數控機床網絡接口模塊的設計與實現* ＊

常國權 馮慧玲

(安陽工學院計算機科學與信息工程學院，河南 安陽455000)

隨著數控技術的飛速發展，各行業數控機床(簡稱CNC)使用的數量急劇增多，而傳統的以單臺數控機床獨立運行的車間生產管理模式嚴重制約了數控設備的效能發揮［1］。隨著計算機網絡技術普及和數控技術的快速發展，迫切需要對作為基本加工單元的數控機床實現網絡化管理，這樣才能充分發揮數控設備的效能，提高數控機床的利用率，對于提高數控車間的加工水平和信息化管理具有十分重要的意義。

然而，一些仍在使用的老式數控機床并沒有網絡接口，這些老式數控機床一般都帶有RS232 通信接口，盡管可以通過RS232 通信接口將CNC 與服務計算機實現聯機，但RS232 不是一個總線通信標準，其通信傳輸距離小，抗干擾能力差，不便于實現網絡化管理［2］。為此，采用宏晶科技公司生產的STC15L2K40S2 高速、低功耗單片機和微芯科技公司生產的ENC28J60 以太網控制器設計出了一款通用的數控機床網絡接口模塊，在該模塊上實現了uIP 協議棧，可以實現RS232 串口到以太網接口的轉換，配合PC 上位機服務器可以實現自動分配MAC 地址、IP 地址等參數設置信息。

1 系統硬件設計

1.1 系統電源設計

由于系統采用的 STC15L2K40S2 單片機和ENC28J60 芯片的工作電壓都是3.3 V，而數控機床低壓照明電源一般是24 V，因此，需要把數控機床提供的低壓電壓進一步降壓到3.3 V 才能提供給模塊使用。考慮到從24 V 到3.3 V 的電壓差較大，系統電源設計沒有采用一般的線性穩壓器，而采用了效率更高、功能更強的DC -DC 轉換器LM2576 -3.3。LM2576系列是美國國家半導體公司生產的3 A 電流輸出降壓開關型集成穩壓電路，內含固定頻率振蕩器和基準穩壓器，并具有完善的保護電路，包括電流限制及熱關斷電路等，利用該器件只需極少的外圍器件便可構成高效穩壓電路［3］。自恢復保險絲F1 和穩壓二極管D3構成電壓保護電路，當因其他原因致使輸出電壓超過3.5 V 時，D3 導通，從而使F1 自動保護。系統電源設計原理圖如圖1 所示。

1.2 主控芯片選擇

從成本和性能綜合考慮，主控芯片選用的是宏晶科技公司生產的28 引腳SOP28 封裝的STC15L2K40S2 單片機，它是單機器周期(1 T)的單片機，具有高速、高可靠、超低功耗、超級抗干擾等優點，指令代碼完全兼容傳統8051［4］。內部集成高可靠復位電路，可用在高速通信、智能控制、強干擾等場合［5］。該單片機內部具有2 K 的RAM、40 K 的Flash 以及21 K 的EEPROM。利用該單片機內部的EEPROM 足夠存儲系統參數信息，如機床的產品信息、MAC 地址、IP 地址等，而無需再外擴存儲器。它的工作電壓是3.3 V，方便和ENC28J60 接口，同時也支持串口ISP 下載調試功能，具有使用方便、設計成本低等優點。RS232 轉換芯片采用的是MAX3232，MAX3232 工作電壓是3.3 V，可以和單片機直接接口。系統主控電路設計原理圖如圖2 所示。

1.3 ENC28J60 電路接口設計

系統的網絡接口芯片采用的是美國微芯科技公司(Microchip Technology Inc)推出的兼容IEEE 802.3 協議規范的一款以太網控制器芯片ENC28J60，它是專門針對嵌入式應用以太網解決方案而設計的［6］。ENC28J60 是28 引腳獨立以太網控制器，帶有行業標準的高速SPI 接口，并集成了介質訪問控制器(MAC)和10 BASE-T 物理層(PHY)，支持全雙工和半雙工模式［7］。ENC28J60 沒有集成硬件的網絡協議棧，需要移植專門的嵌入式TCP/IP 協議棧才能工作。ENC28J60 和STC15L2K40S2 單片機工作電壓一致，可以直接接口。出于靈活性設計考慮，并且所用單片機的速度足夠快，因此單片機驅動ENC28J60 采用的是模擬SPI 總線方式，只需選用單片機通用IO 口和ENC28J60 連接即可。但若使用中斷，則需要把ENC28J60 的INT 和WOL 引腳連接到單片機有中斷功能的引腳。網絡接口采用的是把變壓器和RJ -45 接頭集成到一起的HR911105A，HR911105A 符合IEEE 802.3 標準，采用金屬外殼封裝，抑制EMI 性能較好，而且可以減少電路板空間和簡化PCB 板布局，使信號傳輸更加穩定可靠［8］。ENC28J60 電路接口設計原理圖如圖3 所示。

