嵌入式数控系统通信功能的实现

0.引言

市场对数控系统要求是具有更好的柔性、适应性、扩展性，并向小型化、智能化、网络化方向发展。针对这一要求，本文提出了网络化的嵌入式数控系统，其中央数控单元不是PC计算机系统，而是嵌入式控制系统，这种嵌入式控制系统采用ARM+DSP的结构，具有运算能力强、成本低的特点，提高了系统的实时性和可靠性，实现了数控系统的小型化、网络化、智能化和集成化。嵌入式数控系统的其他单元，如伺服控制单元、PLC单元、通信单元、显示单元、数据键入单元等，也在嵌入式系统的基础上搭建，属于嵌入式系统模块。嵌入式数控系统的通信部分包含数控系统内CNC主控单元与伺服驱动及I/O逻辑控制等各单元间的通信、车间级工业以太网络的通信和Intranet/Internet网络通信。

1.系统总体结构

本网络化嵌入式数控系统已经由武汉理工大学湖北省数字制造重点实验室和嵌入式实验室联合开发成功。其中主控系统CPU采用三星公司的S3C44B0微控制器，系统的机床控制和插补运算等强实时任务由TI公司的32位TMS320F2812DSP芯片实现。在ARM中移植了U2cos11实时多任务操作系统，以进行实时多任务管理，其主要任务是实现数控系统的人机界面，完成加工程序的输入、预编译、轨迹计算、速度计算和加工零件图形的模拟仿真等任务，同时提供工业以太网络接口与上层管理PC机通信，然后通过上层PC机将嵌入式数控系统连入Internet。DSP负责处理一些实时性强的机床信号，并据ARM的指令执行机床控制和插补运算等强实时任务。在ARM中生成用于插补的数据(加工数据)，并通过CAN总线发给DSP，由DSP完成插补处理。伺服单元主要接受ARM和DSP的指令对主轴电机和进给电机进行控制。整个系统的体系结构如图1所示。

图1　嵌入式数控系统的体系结构

2.嵌入式数控系统通信功能的实现

数控系统的网络化是以Internet技术、通讯技术、数控技术和计算机技术等为基础，将远程设计、数控编程和数控加工等集成在一起，实现数控系统等数控设备的网络化和集成化。嵌入式数控系统作为网络化制造系统的基本单元，可以实现制造车间设备的集中控制管理、远程控制、远程故障诊断、网络制造、网上培训、网上营销及网上管理等功能，从而可以在全球范围内将具有不同数控类型的企业联系起来实现资源的共享和优化利用，这样不仅可以提高产品的加工质量和生产效率，还能敏捷地响应瞬息万变的市场[1]。嵌入式数控系统中的通信功能包括3个方面:数控系统内CNC主控单元与伺服驱动及I/O逻辑控制等各单元间的通信、车间级工业以太网络的通信和Intranet/Internet网络通信，如图2所示。

图2　嵌入式数控系统的通信结构

2.1 系统单元间的通信

系统ARM、DSP和各伺服单元之间通过CAN总线通信。CAN总线的特点决定了它非常适合架构嵌入式数控系统，首先CAN总线采用了循环冗余码校验(Cy2clicredundancycheck)、框架检测(Framecheck)、确认信号出错检测(ACKerrors)、总线监控(Busmonito2ring)、位填充(Bitstuffing)等5种错误监测和纠错措施，从而达到了很高的可靠性，平均误码率小于10-13[2]。其次，CAN总线采用了独特的位仲裁技术，具有比CSMA/CD网(IEE802.3)和令牌网(IEE802.4)更高的实时性。除此之外，CAN总线的通讯速率可达1MBPS，远距离传输可达10km，同时接口简单、安装方便，通讯控制简单。在嵌入式数控系统中，ARM、DSP和伺服单元都实现了CAN总线接口，可以作为系统的一个节点，非常方便地实现模块加入、更改和退出。

