基于WinCE7和WiFi的數控轉塔沖床數控系統無線通信的實現

吝偉偉，鐘佩思，李翠赟，呂曉東，葛旋

(山東科技大學先進制造技術研究中心，山東青島266590)

數控技術是現代制造業的核心技術，數控系統則是制造系統的重要裝備，數控系統的發展研究工作受到許多大型制造企業以及國家的重視和研發支持。數控技術經歷了分立元件系統、專用計算機系統和通用計算機系統等階段，發展到當前以工控微機(IPC)為控制核心的數控時代。目前基于PC 的開放式數控系統已經發展到相當高的水平，但是這種系統有著先天的不足。由于PC 機最初是針對文件管理和數據處理而設計的，CPU 適合于復雜指令集，具有很強的數值計算、邏輯處理和控制功能，但結構復雜、成本高、硬件冗余且無法裁剪、功耗大且可靠性低。此外，更為重要的是PC 的硬件不是針對實時控制設計的，往往需要進行硬件擴展以滿足實時控制的要求，而且PC 的操作系統也不是針對實時控制而設計的［1］。WinCE7 是微軟公司為嵌入式產品設計的一個高效、可升級的多線程、多進程、搶先多任務實時操作系統［2］。它能夠滿足數控系統對可靠性、實時性、柔性模塊化及聯網的要求并擁有強大的開發工具，大大縮短了開發數控系統的時間。

目前數控系統比較常用的通信方式為RS232 端口通信。使用RS232 端口進行通信有兩種方式:“一對一” (一臺機床配一臺計算機進行交互傳輸)和“多對一”(多臺機床配一臺計算機進行自動傳輸)。“一對一”方式由于在計算機采購和后期維護方面的費用很高而難以使用，并且導致計算機資源的浪費。使用“多對一”的網絡通信時，可以借助于局域網，將其傳輸距離明顯延長，但存在機床生產環境復雜、布線繁瑣、出現故障很難檢修等問題［3］。因此提出基于WiFi 的數控轉塔沖床無線通信解決方案。

1 嵌入式數控轉塔沖床數控系統

1.1 嵌入式數控轉塔沖床數控系統架構

沖床數控系統的模塊框圖如圖1 所示。

圖1 沖床數控系統的模塊框圖

該嵌入式數控系統主要由5 大模塊構成:人機交互裝置、嵌入式數控操作和管理模塊、嵌入式運動控制模塊和I/O 及伺服控制器等，其中WiFi 無線通信包含在嵌入式數控操作和管理模塊。

數控系統主要模塊功能介紹。人機交互裝置包括手動輸入鍵盤、LCD 顯示器和諸多其他功能按鈕，負責完成諸如NC 代碼的錄入及編輯顯示工作、手動操作以及一些機床狀態信息顯示等;嵌入式數控操作和管理模塊是沖床數控系統的核心模塊之一，系統的所有人機交互都由該模塊處理，包括各種機床參數的選擇與設置，NC 代碼的編輯、編譯、存儲和傳輸，系統監控與故障診斷，移動U 盤的控制及網絡通信等;嵌入式數控運動控制模塊是機床邏輯運動控制的核心，利用邏輯運算能力，負責送料機運行軌跡的計算、插補、反向間隙補償、信號采集、主軸及開關量控制等實時性強的運算和控制［1］;I/O 模塊的主要任務是高低電平之間的相互轉換、隔離保護及功率放大等，包括3 ～5 V 轉換、3 ～24 V 的轉換，采用光電耦合器隔離防止工作現場復雜電磁干擾以及增大驅動功率等，另外還包括單路信號與差分信號的相互轉化;伺服控制器用來處理來自控制裝置的指令信號并完成對伺服電機的控制，實現被控對象跟隨控制裝置指令脈沖運動，確保動作的快速和準確。

1.2 系統硬件平臺的選擇

硬件平臺選擇廣州天嵌計算機科技有限公司的TQ210 開發板。TQ210 開發板采用Samsng CortexA8 S5PV210 芯片，CPU 采用45 nm 工藝制成，運行最大頻率可達1 GHz，處理器內部有32 kB 的指令高速緩存(I Cache)、32 kB 的數字高速緩存(D Cache)和512 kB 的二級緩存(L2 Cache)，完全能夠滿足嵌入式數控轉塔沖床數控系統對高實時性的要求;S5PV210 芯片的外圍部分包含實時時鐘芯片RTC、4個PLL、5 個通道的PWM、1 個看門狗時鐘、24 通道的DMA、8 ×14 的小型鍵盤和10 通道12 位觸摸屏專用的ADC 轉換，其中PWM 脈沖寬度調制即利用CORTEXA8 的數字輸出，來對模擬電路進行控制［4］。該技術可實現數控轉塔沖床數控系統對步進電動機和伺服電機的調速;數控系統還可以根據編程設定的加工速度指令，調用IO 流接口函數，配合動態設置的PWM 常數，實現實時插補。該硬件平臺不僅能夠實現數控轉塔沖床數控系對實時性要求很高的功能如伺服控制、插補等，而且能夠滿足數控系統向高速度高精度和網絡化制造發展的需求。因此作者選擇廣州天嵌計算機科技有限公司的TQ210 開發板作為嵌入式數控系統開發的硬件平臺。