2 系統軟件設計

系統的軟件設計主要是在ENC28J60 上移植了一個uIP 協議棧，并在協議棧的支持下實現數控機床串口數據和網絡數據相互轉換。uIP 協議棧是由瑞典計算機科學學院網絡嵌入式系統小組的Adam Dunkels開發，是一個適用于8/16 位單片機的小型嵌入式TCP/IP 協議棧。uIP 協議棧去掉了完整的TCP/IP 中不常用的功能，簡化了通訊流程，但保留了網絡通信必須使用的協議，設計重點放在了IP、TCP、ICMP、UDP、ARP 這些網絡層和傳輸層協議上，保證了其代碼的通用性和結構的穩定性。

uIP 相當于一個代碼庫，通過一系列的函數實現與底層硬件和高層應用程序的通訊，對于整個系統來說其內部的協議組是透明的，從而增加了協議的通用性。uIP 協議棧與系統底層和高層應用之間的關系如圖4 所示。

uIP 協議棧提供一系列接口函數供用戶程序調用。用戶需要將應用層入口程序作為接口提供給uIP協議棧，并將這個函數定義為宏uip_appcall()。這樣，uIP 在接收到底層傳來的數據包后，在需要送到上層應用程序處理的地方，調用uip_appcall()在不用修改協議棧的情況下可以適配不同的應用程序［9］。

uIP 協議棧支持C/S 和B/S 模式，這里采用的C/S模式，即網絡模塊作為客戶端，PC 機服務器上的上位機軟件作為服務器。當數控機床給網絡模塊上電時，單片機對ENC28J60 做一些初始化操作，包括ENC28J60 復位、設置其工作模式等。為了增加網絡模塊的使用靈活性以及方便對數控機床進行有效的管理，PC 機服務器上位機軟件采用動態地分配模塊的MAC 地址、IP 地址等信息(當然，也可以指定固定的地址)，這些信息被分塊保存在單片機的EEPROM 中，網絡模塊作為客戶端，每次上電都要從EEPROM 中讀取這些信息，以便正確地連接到服務器。如果單片機讀取EEPROM 中的數據全部是0xFF，則單片機控制ENC28J60 以1 個隨機的MAC 地址和1 個雙方約定的IP 地址去連接服務器，而服務器則用1 個線程在1 個固定端口監聽客戶端的連接，當雙方建立好網絡連接之后，服務器通過查詢數據庫給該客戶端分配另外1個固定的MAC 地址和IP 地址，并建立起1 個專用的線程等待客戶端的下一次連接。客戶端收到新的參數信息后，寫入到單片機的EEPROM 中，并用新的地址再次去連接服務器，這樣每當1 個新的客戶端出現在網絡中時，它會自動連接到服務器，并被分配合適的MAC 地址和IP 地址等參數信息，這就提高了系統的方便性和靈活性。

由于各個廠家、各個型號機床的通訊方式和通訊協議不一定完全相同，因此，當該網絡模塊作為客戶端連接到服務器以后，還可以接收服務器發送的其他一些設置指令，如數控機床型號，設置串口通信的波特率、停止位、奇偶校驗位參數等等。所有這些不同的通訊細節，都在網絡模塊的應用層進行屏蔽，這樣就可以給用戶提供完全一致的人機操作界面，使數控機床更容易實現網絡化管理以及車間管理信息系統集成。PC 機網絡測試軟件是使用VC + +6.0 編寫的。系統數據處理流程圖如圖5 所示。系統連接服務器測試效果圖如圖6 所示。

3 結語

該數控機床網絡接口模塊利用數控機床的RS232串口擴展到以太網網絡，這樣就可以把沒有網絡接口的老式數控機床接入以太網，并可通過參數設置來屏蔽數控機床具體通訊細節的差異，為實現對老式數控機床進行網絡化管理提供了支持，也為提高車間的數字化管理能力提供了保障。該網絡模塊操作簡單、使用靈活、成本低廉，在安陽鑫盛機床股份有限公司車間使用以后獲得了較好的效果。

［1］尚德波.基于網絡的數控車間DNC 信息管理系統研究與開發［D］.青島:青島理工大學，2006.

［2］馬殷元，雷斌，蔡慧林. 基于CAN 的無網絡接口數控機床代碼服務系統［J］.測控技術，2013，32(9):104 -106.

［3］National Semiconductor Corporation. LM2576 Series SIMPLE SWITCHER3A Step-Down Voltage Regulator［P］.2004.

［4］丁向榮.增強型8051 單片機原理與系統開發［M］.C51 版.北京:清華大學出版社，2013.

［5］宏晶科技公司. STC15L2K40S2 系列單片機器件手冊［P］. 2013-09.

［6］劉宗銘，卓振泰，何明華.基于ENC28J60 的以太網接口的設計與實現［J］.電子器件，2013，36(6):919 -922.

［7］Microchip Technology Inc.ENC28J60 Data Sheet Stand-Alone Ethernet Controller with SPI Interface［P］.2006 -06.

［8］漢仁電子有限公司. 帶磁模塊和LED 的單端口RJ45 連接器HR911105A 手冊［P］.2008.

［9］潘寧.基于AVR 高速單片機的以太網絡終端設計［D］. 北京:華北電力大學，2013.

［10］孫鑫等.VC+ +深入詳解［M］.北京:電子工業出版社，2012.