嵌入式数控系统的主控CPU采用三星公司的S3C44B0微控制器，芯片内不带CAN总线协议控制及驱动核，因此选取PHILIPS公司的SJA1000CAN控制器以及82C250总线收发器。SJA1000支持CAN2.0A/B规约，可方便地实现与S3C44B0接口。CAN接口电路如图3所示，SJA1000集成了CAN协议的物理层和数据链路层功能，可完成对通信数据的成帧处理，该控制器具有多主结构、总线访问优先权、硬件滤波等特点。PCA82C250是CAN协议控制器和物理总线的接口，它可以提供总线的差动发送能力和接收能力，高速应用可达1MHz，可挂110个节点。

嵌入式数控系统的机床控制和插补运算等强实时任务由DSP实现。插补运算硬件采用TI公司的32位TMS320F2812芯片，其最高频率可达150MHz，时钟周期缩短到6.67ns，完全满足数控插补算法的实时性[3]。同时2812芯片内部集成CAN总线控制器，因此外部只需接82C250总线驱动器即可。所有进行数据传输和接受滤波的协议由芯片内部的CAN总线控制器实现，通过2812芯片内的特殊功能寄存器可配置CAN控制器访问接受到的数据以及进行数据传输。由于2812芯片可完成CAN总线协议的数据链路层和应用层的所有功能，因此可以非常方便的接入基于CAN总线的数控系统。

图3　嵌入式数控系统的CAN接口电路

考虑到数控系统的伺服电机有直流、交流和步进电机等，伺服模块的可重构具有重大意义。伺服控制模块也通过CAN总线的形式挂接在系统中，采用DSP芯片实现。由于20MHz的时钟频率对伺服控制完全足够，考虑到成本问题，系统以TI公司生产的TMS320F243芯片作为伺服CPU，而不选用2812芯片。243芯片是TMS320系列定点数字信号处理器产品之一，专为数字电机控制而设计，其指令执行速度是20MHz，所有指令都可以在一个50ns的单周期内执行完毕，这使得复杂控制算法的实时执行成为可能。另外在243芯片内嵌入了CAN模块，因此可以很方便地连接到CAN总线上。

2.2　车间级工业以太网络的通信

车间级工业以太网络的通信的关键技术是以太网底层协议的实现。由于S3C44B0芯片内部没有集成TCP/IP协议模块，因此需要外接网络协议芯片。嵌入式数控系统的网口部分采用了10M以太网接口芯片RTL8019AS、RJ45网络插座和网络变压器，降低了干扰。以太网接口模块与PC机中使用的网卡功能和电路结构基本一致，只是嵌入式数控系统与网络模块部分不是通过PCI/ISA即插即用的方式连接，而是直接与以太网接口芯片RTL8019AS的数据总线和地址总线相连。电路中采用了RTL8019AS的中断输出INT0(4脚)与S3C44B0X的EINT0(外部中断源0)连接。RTL8019以中断的方式与来报告自身的工作状态，如发送数据包成功、接收到新的数据包、出错异常中断等。S3C44B0X在收到EINT0中断后，进入相应的中断处理程序后，对RTL8019AS内部寄存器ISR的值进行读取，从而判断是什么引发了中断。由于电路的连接图较大，这里不再给出具体的电路图。

