基于以太網(wǎng)的數(shù)控機床通信系統(tǒng)研究

1、基于以太網(wǎng)的數(shù)控機床通信系統(tǒng)研究發(fā)布日期:2005-09-15作者:任義 陳欣 牛連強 陳彥軍 來源:微計算機信息 摘要：實現(xiàn)DNC系統(tǒng)的核心問題是解決數(shù)控機床與計算機之間的信息交換和互聯(lián)。文章通過對當前國內(nèi)DNC系統(tǒng)主要通信結(jié)構(gòu)的分析，重點論述了使用通信控制器構(gòu)建基于以太網(wǎng)數(shù)控機床通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)方案、拓撲結(jié)構(gòu)及通信系統(tǒng)功能的軟件實現(xiàn)；給出了采用單片機和RTL8019AS以太網(wǎng)控制芯片實現(xiàn)通信控制器的方法。關(guān)鍵詞：DNC；以太網(wǎng)；單片機；通信控制器 1 引言      隨著計算機技術(shù)的發(fā)展和數(shù)控機床的普遍使用，國內(nèi)許多企業(yè)都在數(shù)控

2、技術(shù)比較成熟的情況下，提出改造生產(chǎn)線以建立DNC(Direct Numerical Control或Distributed Numerical Control)系統(tǒng)的要求，如何建立計算機與數(shù)控機床之間的聯(lián)接以構(gòu)筑可靠的DNC系統(tǒng)是一個值得探討的問題。目前DNC系統(tǒng)主要采用的通信結(jié)構(gòu)包括點對點式結(jié)構(gòu)、現(xiàn)場總線結(jié)構(gòu)和局域網(wǎng)結(jié)構(gòu)。點對點通信是加工車間中廣泛應(yīng)用的一種通信結(jié)構(gòu)，利用數(shù)控機床提供的RS232或RS485串行通信接口，一臺計算機對應(yīng)一臺數(shù)控機床，這種通信方式存在現(xiàn)場工控微機多、投入成本高、管理和維護工作量大等缺點1?，F(xiàn)場總線通信是利用現(xiàn)場總線構(gòu)建設(shè)備網(wǎng)絡(luò)，通過在現(xiàn)場總線和數(shù)控機床間設(shè)置轉(zhuǎn)換

3、器連接具有串行通信接口的機床，存在結(jié)構(gòu)復雜、結(jié)構(gòu)層次過多等問題2。局域網(wǎng)結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用于具有網(wǎng)絡(luò)接口的機床，有以太網(wǎng)、令牌環(huán)網(wǎng)和令牌總線等形式。目前車間辦公自動化的主流技術(shù)是以太網(wǎng)，其本身具有的標準性和開放性足以保證整個系統(tǒng)的高可靠性，與之相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)組件的價格和程序開發(fā)的復雜性都已大大降低。因此，本文采用基于以太網(wǎng)的局域網(wǎng)式DNC通信結(jié)構(gòu)，構(gòu)建了RS232與以太網(wǎng)互聯(lián)的通信控制器，使得多臺數(shù)控機床可以直接接入車間網(wǎng)絡(luò)，既保證了系統(tǒng)的可靠性，也降低了DNC的實施成本。2 局域網(wǎng)式DNC通信系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)    基于以太網(wǎng)的DNC系統(tǒng)的通信結(jié)構(gòu)如圖1所示，實現(xiàn)數(shù)控機床和

4、以太網(wǎng)連接的是串口服務(wù)器。由串口服務(wù)器把來自以太網(wǎng)的信號透明地傳輸?shù)酱冢瑫r把來自串口的信號透明地傳輸給以太網(wǎng)3。這種適應(yīng)DNC通信系統(tǒng)要求的串口服務(wù)器稱為通信控制器，其實質(zhì)是串行通信和以太網(wǎng)通信的網(wǎng)關(guān)，由MCU和RTL8019AS以太網(wǎng)控制芯片組成，具有以太網(wǎng)接口、串行通信接口和信號輸入輸出口，其中RS232串行接口可以直接連接數(shù)控機床的串口，而信號輸入口和機床的信息采集點連接實現(xiàn)信息的采集。通信控制器可以作為數(shù)控機床的一個部件安裝在數(shù)控機床上，通過為通信控制器配置IP地址即可使數(shù)控機床成為局域網(wǎng)中的一個節(jié)點，從而擁有局域網(wǎng)的部分功能。3 DNC通信系統(tǒng)的信息流  &#

