嵌入式數(shù)控系統(tǒng)通信功能的實現(xiàn)

0.引言

市場對數(shù)控系統(tǒng)要求是具有更好的柔性、適應性、擴展性，并向小型化、智能化、網絡化方向發(fā)展。針對這一要求，本文提出了網絡化的嵌入式數(shù)控系統(tǒng)，其中央數(shù)控單元不是PC計算機系統(tǒng)，而是嵌入式控制系統(tǒng)，這種嵌入式控制系統(tǒng)采用ARM+DSP的結構，具有運算能力強、成本低的特點，提高了系統(tǒng)的實時性和可靠性，實現(xiàn)了數(shù)控系統(tǒng)的小型化、網絡化、智能化和集成化。嵌入式數(shù)控系統(tǒng)的其他單元，如伺服控制單元、PLC單元、通信單元、顯示單元、數(shù)據鍵入單元等，也在嵌入式系統(tǒng)的基礎上搭建，屬于嵌入式系統(tǒng)模塊。嵌入式數(shù)控系統(tǒng)的通信部分包含數(shù)控系統(tǒng)內CNC主控單元與伺服驅動及I/O邏輯控制等各單元間的通信、車間級工業(yè)以太網絡的通信和Intranet/Internet網絡通信。

1.系統(tǒng)總體結構

本網絡化嵌入式數(shù)控系統(tǒng)已經由武漢理工大學湖北省數(shù)字制造重點實驗室和嵌入式實驗室聯(lián)合開發(fā)成功。其中主控系統(tǒng)CPU采用三星公司的S3C44B0微控制器，系統(tǒng)的機床控制和插補運算等強實時任務由TI公司的32位TMS320F2812DSP芯片實現(xiàn)。在ARM中移植了U2cos11實時多任務操作系統(tǒng)，以進行實時多任務管理，其主要任務是實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)的人機界面，完成加工程序的輸入、預編譯、軌跡計算、速度計算和加工零件圖形的模擬仿真等任務，同時提供工業(yè)以太網絡接口與上層管理PC機通信，然后通過上層PC機將嵌入式數(shù)控系統(tǒng)連入Internet。DSP負責處理一些實時性強的機床信號，并據ARM的指令執(zhí)行機床控制和插補運算等強實時任務。在ARM中生成用于插補的數(shù)據(加工數(shù)據)，并通過CAN總線發(fā)給DSP，由DSP完成插補處理。伺服單元主要接受ARM和DSP的指令對主軸電機和進給電機進行控制。整個系統(tǒng)的體系結構如圖1所示。

圖1　嵌入式數(shù)控系統(tǒng)的體系結構

2.嵌入式數(shù)控系統(tǒng)通信功能的實現(xiàn)

數(shù)控系統(tǒng)的網絡化是以Internet技術、通訊技術、數(shù)控技術和計算機技術等為基礎，將遠程設計、數(shù)控編程和數(shù)控加工等集成在一起，實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)等數(shù)控設備的網絡化和集成化。嵌入式數(shù)控系統(tǒng)作為網絡化制造系統(tǒng)的基本單元，可以實現(xiàn)制造車間設備的集中控制管理、遠程控制、遠程故障診斷、網絡制造、網上培訓、網上營銷及網上管理等功能，從而可以在全球范圍內將具有不同數(shù)控類型的企業(yè)聯(lián)系起來實現(xiàn)資源的共享和優(yōu)化利用，這樣不僅可以提高產品的加工質量和生產效率，還能敏捷地響應瞬息萬變的市場[1]。嵌入式數(shù)控系統(tǒng)中的通信功能包括3個方面:數(shù)控系統(tǒng)內CNC主控單元與伺服驅動及I/O邏輯控制等各單元間的通信、車間級工業(yè)以太網絡的通信和Intranet/Internet網絡通信，如圖2所示。

圖2　嵌入式數(shù)控系統(tǒng)的通信結構

2.1 系統(tǒng)單元間的通信

系統(tǒng)ARM、DSP和各伺服單元之間通過CAN總線通信。CAN總線的特點決定了它非常適合架構嵌入式數(shù)控系統(tǒng)，首先CAN總線采用了循環(huán)冗余碼校驗(Cy2clicredundancycheck)、框架檢測(Framecheck)、確認信號出錯檢測(ACKerrors)、總線監(jiān)控(Busmonito2ring)、位填充(Bitstuffing)等5種錯誤監(jiān)測和糾錯措施，從而達到了很高的可靠性，平均誤碼率小于10-13[2]。其次，CAN總線采用了獨特的位仲裁技術，具有比CSMA/CD網(IEE802.3)和令牌網(IEE802.4)更高的實時性。除此之外，CAN總線的通訊速率可達1MBPS，遠距離傳輸可達10km，同時接口簡單、安裝方便，通訊控制簡單。在嵌入式數(shù)控系統(tǒng)中，ARM、DSP和伺服單元都實現(xiàn)了CAN總線接口，可以作為系統(tǒng)的一個節(jié)點，非常方便地實現(xiàn)模塊加入、更改和退出。