1.3 系統軟件平臺的選型與搭建

目前應用較多的嵌入式系統主要有Linux 和WinCE 等。Linux 提供開放的源代碼且不需支付費用，占據國內主要市場，但是也有諸多不足之處:開發難度較高，系統調試工具不夠豐富，沒有良好的用戶圖形界面，占用較大的內存空間等。

Windows Embedded Compact7 (通常簡稱為WinCE7 或Windows CE 7)是一種安全可靠的硬實時高性能嵌入式操作系統，它將最新的網絡、多媒體和通信技術結合在一起封裝在小設備中，具有搶占式多任務執行的特性和強大的通信能力。Windows Embedded Compact7 擁有Windows 7 的特點，支持虛擬內存機制、按需分配內存和內存映射文件，它專門為信息設備、移動計算、消費類電子產品和嵌入式應用等非PC 領域而設計，為不同的應用和設備提供強大的可定制功能。新一代的嵌入式操作系統平臺Windows Embedded Compact7 完整地集成了Windows Embedded CE6.0 的諸多特性，更多的新特性可以幫助開發者更快地構建創新的消費類電子設備和工業控制設備。Windows Embedded Compact7 不僅支持X86 和MIPS，同時支持最新的ARMv7 架構和多核處理器并能在Visual Studio 2008 中無縫集成Platform Builder 2008，可以為開發者提供更高效的、流暢的開發體驗［5］。因此，開發平臺選用Windows Embedded CE 系列最新一代操作系統Windows Embedded Compact7 來進行軟件系統的開發。

在Windows Embedded Compact7 開發環境搭建過程中，由于是采用微軟官方提供的在線安裝包，如果采用默認的方式安裝可能需要的磁盤空間很大，大約50 GB，但具體到開發好多默認安裝的功能是用不到的，因此為了節約PC 的磁盤空間和保證運行速率，安裝過程應選擇開發用到的功能，比如安裝VS2008時由于開發用到的語言是VC + + 語言，其他如C#、JAVA 等就無需安裝。還有就是搭建Platform Builder，應選擇對應于硬件平臺所需要的處理器，比如該設計選用的硬件平臺是基于Cortex-A8 微處理器的平臺，它遵從ARMv7 架構規范，安裝時只選“ARMv7 Architecture”選項即可，其他用不到的處理器則不要選，以免安裝時費時、費大量磁盤空間而對開發無用。經過自定義，安裝完成后大約占用磁盤空間35 GB。下面是Windows Embedded Compact7 開發環境搭建步驟:

(1)Visual Studio 2008;

(2)Microsoft Expression Blend;

(3)Windows Embedded Compact 7;

(4)Microsoft Virtual PC。

完成上述步驟，Windows Embedded Compact 7 操作系統就安裝完成了，下一步就完成定制好的操作系統的開發板移植工作。采用USB 線下載移植鏡像，完成移植主要3 個步驟: (1)用原來的CE6 的EBOOT 來燒寫CE7 的STEPLDR 和CE7 的EBOOT;(2)運行CE7 的EBOOT ，并輸入“F”命令;(3)用CE7 的EBOOT 通過USB 下載燒寫CE7 的NK。移植完成后啟動開發板后界面見圖2。

圖2 開發板啟動界面

2 數控轉塔沖床無線通信的實現

2.1 數控轉塔沖床無線通信模塊的選型

目前實現無線網絡，主要有藍牙無線接入技術、家庭網絡的HomeRF 技術、紅外數據通信IrDA 以及IEEE802.11 連接技術等幾種技術。藍牙技術是由移動通信公司與移動計算機公司聯合起來開發的傳輸范圍約為10 m 的短距離無線通信技術標準，用來在便攜式計算機、移動電話以及其他移動設備之間建立起一種小型、經濟、短距離的無線鏈路。由于藍牙無線網絡面向的是短距離聯網，所以將其應用在制造車間是不適合的。HomeRF 主要為家庭網絡設計，是IEEE802.11 與DECT (Digital Enhance cordless Telephone，是根據泛歐地區共同通信協定標準生產的移動產品)的結合，旨在降低語音數據成本［6］。紅外數據通信IrDA 是利用紅外線進行點到點視距傳輸的技術，它是在1993年由紅外線數據標準協會制訂的。目前IrDA 的傳送速率最高為16 Mb/s，接收角度120°。紅外傳輸設備體積小、功耗低、技術成熟，進入市場早，價格便宜、應用廣泛。但IrDA 的最大缺點是只能進行視距傳輸，即通信設備中間不能存在阻擋物，從而把IrDA 應用限制在特定領域之內［7］。WiFi 是一種基于IEEE802.11 協議的短程無線傳輸技術，具有無需布線、覆蓋范圍廣以及有效距離長的特點，且傳輸速度快，其中IEEE802.11n 已達到600 Mb/s，能夠滿足大多用戶的需求［8］。與藍牙這種無線傳輸方式一樣，都是經常使用的短距離無線傳播技術，雖然在安全性方面，藍牙技術更強一些，但是在網絡覆蓋范圍方面，WiFi 更有優勢，可以達到90 m左右。另外，WiFi 的傳輸速率也更快［9］。因此采用WiFi，無線模塊選用海凌科電子新推出的HLKRM04 模組。

