基于GPRS的数控机床监控系统设计

引言

随着我国工业化进程的加速以及产业结构的调整和升级，数控机床作为一种新型的、综合了多种尖端技术的机电一体化产品，在现代企业中的应用越来越普遍。与此同时，数控机床的管理与故障维修还停留在一个较低的水平，一般还采用打电话及上报等形式通过人工来控制。在这种状态下，安全隐患就不能及时排除、故障不能及时解决，从而导致整个系统运行效率低、成本高。为此，本文设计了一种基于GPRS网络的数控机床远程监控系统,该系统可利用GPRS技术对数控机床进行科学管理与实时监测，以提高数控机床的使用精度与寿命，同时对数控机床生产企业汇总机床故障并做出相应的技术改进也具有重要的现实意义。

通用分组无线业务(GeneralPacketRadioServ-ice,简称GPRS)和以往连续在频道传输的方式不同，该系统是以封包(Packet)方式来传输。GPRS与现有的GSM语音系统的最根本区别是，GSM是一种电路交换系统，而GPRS是一种分组交换系统。GPRS具有资源利用率高，支持基于标准数据通信协议的应用，传输速率高，接入时间短，计费合理等特点。以GPRS网络作为数据无线传输网络，在无线数据的双向传送、无线远程检测与控制方面，可以开发出前景极其乐观的各类应用，如气象、水文系统数据收集,城镇供水系统的监测，车载终端，灾害的遥测和报警等。

1  总体设计

GPRS远程数控机床监控系统主要由监控中心、Internet、GPRS网络和监控终端四部分组成，Inter-net实现数控机床监控中心与GPRS网络的互连，监控终端实现数控机床工作状态等信息的釆集与传输,监控中心负责接收处理信息并向终端发送数据。图1所示是其系统总体设计框图。

2  监控终端硬件设计

硬件终端的开发，包括单片机的选择，单片机复位和时钟电路，电源模块的设计及各模块之间的接口电路。可采用AT指令实现MC55无线模块的拨号上网,并利用c语言开发相关的终端程序。

图1  总体设计框图

GPRS终端监控系统结构如图2所示。整个系统结构主要由PIC18F6520单片机（MCU）最小系统（复位电路，时钟电路）、GPRS模块、模拟/数字信号采集、天线、SIM卡及电源模块组成。

MCU部分采用微芯（Microchip）公司的控制芯片PIC18F652O作为微处理器，配合其软件开发平台MPLAB可实现编程、调试、仿真，以保证GPRS终端的强大功能、良好的可维护性和可升级性门。

GPRS数据传输模块采用西门子（Siemens）公司的GPRS模块MC55。MC55是一款尺寸较小的三频模块，支持标准的AT指令集和内嵌TCP/IP协议,具有良好的温度特性和稳定的工作性能。

模拟信号主要包括数控机床主轴的控制电压（可以判断机床主轴的旋转状态）、数控机床温度等;数字信号模块主要对数控机床的运行状态以及运行状况作出判断,它采用定时器中断方式进行信号的采集。

电源模块主要为单片机与GPRS模块提供稳定的电源，以满足GPRS模块瞬时电流最大值的要求,电源设计用LM2576系列开关稳压集成电路。

GPRS监控终端的硬件电路如图3所示。

图3  监控终端硬件电路

3  监控系统软件设计

远程数控机床监控系统的软件结构分为监控终端和监控中心两大模块,故其相应的系统软件分为监控终端软件和监控中心软件两部分。

3.1 监控终端程序设计

该部分程序首先要完成初始化、网络连接等操作，系统初始化函数主要完成芯片的引脚初始工作状态和特殊功能寄存器的设置。再对MC55进行初始化，并当MC55模块找到GPRS网络时进入命令模式,PIC18F6520通过串口发送AT指令给MC55,同时连接数据信息中心；建立连接之后，MC55就进入数据模式。PIC18F652O可通过AT拨号指令使MC55通过GPRS网络登陆到GGSN（GatewayGPRSSupportingNode,网关GPRS支持节点）并转入在线模式;此时,PIC18F6520向串口UART0发送的数据经MC55传送到GGSN,同样，GGSN的回答也经MC55便可传回到PIC18F652O的串口；然后通过PPP协商,MC55获取IP地址并通过GGSN连入Internet。本系统采用公网静态IP组网方案，系统主站服务器使用静态IP,并且事先将此IP地址写入GPRS通信模块中，终端上电后，再根据预先写入的IP地址与主站服务器建立连接。

在嵌入式开发环境下，根据功能需求，可对网络AT指令使用C语言重新进行函数封装，并创建连接规范函数来实现相应的功能，MC55_init()为MC55初始化函数,ATSent()为发送AT指令函数,MC55_connect。为GPRS网络连接函数。其封装的主要AT指令有：

其程序流程图如图4所示。

图4  终端程序流程图

3.2  监控中心软件设计

数控机床监控系统中心的软件主要包括网络的接入、数据的收发与安全性管理，以及对终端的控制设计。监控系统中心基于客户机/服务器模型设计(C/S)，并采用TCP/IP协议实现与GPRS终端的IP协议通信，以实时或定时实现数据的采集以及对终端的控制。数控机床监控系统中心软件的设计采用Microsoft公司的VisualC++6.0开发,VC⁺⁺6.0应用灵活、功能强大，并对网络编程具有强大的支持。软件编程涉及Winsock网络通信及数据库管理等技术。

图5所示是本系统监控软件流程图。利用VCT+编写基于TCP(面向连接)的Socket服务器程序通常有如下几步：

图5  监控中心软件流程图

(1)创建套接字(socket)

利用socket函数创建套接字时，首先应定义一个socket类型的变量：sockSrv,以用来接收socket函数返回的套接字。

(2)将套接字绑定到一个本地地址端口上(bind)

实现这一步需要调用bind函数，而且在绑定之前要先定义一个SOCKADDR_IN类型的变量：ad-drSrVo

(3)将套接字设定为监听模式(listen),准备接收客户请求。

(4)等待客户请求到来

请求到来后,接受连接请求，并返回一个新的、对应于此次连接的套接字(accept)_o因为作为服务器端，它需要不断地等待客户端的连接请求的到来，因此,程序接着会进入一个死循环，以让服务器端程序能够不断的运行。

(5)用返回的套接字和客户端进行通信(send/recv)

用send函数向客户端发送数据。在发送完数据后，还可以从客户端接收数据，并将数据显示出来。

(6)返回，等待另一客户请求

调用closesocket函数将关闭已建立连接的套接字,然后进入下一个循环，等待另一请求的到来。

4  结语

基于GPRS技术的远程数控机床监控系统，较之传统的机床检测与维护方式,可以有效解决机床管理的诸多问题，能及时发现机床存在的故障，因而具有经济性好,通信通道无需维护等优点。事实上，这项技术对于数控机床远程无线监控的实施具有非常重要的现实意义，并具有极其广阔的市场前景。