基于无线通信技术的新型数控系统研析

　　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。[page]

　　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。

　　各功能模块通过无线通信程序与底层进行信息交换。其软件功能模块结构如图3 所示。通信层采用串口，USB 和无线通信口3 种通信方式。串口通信方式采用RS232串行总线技术，全双工，传送波特率为57600bps;USB 通信方式采用USB2.0 高速通用串行总线，传送速率可高达480Mbps;无线通信方式遵循IEEE802.11 通信协议，支持最高传输速率为54Mbps。整个系统的应用软件具有控制、数据处理、人机交互、网络通讯等功能。

2 新型数控中无线通信技术

　　2.1 802.11通信机制

　　目前常用的掌上电脑的无线联网方式有GPRS， IEEE802.11(Wi-Fi)，蓝牙技术、家庭网络HOMERF 等。这些方式各有优劣。IEEE802.11 是1999 年最新版本的无线局域网(WLAN)标准。与蓝牙协议和家庭网络的HOME RF 标准相比IEEE802.11 协议具有传输距离远，传输速度快等优点，是无线通信技术发展的主流。和其他IEEE802.x 标准一样，802.11 标准着重定义了物理层(PHY)和介质访问控制(MAC)子层。IEEE802.11 的MAC 层提供对无线共享介质的访问控制。除此之外，还提供支持无线传输和站点移动所必须的网络连接、认证、保密和电源管理等功能。近年来，802.11标准又扩展出802.11b、802.11a、802.11g等系列，这些扩展标准采用的是不同的物理层标准，使通信速率提高到11Mbit/s、22 Mbit/s至54 Mbit/s，但它们对MAC层协议没有重大改变。

　　2.2 新型数控中无线通信的具体实现方案

　　在新型数控体系结构中，数控P D A 是通过IEEE802.11x 通信协议与车间服务器及机床控制器通信。根据机床控制系统的不同配置，其无线通信的实现方案也不同。主要有以下几种：

　　(1) 数控PDA的无线模块和单片机数控系统相连的无线通信接口电路;

　　(2) 数控PDA的无线模块通过与传统数控系统的RS232/802.11转换器相连接;

　　(3) 通过数控PDA的无线模块与嵌入式机床控制器的802.11x无线网卡通信。

　　在单片机数控系统中，通过一种基于单片机无线通讯接口电路来实现数控PDA 与单片机的无线通信。这种单片机无线通讯接口电路是由Micrel公司推出的单片发射器芯片(MICRF102)和单片接受器芯片(MICRF007)组成。工作在国际通用ISM 频段300～400MHZ，具有ASK 调制和解调能力，抗干扰能力强，非常适合于工业控制领域。同时它又具备频率稳定性好，接受灵敏度高，功耗底等优点。可以方便数控PDA 与单片机之间的串行数据无线通信。其接口电路工作原理如图4 所示。

　　对于传统数控机床来说，通常这些设备所提供的通信接口是普通的RS-232串行接口。如何使这些设备与数控PDA 通信呢?一个经济、快速的解决方案是，在传统数控系统的串行接口上外接一个RS-232/802.11转换器，将数控设备的串口RS-232信号与无线通信信号相互转换，使之符合IEEE 802.11x通信协议。它使数控设备与无线局域网联网，有效地扩展了数控设备的联网通信能力，并且最终使固定的数控设备可以与自由移控动的数控PDA实现无线通信。

　　总而言之一种基于IEEE 802.11协议下的无线串口是网络环境下的数字化制造的重要趋势。二者间无线通信的实现，实际上可以看作是用无线模块替代有线串口连接，亦既将两个无线模块组成的无线信道看成是一个两端口的设备。对两设备而言，串口通信时有线连接与无线连接的端子对应关系是一样的。用无线信道替代有线连接的通信程序编制也基本相同。