2.2 數控轉塔沖床WiFi 無線通信實現

數控轉塔沖床無線通信模塊包括與上位機連接的WiFi 模塊1 和與機床嵌入式控制器連接的WiFi 模塊2，兩個模塊之間無線通信的實現是整個機床通信的關鍵環節。WiFi 無線網絡傳輸包括上電初期的設備探測、信息查詢、設備初始化和網絡連接建立部分，以及通信過程中的數據包發送、接受和管理等。

WinCE7 下WiFi 初始化的實現主要有4 個步驟:

(1)查找系統中可用無線網絡

實現程序如下:

(2)獲取并解析無線網絡信息

獲取無線網卡及掃描無線AP 信息可由以下函數實現:

BOOL GetWirelessCardInfo (PTCHAR pCard，PINTF_ENTRY_EX pIntf，PDWORD pOutFlags)

其中:pCard 為無線網卡標識號GUID;pIntf 為無線網卡配置信息結果體;pOutFlags 為網卡配置信息掩碼標志。

(3)連接網絡

實現無線網卡連接到需要的網絡節點可調用以下函數:

BOOL WirelessConnectToAP (PTCHAR pSSID，PTCHAR pCard，ULONG ulPrivacy，BOOL bAdhoc，NDIS_802_11 _AUTHENTICATION _MODE ndisMode，PTCHAR pKey，int iKeyIndex，int iEapType)

(4)判斷網絡狀態

當完成網絡連接后，如要判斷網絡連接是否成功，可調用以下函數:

BOOL IsAssociated (const INTF_ENTRY_EX Intf，const DWORD dwOutFlags)

上位機與機床嵌入式控制器之間數據交互過程見圖3。

圖3 數據交互流程圖

3 系統測試和實驗結果

實驗機床選擇南京華訊機械制造有限公司HPI-3047 數控轉塔沖床1 臺，實驗環境為生產車間工作環境。Wireshark 是一個網絡數據包分析軟件。網絡數據包分析軟件的功能是截取網絡數據包，并盡可能顯示出最為詳細的網絡數據包數據。利用Wireshark軟件抓取上位機與機床數控系統嵌入式控制器之間通信的網絡數據包，Wireshark 軟件抓取的無線通信數據包見圖4。

圖4 無線通信數據包

實驗結果表明:文中設計的嵌入式數控轉塔沖床WiFi 無線通信，能夠實現上位機與機床嵌入式控制器之間的數據交互，完全能夠取代傳統的線纜通信，降低了企業成本，提高了機床執行效率。

4 結束語

運用當今熱門的嵌入式技術開發嵌入式數控系統，避免了基于PC 的數控系統結構復雜、成本高、硬件冗余且無法裁剪、功耗大且可靠性低的劣勢。建立基于WinCE7 和CORTEXA8 的嵌入式數控系統，滿足了數控機床對高實時性的要求。把WiFi 無線通信技術應用到數控機床通信系統中去，取代傳統的線纜通信，免去了車間安裝線纜和后期維護檢修的工作。隨著物聯網技術、無線通信技術及信息處理技術的發展，相信數控機床通信能夠實現無線化、高效化和制造的網絡化，降低企業的成本，提高企業的經濟效益。

［1］王燚．基于嵌入式技術的沖床數控系統研究與開發［D］．武漢:武漢理工大學，2009．

［2］張磊．基于WindowsCE 的開放式數控系統設計與實現［D］．武漢:華中科技大學，2011．

［3］樂英高，任小洪，徐衛東，等．基于ZigBee 的數控機床通信系統研究［J］．機床與液壓，2012，40(9):81－83，87．

［4］熊積健，王琪．基于S5PV210 平板電腦的設計［J］．計算機與現代化，2012(5):189－191，194．

［5］尹成．Windows CE7 開發實戰詳解［M］．北京:人民郵電出版社，2012．

［6］王宏余．基于WLAN 的網絡化DNC 系統研究［D］．鎮江:江蘇大學，2008．

［7］與非網．WiFi、藍牙、HomeRF 和紅外四種短距離無線通信簡介［OL］．2012．http://www.eefocus.com/rf-microwave/316166．

［8］楊順，李明明．基于ARM 和WiFi 技術的遠程自動抄表系統設計［J］．計算機測量與控制，2013(11):3068－3071．

［9］李鵬．基于嵌入式系統無線條碼采集終端的研究與設計［D］．西安:西安科技大學，2012．