嵌入式數(shù)控系統(tǒng)的主控CPU采用三星公司的S3C44B0微控制器，芯片內不帶CAN總線協(xié)議控制及驅動核，因此選取PHILIPS公司的SJA1000CAN控制器以及82C250總線收發(fā)器。SJA1000支持CAN2.0A/B規(guī)約，可方便地實現(xiàn)與S3C44B0接口。CAN接口電路如圖3所示，SJA1000集成了CAN協(xié)議的物理層和數(shù)據鏈路層功能，可完成對通信數(shù)據的成幀處理，該控制器具有多主結構、總線訪問優(yōu)先權、硬件濾波等特點。PCA82C250是CAN協(xié)議控制器和物理總線的接口，它可以提供總線的差動發(fā)送能力和接收能力，高速應用可達1MHz，可掛110個節(jié)點。

嵌入式數(shù)控系統(tǒng)的機床控制和插補運算等強實時任務由DSP實現(xiàn)。插補運算硬件采用TI公司的32位TMS320F2812芯片，其最高頻率可達150MHz，時鐘周期縮短到6.67ns，完全滿足數(shù)控插補算法的實時性[3]。同時2812芯片內部集成CAN總線控制器，因此外部只需接82C250總線驅動器即可。所有進行數(shù)據傳輸和接受濾波的協(xié)議由芯片內部的CAN總線控制器實現(xiàn)，通過2812芯片內的特殊功能寄存器可配置CAN控制器訪問接受到的數(shù)據以及進行數(shù)據傳輸。由于2812芯片可完成CAN總線協(xié)議的數(shù)據鏈路層和應用層的所有功能，因此可以非常方便的接入基于CAN總線的數(shù)控系統(tǒng)。

圖3　嵌入式數(shù)控系統(tǒng)的CAN接口電路

考慮到數(shù)控系統(tǒng)的伺服電機有直流、交流和步進電機等，伺服模塊的可重構具有重大意義。伺服控制模塊也通過CAN總線的形式掛接在系統(tǒng)中，采用DSP芯片實現(xiàn)。由于20MHz的時鐘頻率對伺服控制完全足夠，考慮到成本問題，系統(tǒng)以TI公司生產的TMS320F243芯片作為伺服CPU，而不選用2812芯片。243芯片是TMS320系列定點數(shù)字信號處理器產品之一，專為數(shù)字電機控制而設計，其指令執(zhí)行速度是20MHz，所有指令都可以在一個50ns的單周期內執(zhí)行完畢，這使得復雜控制算法的實時執(zhí)行成為可能。另外在243芯片內嵌入了CAN模塊，因此可以很方便地連接到CAN總線上。

2.2　車間級工業(yè)以太網絡的通信

車間級工業(yè)以太網絡的通信的關鍵技術是以太網底層協(xié)議的實現(xiàn)。由于S3C44B0芯片內部沒有集成TCP/IP協(xié)議模塊，因此需要外接網絡協(xié)議芯片。嵌入式數(shù)控系統(tǒng)的網口部分采用了10M以太網接口芯片RTL8019AS、RJ45網絡插座和網絡變壓器，降低了干擾。以太網接口模塊與PC機中使用的網卡功能和電路結構基本一致，只是嵌入式數(shù)控系統(tǒng)與網絡模塊部分不是通過PCI/ISA即插即用的方式連接，而是直接與以太網接口芯片RTL8019AS的數(shù)據總線和地址總線相連。電路中采用了RTL8019AS的中斷輸出INT0(4腳)與S3C44B0X的EINT0(外部中斷源0)連接。RTL8019以中斷的方式與來報告自身的工作狀態(tài)，如發(fā)送數(shù)據包成功、接收到新的數(shù)據包、出錯異常中斷等。S3C44B0X在收到EINT0中斷后，進入相應的中斷處理程序后，對RTL8019AS內部寄存器ISR的值進行讀取，從而判斷是什么引發(fā)了中斷。由于電路的連接圖較大，這里不再給出具體的電路圖。

在開發(fā)以太網驅動程序時，只需要將要發(fā)送的數(shù)據按一定的格式寫入芯片并啟動發(fā)送命令，RTL8019AS會自動添加接收狀態(tài)、下一頁指針、以太網幀長度和校驗FCS段，并將數(shù)據包轉換成物理幀格式在物理信道上傳輸。反之，RTL8019AS收到物理信號后將其還原成數(shù)據，按指定格式存放在芯片RAM中，以便主機程序取用。這樣RTL8019AS的工作就是完成數(shù)據包和電信號之間的相互轉換:數(shù)據包<=>電信號。RTL8019AS輸入輸出地址共32個，地址偏移量為00H4/1FH，其中00H - 0FH共16個地址，為寄存器地址，寄存器分成4頁PAGE04/PAGE3，與NE2000兼容的寄存器只有3頁( Page0-Page2)，為了保證驅動程序對所有Ne2000的網卡有效，本系統(tǒng)沒有使用第四頁的寄存器。以太網協(xié)議由RTL8019AS芯片硬件自動完成，對上層應用程序透明。驅動程序有3種功能:芯片初始化、收包、發(fā)包。發(fā)送數(shù)據包是先將待發(fā)送的數(shù)據包通過DMA寫操作存入網卡芯片RAM，并給出發(fā)送緩沖區(qū)首地址(TPSR0、TPSR1)和數(shù)據包長度(TBCR0，TB2CR1)，啟動發(fā)送命令，網卡芯片會自動按以太網協(xié)議完成發(fā)送并將結果寫入狀態(tài)寄存器。接收數(shù)據包時，采用中斷的方式，根據對RTL8019AS內部寄存器ISR的值進行讀取可以判斷是否收到新的數(shù)據包，如果有則通過DMA讀操作從網卡芯片RAM讀出數(shù)據。

