嵌入式數(shù)控系統(tǒng)通信功能的實(shí)現(xiàn)

0.引言

市場(chǎng)對(duì)數(shù)控系統(tǒng)要求是具有更好的柔性、適應(yīng)性、擴(kuò)展性，并向小型化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。針對(duì)這一要求，本文提出了網(wǎng)絡(luò)化的嵌入式數(shù)控系統(tǒng)，其中央數(shù)控單元不是PC計(jì)算機(jī)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(jié)構(gòu)，具有運(yùn)算能力強(qiáng)、成本低的特點(diǎn)，提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可靠性，實(shí)現(xiàn)了數(shù)控系統(tǒng)的小型化、網(wǎng)絡(luò)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(jù)鍵入單元等，也在嵌入式系統(tǒng)的基礎(chǔ)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(nèi)CNC主控單元與伺服驅(qū)動(dòng)及I/O邏輯控制等各單元間的通信、車間級(jí)工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)的通信和Intranet/Internet網(wǎng)絡(luò)通信。

1.系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本網(wǎng)絡(luò)化嵌入式數(shù)控系統(tǒng)已經(jīng)由武漢理工大學(xué)湖北省數(shù)字制造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和嵌入式實(shí)驗(yàn)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(jī)床控制和插補(bǔ)運(yùn)算等強(qiáng)實(shí)時(shí)任務(wù)由TI公司的32位TMS320F2812DSP芯片實(shí)現(xiàn)。在ARM中移植了U2cos11實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)，以進(jìn)行實(shí)時(shí)多任務(wù)管理，其主要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)的人機(jī)界面，完成加工程序的輸入、預(yù)編譯、軌跡計(jì)算、速度計(jì)算和加工零件圖形的模擬仿真等任務(wù)，同時(shí)提供工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)接口與上層管理PC機(jī)通信，然后通過(guò)上層PC機(jī)將嵌入式數(shù)控系統(tǒng)連入Internet。DSP負(fù)責(zé)處理一些實(shí)時(shí)性強(qiáng)的機(jī)床信號(hào)，并據(jù)ARM的指令執(zhí)行機(jī)床控制和插補(bǔ)運(yùn)算等強(qiáng)實(shí)時(shí)任務(wù)。在ARM中生成用于插補(bǔ)的數(shù)據(jù)(加工數(shù)據(jù))，并通過(guò)CAN總線發(fā)給DSP，由DSP完成插補(bǔ)處理。伺服單元主要接受ARM和DSP的指令對(duì)主軸電機(jī)和進(jìn)給電機(jī)進(jìn)行控制。整個(gè)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　嵌入式數(shù)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

2.嵌入式數(shù)控系統(tǒng)通信功能的實(shí)現(xiàn)

數(shù)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化是以Internet技術(shù)、通訊技術(shù)、數(shù)控技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等為基礎(chǔ)，將遠(yuǎn)程設(shè)計(jì)、數(shù)控編程和數(shù)控加工等集成在一起，實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)等數(shù)控設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)化和集成化。嵌入式數(shù)控系統(tǒng)作為網(wǎng)絡(luò)化制造系統(tǒng)的基本單元，可以實(shí)現(xiàn)制造車間設(shè)備的集中控制管理、遠(yuǎn)程控制、遠(yuǎn)程故障診斷、網(wǎng)絡(luò)制造、網(wǎng)上培訓(xùn)、網(wǎng)上營(yíng)銷及網(wǎng)上管理等功能，從而可以在全球范圍內(nèi)將具有不同數(shù)控類型的企業(yè)聯(lián)系起來(lái)實(shí)現(xiàn)資源的共享和優(yōu)化利用，這樣不僅可以提高產(chǎn)品的加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率，還能敏捷地響應(yīng)瞬息萬(wàn)變的市場(chǎng)[1]。嵌入式數(shù)控系統(tǒng)中的通信功能包括3個(gè)方面:數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)CNC主控單元與伺服驅(qū)動(dòng)及I/O邏輯控制等各單元間的通信、車間級(jí)工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)的通信和Intranet/Internet網(wǎng)絡(luò)通信，如圖2所示。