5、160; 基于以太網(wǎng)的DNC通信系統(tǒng)的信息流模型如圖2所示。因為信息流架構(gòu)決定了DNC系統(tǒng)的可擴展性，為此，采用由瘦客戶端、中間應(yīng)用層服務(wù)器、后端數(shù)據(jù)庫服務(wù)器組成的Browser/Server模式的三層分布式體系結(jié)構(gòu)。其中數(shù)控機床相當于計算機終端，通信控制器相當于數(shù)控機床信息中轉(zhuǎn)站，實現(xiàn)數(shù)控程序的網(wǎng)絡(luò)發(fā)送和接收、數(shù)控程序的串口發(fā)送和接收以及機床事件的發(fā)送，同時又是一個嵌入式Web服務(wù)器，實時發(fā)布機床狀態(tài)信息。數(shù)據(jù)Web服務(wù)器用于數(shù)據(jù)的分析、存儲機床事件和數(shù)控程序，而DNC通信平臺負責完成中央計算機和DNC控制器間數(shù)控程序的網(wǎng)絡(luò)傳輸。4 DNC系統(tǒng)通信控制器設(shè)計   

6、; 本系統(tǒng)通信控制器采用了基于RISC結(jié)構(gòu)的AVR單片機ATmegal28L5，帶有片上FLASH程序存儲器，具有在系統(tǒng)編程、調(diào)試功能，采用CPU并行流水線方式及單時鐘周期指令，所有I/O管腳可以通過編程靈活配置。通信控制模塊采用多任務(wù)方式實現(xiàn)，利用uC/OS-實時嵌入式操作系統(tǒng)對搶先式多任務(wù)的支持來分配各個任務(wù)的優(yōu)先級7，通過uC/OS-提供的信號量實現(xiàn)各任務(wù)之間的通信。單片機在進行數(shù)據(jù)采集或完成I/0控制任務(wù)的同時，還可完成Internet協(xié)議處理。在應(yīng)用層采用HTTP協(xié)議作為單片機系統(tǒng)與局域網(wǎng)管理終端之間的通訊協(xié)議，利用以太網(wǎng)控制芯片RTL8019AS將數(shù)據(jù)包發(fā)到以太網(wǎng)上，借助以太網(wǎng)接入

7、Internet，從而構(gòu)成真正的嵌入式TCP/IP設(shè)備。通信控制模塊結(jié)構(gòu)如圖3所示。    上述通信控制模塊的設(shè)計具有使用外圍器件少，系統(tǒng)成本低，易于開發(fā)和維護的特點。它支持 IP、TCP、UDP、ICMP、HTTP和ARP等網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，同時提供10/100Base-T網(wǎng)絡(luò)接口，直接支持Ethernet IEEE802.3協(xié)議。此外，通過系統(tǒng)內(nèi)置的RS232串行接口，還支持Web頁面下載功能，可以實時、動態(tài)顯示并控制監(jiān)控點的數(shù)據(jù)。5 通信功能及實現(xiàn)5.1 功能分析     DNC通信系統(tǒng)從功能上可以分為三部分，第一是數(shù)控程序的

8、傳輸，包括發(fā)送、接收和遠程三種工作方式，通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送來實現(xiàn)；第二是機床實時狀態(tài)的瀏覽，網(wǎng)絡(luò)制造環(huán)境下對機床狀態(tài)的實時瀏覽非常重要，車間管理人員可以通過網(wǎng)絡(luò)瀏覽器遠程實時訪問機床，了解機床狀態(tài)；最后是機床運行日志的記錄和分析。車間管理人員對機床運行歷史進行分析，獲得機床利用率，從而得到提高機床利用率的措施。因此，需要把機床狀態(tài)變化信息即機床事件記錄到數(shù)據(jù)庫中，通過分析數(shù)據(jù)庫資料，得到機床運行日志。采集機床事件并記錄到數(shù)據(jù)庫則是完成此功能的基礎(chǔ)。5.2 軟件實現(xiàn)5.2.1 以太網(wǎng)協(xié)議的實現(xiàn)    以太網(wǎng)是系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信的最底層，也可以將以太網(wǎng)通信功能的實現(xiàn)歸類為以太網(wǎng)驅(qū)