2.3　Intranet/Internet網絡通信

Intranet/Internet網絡通信是指企業(yè)內數(shù)控系統(tǒng)與上位計算機之間的通信，將嵌入式數(shù)控系統(tǒng)、上層管理PC機以及辦公用網絡經過Intranet聯(lián)在一起，然后接入外部Internet。這樣通過Intranet將企業(yè)中的MRP系統(tǒng)、MIS系統(tǒng)和辦公室的CAD/CAM系統(tǒng)等形成一個整體，方便快捷地與數(shù)控機床進行信息交換與控制，可在異地設計、編程，然后通過以太網傳送和共享零件加工程序，實現(xiàn)CAD/CAM/CNC的網絡集成。同時通過Internet將分布在不同地域的數(shù)控設備、現(xiàn)場設備維修工程師、設備制造企業(yè)維修工程師及領域專家組織和聯(lián)系起來，在設備與人之間、人與人之間進行快速的信息傳遞，形成一個網絡化的數(shù)控設備診斷與維修咨詢系統(tǒng)和視頻會議系統(tǒng)，對數(shù)控設備進行遠程監(jiān)控和故障診斷，還可以組成網上虛擬車間(工廠)和電子商務。

系統(tǒng)的基于視訊技術的遠程服務提供了一個包括聲音、圖像、文本等多種媒體在內的協(xié)調工作環(huán)境，是遠程協(xié)作的重要工具。遠程監(jiān)控模塊通過CCD攝像頭實時地采集數(shù)字化設備加工現(xiàn)場的聲音、圖像等信息，并以流媒體形式及時地向網絡發(fā)布，為遠程監(jiān)控用戶提供真實的加工環(huán)境，使遠程用戶有著身臨其境的感覺。平臺采用瀏覽器/服務器方式的視訊會議監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)方案，如圖4所示。

圖4　基于視訊技術的遠程監(jiān)控

平臺采用3層B/S結構，3層結構中第1層是用戶層，用戶通過瀏覽器完成系統(tǒng)的遠程服務和信息共享;第2層是Web服務器層，它是聯(lián)系瀏覽器和數(shù)據庫服務器的紐帶，用于存放系統(tǒng)的功能模塊及應用程序;第3層是數(shù)據庫服務器層，用于存儲系統(tǒng)所需各種數(shù)據。用戶方和制造商通過Internet實現(xiàn)數(shù)據和信息共享。本地計算機和遠程服務器通過Internet連接，本地用戶只需要通過瀏覽器就可以與遠程服務中心服務器通信。這樣實現(xiàn)了對實時信息立即處理，不存在大的延時。在具體操作時，瀏覽器將生產現(xiàn)場的數(shù)據通過Internet傳送到制造企業(yè)的Web服務器，用戶通過虛擬控制面板上的功能組件發(fā)送控制命令，通過控制面板上的監(jiān)控顯示組件顯示數(shù)控仿真過程與反饋信息;當生產現(xiàn)場數(shù)控機床發(fā)生故障并需要制造企業(yè)的遠程診斷中心提供服務時，瀏覽器將故障信號數(shù)據傳送到制造企業(yè)Web服務器，Web服務器與數(shù)據庫聯(lián)系，利用專家系統(tǒng)的診斷知識進行推理和診斷，并將診斷結果返回用戶端。

3.總結與展望

數(shù)控系統(tǒng)在向精密化、網絡化、智能化和集成化的方向發(fā)展的同時，也在向小型化、嵌入式方向發(fā)展。嵌入式數(shù)控系統(tǒng)采用“量體裁衣”方式把所需功能嵌入到應用系統(tǒng)中，是未來數(shù)控及運動控制產品發(fā)展的方向，它是在我國占主流的經濟型數(shù)控系統(tǒng)由16位向32位過渡的理想選擇。文章介紹了嵌入式數(shù)控系統(tǒng)內CNC主控單元與伺服驅動及I/O邏輯控制等各單元間的通信、車間級工業(yè)以太網絡的通信和Intranet/Internet網絡通信，并給出了關鍵技術實現(xiàn)。后繼工作是對嵌入式數(shù)控機床連網應用開發(fā)的一個無線網絡解決方案，使數(shù)控系統(tǒng)與外部的連接更快捷、安全和方便。