圖2　嵌入式數(shù)控系統(tǒng)的通信結(jié)構(gòu)

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(guò)CAN總線通信。CAN總線的特點(diǎn)決定了它非常適合架構(gòu)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(yàn)(Cy2clicredundancycheck)、框架檢測(cè)(Framecheck)、確認(rèn)信號(hào)出錯(cuò)檢測(cè)(ACKerrors)、總線監(jiān)控(Busmonito2ring)、位填充(Bitstuffing)等5種錯(cuò)誤監(jiān)測(cè)和糾錯(cuò)措施，從而達(dá)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(dú)特的位仲裁技術(shù)，具有比CSMA/CD網(wǎng)(IEE802.3)和令牌網(wǎng)(IEE802.4)更高的實(shí)時(shí)性。除此之外，CAN總線的通訊速率可達(dá)1MBPS，遠(yuǎn)距離傳輸可達(dá)10km，同時(shí)接口簡(jiǎn)單、安裝方便，通訊控制簡(jiǎn)單。在嵌入式數(shù)控系統(tǒng)中，ARM、DSP和伺服單元都實(shí)現(xiàn)了CAN總線接口，可以作為系統(tǒng)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，非常方便地實(shí)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(nèi)不帶CAN總線協(xié)議控制及驅(qū)動(dòng)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(shí)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(jù)鏈路層功能，可完成對(duì)通信數(shù)據(jù)的成幀處理，該控制器具有多主結(jié)構(gòu)、總線訪問(wèn)優(yōu)先權(quán)、硬件濾波等特點(diǎn)。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(dòng)發(fā)送能力和接收能力，高速應(yīng)用可達(dá)1MHz，可掛110個(gè)節(jié)點(diǎn)。

嵌入式數(shù)控系統(tǒng)的機(jī)床控制和插補(bǔ)運(yùn)算等強(qiáng)實(shí)時(shí)任務(wù)由DSP實(shí)現(xiàn)。插補(bǔ)運(yùn)算硬件采用TI公司的32位TMS320F2812芯片，其最高頻率可達(dá)150MHz，時(shí)鐘周期縮短到6.67ns，完全滿足數(shù)控插補(bǔ)算法的實(shí)時(shí)性[3]。同時(shí)2812芯片內(nèi)部集成CAN總線控制器，因此外部只需接82C250總線驅(qū)動(dòng)器即可。所有進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和接受濾波的協(xié)議由芯片內(nèi)部的CAN總線控制器實(shí)現(xiàn)，通過(guò)2812芯片內(nèi)的特殊功能寄存器可配置CAN控制器訪問(wèn)接受到的數(shù)據(jù)以及進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。由于2812芯片可完成CAN總線協(xié)議的數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)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(jī)有直流、交流和步進(jìn)電機(jī)等，伺服模塊的可重構(gòu)具有重大意義。伺服控制模塊也通過(guò)CAN總線的形式掛接在系統(tǒng)中，采用DSP芯片實(shí)現(xiàn)。由于20MHz的時(shí)鐘頻率對(duì)伺服控制完全足夠，考慮到成本問(wèn)題，系統(tǒng)以TI公司生產(chǎn)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(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器產(chǎn)品之一，專為數(shù)字電機(jī)控制而設(shè)計(jì)，其指令執(zhí)行速度是20MHz，所有指令都可以在一個(gè)50ns的單周期內(nèi)執(zhí)行完畢，這使得復(fù)雜控制算法的實(shí)時(shí)執(zhí)行成為可能。另外在243芯片內(nèi)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(jí)工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)的通信