9、動程序的設(shè)計。以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀的封裝、拆包、接收、發(fā)送是由RTL8019AS芯片自動完成的。系統(tǒng)的軟件主要工作則是對RTL8019AS的控制及配合系統(tǒng)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收動作來對RTL8019AS內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲區(qū)進行讀寫。    RTL8019AS內(nèi)部可劃分為遠程 DMA(Remote DMA)信道和本地 DMA(Local DMA)信道兩個部分。本地DMA完成RTL8019AS與網(wǎng)絡(luò)線的數(shù)據(jù)交換，軟件系統(tǒng)收發(fā)數(shù)據(jù)只需對遠程DMA操作。當主處理器(ATMEGA128L)要向以太網(wǎng)絡(luò)發(fā)送數(shù)據(jù)時，先將一幀（Frame）數(shù)據(jù)經(jīng)過遠程DMA信道，送到RTL8019AS中的發(fā)送緩存內(nèi)

10、存(Ring Buffer)，然后發(fā)出傳送命令，RTL8019AS在送出前一幀的數(shù)據(jù)后即進行此幀的發(fā)送。RTL8019AS接收到的數(shù)據(jù)通過MAC比較、CRC校驗后，由FIFO存到接收緩沖區(qū)，收滿一幀后，以中斷或緩存器標志的方式通知主處理器。5.2.2 TCP/IP協(xié)議的實現(xiàn)    由于TCP/IP協(xié)議包含的內(nèi)容較多，而嵌入式系統(tǒng)硬件資源相對較少。所以，實際應(yīng)用中一般都根據(jù)應(yīng)用的具體情況對TCP/IP協(xié)議進行裁減和壓縮。在數(shù)控機床遠程監(jiān)控的實際應(yīng)用中，對RS232接口傳輸?shù)腘C程序等數(shù)據(jù)使用TCP進行通訊。TCP是TCP/IP協(xié)議族中是最復雜的協(xié)議，要為兩個任意處理

11、速率的、使用不可靠IP連接機制的機器之間的通信提供可靠的、具有流量控制的、端到端的數(shù)據(jù)流服務(wù)。像大多數(shù)可靠的傳輸協(xié)議一樣，TCP使用"超時重傳機制"（Timeout with Retransmission）來實現(xiàn)其可靠性。在構(gòu)造TCP時必須非常仔細地保證其在數(shù)據(jù)報被延遲、復制、丟失、發(fā)送不按順序的數(shù)據(jù)時仍然能夠正確進行數(shù)據(jù)傳輸。    在有數(shù)據(jù)傳輸請求時，首先要建立TCP的連接，建立連接由TcpConnect()函數(shù)以三次握手方法完成。在建立好連接的同時，將啟動TCP計時器進行超時檢查。當有數(shù)據(jù)需要發(fā)送時，調(diào)用TCP層的TcpSend()函數(shù)實

12、現(xiàn)數(shù)據(jù)的TCP格式封裝，并將封裝后的數(shù)據(jù)置入發(fā)送緩沖區(qū)，調(diào)用IP層函數(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)送。數(shù)據(jù)的接收由TCP接收函數(shù)TcpReceive()完成，數(shù)據(jù)接收函數(shù)TcpReceive()調(diào)用TcpInput()函數(shù)對接收到的TCP數(shù)據(jù)報文進行處理，從中分離出用戶數(shù)據(jù)傳遞給上層的TCP接收功能調(diào)用者。TCP數(shù)據(jù)的接收確認、超時重發(fā)和窗口流量控制由TCP狀態(tài)機TcpStateMachine()在TCP計時器的協(xié)助下控制完成。函數(shù)TcpCreateSocket()負責TCP協(xié)議的初始化，包括任務(wù)的創(chuàng)建、內(nèi)存的分配和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的初始化等工作。函數(shù)TcpCloseSocket()用于TCP連接拆除并釋放占用的資源6。TCP協(xié)議的數(shù)據(jù)處理流程和主要函數(shù)關(guān)系如圖4所示。    對各開關(guān)量接口和模擬量接口的監(jiān)測和控制則采用HTTP協(xié)議以Web方式進行控制，其長處是不需要專門的客戶端軟件，遠程監(jiān)控主機只要有IE瀏覽器即可實現(xiàn)對數(shù)控機床端各接口的控制。但由于HTTP協(xié)議的網(wǎng)頁都為靜態(tài)的，為了實現(xiàn)監(jiān)測信息的實時刷新，需要在HTTP基礎(chǔ)上配備以CGI（Common Gateway Interface）技術(shù)。因為通信控制器使用固定的IP地址，不必采用ARP和ICMP協(xié)議。6 結(jié)束語