micrel公司推出的单片发射器芯片（MICRF102）和单片接受器芯片（MICRF007）组成。工作在国际通用ISM 频段300～400MHZ，具有ASK 调制和解调能力，抗干扰能力强，非常适合于工业控制领域。同时它又具备频率稳定性好，接受灵敏度高，功耗底等优点。可以方便数控PDA 与单片机之间的串行数据无线通信。其接口电路工作原理如图4 所示。
      对于传统数控机床来说，通常这些设备所提供的通信接口是普通的RS-232串行接口。如何使这些设备与数控PDA 通信呢?一个经济、快速的解决方案是，在传统数控系统的串行接口上外接一个RS-232/802.11转换器，将数控设备的串口RS-232信号与无线通信信号相互转换，使之符合IEEE 802.11x通信协议。它使数控设备与无线局域网联网，有效地扩展了数控设备的联网通信能力，并且最终使固定的数控设备可以与自由移控动的数控PDA实现无线通信。
      总而言之一种基于IEEE 802.11协议下的无线串口是网络环境下的数字化制造的重要趋势。其无线通信结构见图5所示。二者间无线通信的实现，实际上可以看作是用无线模块替代有线串口连接，亦既将两个无线模块组成的无线信道看成是一个两端口的设备。对两设备而言，串口通信时有线连接与无线连接的端子对应关系是一样的。用无线信道替代有线连接的通信程序编制也基本相同。但需要注意以下几点：
      （1） 在有线连接的通信程序中串口帧格式、串口速率可任意设置。连接线本身对上述两个参数无限制。而在无线模块中这两个参数为一固定值，因此这两个参数要与无线模块的设置一致。
      （2） 有线连接时，发端发出数据的时刻与收端收到数据的时刻无时间间隔。而无线模块在发送数据时要进行收发转换及时钟同步，所以在无线通信时主设备发出数据的时刻与从设备收到数据的时刻有时间间隔。
      （3） 有线连接时串口通信是全双工的。无线模块的通信是双向半双工的。因此在通信编程时应进行控制将收发的时间错开。
      对于当代的开放式数控系统来说，可以在通用的操作系统支持下实现标准的和功能强大的无线通信。目前国内外的开放式数控系统所采用的操作系统，一种是基于DOS，另一种是基于Windows98/NT。DOS 是运行于16 位实模式下的单任务操作系统，实时性好，但受16位实模式的限制，难以实现高效可靠的网络尤其是无线网络通信的要求;Windows98/NT 功能强大，但体系结构庞大，实时性差，不能满足数控要求。Windows CE.NET 是微软推出的新一代嵌入式操作系统，具有较强的实时性，兼备DOS 和Windows 的优点，“小而精”，是完全开放的模块化体系结构，支持蓝牙和802.11x无线通信协议以及友好的图形界面。考虑到Microsoft公司的产品有更多技术支持和可利用的资源，结合我们几年的研究基础和应用经验，因此我们选其作为新型数控系统的嵌入式机床控制器的操作系统平台。硬件采用104总线的工业控制主板加802.11x无线网卡，实现与数控PDA 无线模块的无线通信。
      2.3 STR-6无线数据传输模块介绍
      我们选用上海桑博科技有限公司生产的STR-6无线收发模块作为实现数控PDA 与传统数控机床的RS-232串口的无线通信。它具有微功率发射、高抗扰能力和低误码率、传输距离远、多信道、大缓冲区等优点。它提供标准的RS- 232，RS-485 和UART/TTL 电平3 种接口方式，可直接与计算机、用户的RS-485 设备、单片机或其他UART 器件连接使用。利用两台连有STR-6无线收发模块的计算机可以在相距500 米距离以内实现无线传输功能。无线模块的工作原理图如图6 所示。
      STR -6无线收发模块通信实现方法：无线模块A在发送数据之前首先发送握手信号给对方无线模块B，无线模块B 收到握手信号后反馈一个应答信号。若无线模块A收不到正确的反馈应答信号，表明双方没有正常建立无线通信连接，无线模块A 则继续发送握手信号直到收到反馈信号为止。无线模块A 收到反馈信号后开始发送数据。无线模块B 根据所接受的信息，将数据存储在用户所指定的路径下，完成整个无线通信过程。
      结论
      车间数字化是企业制造数字化和信息化的重要基础环节，也是我们所面临的一个难点。企求排除人的参与，完全依靠计算机和自动化技术实现制造业数字化和信息化是不现实的。只有通过把当前无线与移动通信技术引入到制造业中，实现随时随地的信息获取和人机沟通，把人的智能和机器的智能无缝的结合起来，形成一个以人为中心的人机协同的制造模式，才能真正实现这个目标。采用无线通信技术的具有数控PDA 功能的新型数控系统的研制，将为实现这种崭新的制造模式打下坚实的基础。