基于无线通信技术的新型数控系统研析

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。

1 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。