車間級(jí)工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)的通信的關(guān)鍵技術(shù)是以太網(wǎng)底層協(xié)議的實(shí)現(xiàn)。由于S3C44B0芯片內(nèi)部沒(méi)有集成TCP/IP協(xié)議模塊，因此需要外接網(wǎng)絡(luò)協(xié)議芯片。嵌入式數(shù)控系統(tǒng)的網(wǎng)口部分采用了10M以太網(wǎng)接口芯片RTL8019AS、RJ45網(wǎng)絡(luò)插座和網(wǎng)絡(luò)變壓器，降低了干擾。以太網(wǎng)接口模塊與PC機(jī)中使用的網(wǎng)卡功能和電路結(jié)構(gòu)基本一致，只是嵌入式數(shù)控系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)模塊部分不是通過(guò)PCI/ISA即插即用的方式連接，而是直接與以太網(wǎng)接口芯片RTL8019AS的數(shù)據(jù)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(lái)報(bào)告自身的工作狀態(tài)，如發(fā)送數(shù)據(jù)包成功、接收到新的數(shù)據(jù)包、出錯(cuò)異常中斷等。S3C44B0X在收到EINT0中斷后，進(jìn)入相應(yīng)的中斷處理程序后，對(duì)RTL8019AS內(nèi)部寄存器ISR的值進(jìn)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(wǎng)驅(qū)動(dòng)程序時(shí)，只需要將要發(fā)送的數(shù)據(jù)按一定的格式寫入芯片并啟動(dòng)發(fā)送命令，RTL8019AS會(huì)自動(dòng)添加接收狀態(tài)、下一頁(yè)指針、以太網(wǎng)幀長(zhǎng)度和校驗(yàn)FCS段，并將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換成物理幀格式在物理信道上傳輸。反之，RTL8019AS收到物理信號(hào)后將其還原成數(shù)據(jù)，按指定格式存放在芯片RAM中，以便主機(jī)程序取用。這樣RTL8019AS的工作就是完成數(shù)據(jù)包和電信號(hào)之間的相互轉(zhuǎn)換:數(shù)據(jù)包<=>電信號(hào)。RTL8019AS輸入輸出地址共32個(gè)，地址偏移量為00H4/1FH，其中00H - 0FH共16個(gè)地址，為寄存器地址，寄存器分成4頁(yè)P(yáng)AGE04/PAGE3，與NE2000兼容的寄存器只有3頁(yè)( Page0-Page2)，為了保證驅(qū)動(dòng)程序?qū)λ蠳e2000的網(wǎng)卡有效，本系統(tǒng)沒(méi)有使用第四頁(yè)的寄存器。以太網(wǎng)協(xié)議由RTL8019AS芯片硬件自動(dòng)完成，對(duì)上層應(yīng)用程序透明。驅(qū)動(dòng)程序有3種功能:芯片初始化、收包、發(fā)包。發(fā)送數(shù)據(jù)包是先將待發(fā)送的數(shù)據(jù)包通過(guò)DMA寫操作存入網(wǎng)卡芯片RAM，并給出發(fā)送緩沖區(qū)首地址(TPSR0、TPSR1)和數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度(TBCR0，TB2CR1)，啟動(dòng)發(fā)送命令，網(wǎng)卡芯片會(huì)自動(dòng)按以太網(wǎng)協(xié)議完成發(fā)送并將結(jié)果寫入狀態(tài)寄存器。接收數(shù)據(jù)包時(shí)，采用中斷的方式，根據(jù)對(duì)RTL8019AS內(nèi)部寄存器ISR的值進(jìn)行讀取可以判斷是否收到新的數(shù)據(jù)包，如果有則通過(guò)DMA讀操作從網(wǎng)卡芯片RAM讀出數(shù)據(jù)。

2.3　Intranet/Internet網(wǎng)絡(luò)通信

Intranet/Internet網(wǎng)絡(luò)通信是指企業(yè)內(nèi)數(shù)控系統(tǒng)與上位計(jì)算機(jī)之間的通信，將嵌入式數(shù)控系統(tǒng)、上層管理PC機(jī)以及辦公用網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過(guò)Intranet聯(lián)在一起，然后接入外部Internet。這樣通過(guò)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(gè)整體，方便快捷地與數(shù)控機(jī)床進(jìn)行信息交換與控制，可在異地設(shè)計(jì)、編程，然后通過(guò)以太網(wǎng)傳送和共享零件加工程序，實(shí)現(xiàn)CAD/CAM/CNC的網(wǎng)絡(luò)集成。同時(shí)通過(guò)Internet將分布在不同地域的數(shù)控設(shè)備、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備維修工程師、設(shè)備制造企業(yè)維修工程師及領(lǐng)域?qū)＜医M織和聯(lián)系起來(lái)，在設(shè)備與人之間、人與人之間進(jìn)行快速的信息傳遞，形成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)化的數(shù)控設(shè)備診斷與維修咨詢系統(tǒng)和視頻會(huì)議系統(tǒng)，對(duì)數(shù)控設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和故障診斷，還可以組成網(wǎng)上虛擬車間(工廠)和電子商務(wù)。