在开发以太网驱动程序时，只需要将要发送的数据按一定的格式写入芯片并启动发送命令，RTL8019AS会自动添加接收状态、下一页指针、以太网帧长度和校验FCS段，并将数据包转换成物理帧格式在物理信道上传输。反之，RTL8019AS收到物理信号后将其还原成数据，按指定格式存放在芯片RAM中，以便主机程序取用。这样RTL8019AS的工作就是完成数据包和电信号之间的相互转换:数据包<=>电信号。RTL8019AS输入输出地址共32个，地址偏移量为00H4/1FH，其中00H - 0FH共16个地址，为寄存器地址，寄存器分成4页PAGE04/PAGE3，与NE2000兼容的寄存器只有3页( Page0-Page2)，为了保证驱动程序对所有Ne2000的网卡有效，本系统没有使用第四页的寄存器。以太网协议由RTL8019AS芯片硬件自动完成，对上层应用程序透明。驱动程序有3种功能:芯片初始化、收包、发包。发送数据包是先将待发送的数据包通过DMA写操作存入网卡芯片RAM，并给出发送缓冲区首地址(TPSR0、TPSR1)和数据包长度(TBCR0，TB2CR1)，启动发送命令，网卡芯片会自动按以太网协议完成发送并将结果写入状态寄存器。接收数据包时，采用中断的方式，根据对RTL8019AS内部寄存器ISR的值进行读取可以判断是否收到新的数据包，如果有则通过DMA读操作从网卡芯片RAM读出数据。

2.3　Intranet/Internet网络通信

Intranet/Internet网络通信是指企业内数控系统与上位计算机之间的通信，将嵌入式数控系统、上层管理PC机以及办公用网络经过Intranet联在一起，然后接入外部Internet。这样通过Intranet将企业中的MRP系统、MIS系统和办公室的CAD/CAM系统等形成一个整体，方便快捷地与数控机床进行信息交换与控制，可在异地设计、编程，然后通过以太网传送和共享零件加工程序，实现CAD/CAM/CNC的网络集成。同时通过Internet将分布在不同地域的数控设备、现场设备维修工程师、设备制造企业维修工程师及领域专家组织和联系起来，在设备与人之间、人与人之间进行快速的信息传递，形成一个网络化的数控设备诊断与维修咨询系统和视频会议系统，对数控设备进行远程监控和故障诊断，还可以组成网上虚拟车间(工厂)和电子商务。

系统的基于视讯技术的远程服务提供了一个包括声音、图像、文本等多种媒体在内的协调工作环境，是远程协作的重要工具。远程监控模块通过CCD摄像头实时地采集数字化设备加工现场的声音、图像等信息，并以流媒体形式及时地向网络发布，为远程监控用户提供真实的加工环境，使远程用户有着身临其境的感觉。平台采用浏览器/服务器方式的视讯会议监控系统实现方案，如图4所示。

图4　基于视讯技术的远程监控

平台采用3层B/S结构，3层结构中第1层是用户层，用户通过浏览器完成系统的远程服务和信息共享;第2层是Web服务器层，它是联系浏览器和数据库服务器的纽带，用于存放系统的功能模块及应用程序;第3层是数据库服务器层，用于存储系统所需各种数据。用户方和制造商通过Internet实现数据和信息共享。本地计算机和远程服务器通过Internet连接，本地用户只需要通过浏览器就可以与远程服务中心服务器通信。这样实现了对实时信息立即处理，不存在大的延时。在具体操作时，浏览器将生产现场的数据通过Internet传送到制造企业的Web服务器，用户通过虚拟控制面板上的功能组件发送控制命令，通过控制面板上的监控显示组件显示数控仿真过程与反馈信息;当生产现场数控机床发生故障并需要制造企业的远程诊断中心提供服务时，浏览器将故障信号数据传送到制造企业Web服务器，Web服务器与数据库联系，利用专家系统的诊断知识进行推理和诊断，并将诊断结果返回用户端。

3.总结与展望

数控系统在向精密化、网络化、智能化和集成化的方向发展的同时，也在向小型化、嵌入式方向发展。嵌入式数控系统采用“量体裁衣”方式把所需功能嵌入到应用系统中，是未来数控及运动控制产品发展的方向，它是在我国占主流的经济型数控系统由16位向32位过渡的理想选择。文章介绍了嵌入式数控系统内CNC主控单元与伺服驱动及I/O逻辑控制等各单元间的通信、车间级工业以太网络的通信和Intranet/Internet网络通信，并给出了关键技术实现。后继工作是对嵌入式数控机床连网应用开发的一个无线网络解决方案，使数控系统与外部的连接更快捷、安全和方便。