系統(tǒng)的基于視訊技術(shù)的遠(yuǎn)程服務(wù)提供了一個(gè)包括聲音、圖像、文本等多種媒體在內(nèi)的協(xié)調(diào)工作環(huán)境，是遠(yuǎn)程協(xié)作的重要工具。遠(yuǎn)程監(jiān)控模塊通過(guò)CCD攝像頭實(shí)時(shí)地采集數(shù)字化設(shè)備加工現(xiàn)場(chǎng)的聲音、圖像等信息，并以流媒體形式及時(shí)地向網(wǎng)絡(luò)發(fā)布，為遠(yuǎn)程監(jiān)控用戶提供真實(shí)的加工環(huán)境，使遠(yuǎn)程用戶有著身臨其境的感覺(jué)。平臺(tái)采用瀏覽器/服務(wù)器方式的視訊會(huì)議監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案，如圖4所示。

圖4　基于視訊技術(shù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控

平臺(tái)采用3層B/S結(jié)構(gòu)，3層結(jié)構(gòu)中第1層是用戶層，用戶通過(guò)瀏覽器完成系統(tǒng)的遠(yuǎn)程服務(wù)和信息共享;第2層是Web服務(wù)器層，它是聯(lián)系瀏覽器和數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器的紐帶，用于存放系統(tǒng)的功能模塊及應(yīng)用程序;第3層是數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器層，用于存儲(chǔ)系統(tǒng)所需各種數(shù)據(jù)。用戶方和制造商通過(guò)Internet實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和信息共享。本地計(jì)算機(jī)和遠(yuǎn)程服務(wù)器通過(guò)Internet連接，本地用戶只需要通過(guò)瀏覽器就可以與遠(yuǎn)程服務(wù)中心服務(wù)器通信。這樣實(shí)現(xiàn)了對(duì)實(shí)時(shí)信息立即處理，不存在大的延時(shí)。在具體操作時(shí)，瀏覽器將生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)通過(guò)Internet傳送到制造企業(yè)的Web服務(wù)器，用戶通過(guò)虛擬控制面板上的功能組件發(fā)送控制命令，通過(guò)控制面板上的監(jiān)控顯示組件顯示數(shù)控仿真過(guò)程與反饋信息;當(dāng)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)控機(jī)床發(fā)生故障并需要制造企業(yè)的遠(yuǎn)程診斷中心提供服務(wù)時(shí)，瀏覽器將故障信號(hào)數(shù)據(jù)傳送到制造企業(yè)Web服務(wù)器，Web服務(wù)器與數(shù)據(jù)庫(kù)聯(lián)系，利用專家系統(tǒng)的診斷知識(shí)進(jìn)行推理和診斷，并將診斷結(jié)果返回用戶端。

3.總結(jié)與展望

數(shù)控系統(tǒng)在向精密化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化和集成化的方向發(fā)展的同時(shí)，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(yīng)用系統(tǒng)中，是未來(lái)數(shù)控及運(yùn)動(dòng)控制產(chǎn)品發(fā)展的方向，它是在我國(guó)占主流的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)由16位向32位過(guò)渡的理想選擇。文章介紹了嵌入式數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)CNC主控單元與伺服驅(qū)動(dòng)及I/O邏輯控制等各單元間的通信、車間級(jí)工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)的通信和Intranet/Internet網(wǎng)絡(luò)通信，并給出了關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)。后繼工作是對(duì)嵌入式數(shù)控機(jī)床連網(wǎng)應(yīng)用開發(fā)的一個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)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。