基于以太网的数控机床通信系统研究

基于以太网的数控机床通信系统研究发布日期:2005-09-15作者:任义陈欣牛连强陈彦军来源:微计算机信息摘要：实现DNC系统的核心问题是解决数控机床与计算机之间的信息交换和互联。文章通过对当前国内DNC系统主要通信结构的分析，重点论述了使用通信控制器构建基于以太网数控机床通信系统的网络技术方案、拓扑结构及通信系统功能的软件实现；给出了采用单片机和RTL8019AS以太网控制芯片实现通信控制器的方法。关键词：DNC；以太网；单片机；通信控制器1引言随着计算机技术的发展和数控机床的普遍使用，国内许多企业都在数控技术比较成熟的情况下，提出改造生产线以建立DNC(DirectNumericalControl或DistributedNumericalControl)系统的要求，如何建立计算机与数控机床之间的联接以构筑可靠的DNC系统是一个值得探讨的问题。目前DNC系统主要采用的通信结构包括点对点式结构、现场总线结构和局域网结构。点对点通信是加工车间中广泛应用的一种通信结构，利用数控机床提供的RS232或RS485串行通信接口，一台计算机对应一台数控机床，这种通信方式存在现场工控微机多、投入成本高、管理和维护工作量大等缺点[1]。现场总线通信是利用现场总线构建设备网络，通过在现场总线和数控机床间设置转换器连接具有串行通信接口的机床，存在结构复杂、结构层次过多等问题[2]。局域网结构主要应用于具有网络接口的机床，有以太网、令牌环网和令牌总线等形式。目前车间办公自动化的主流技术是以太网，其本身具有的标准性和开放性足以保证整个系统的高可靠性，与之相关的网络组件的价格和程序开发的复杂性都已大大降低。因此，本文采用基于以太网的局域网式DNC通信结构，构建了RS232与以太网互联的通信控制器，使得多台数控机床可以直接接入车间网络，既保证了系统的可靠性，也降低了DNC的实施成本。2局域网式DNC通信系统的硬件结构基于以太网的DNC系统的通信结构如图1所示，实现数控机床和以太网连接的是串口服务器。由串口服务器把来自以太网的信号透明地传输到串口，同时把来自串口的信号透明地传输给以太网[3]。这种适应DNC通信系统要求的串口服务器称为通信控制器，其实质是串行通信和以太网通信的网关，由MCU和RTL8019AS以太网控制芯片组成，具有以太网接口、串行通信接口和信号输入输出口，其中RS232串行接口可以直接连接数控机床的串口，而信号输入口和机床的信息采集点连接实现信息的采集。通信控制器可以作为数控机床的一个部件安装在数控机床上，通过为通信控制器配置IP地址即可使数控机床成为局域网中的一个节点，从而拥有局域网的部分功能。3DNC通信系统的信息流基于以太网的DNC通信系统的信息流模型如图2所示。因为信息流架构决定了DNC系统的可扩展性，为此，采用由瘦客户端、中间应用层服务器、后端数据库服务器组成的Browser/Server模式的三层分布式体系结构。其中数控机床相当于计算机终端，通信控制器相当于数控机床信息中转站，实现数控程序的网络发送和接收、数控程序的串口发送和接收以及机床事件的发送，同时又是一个嵌入式Web服务器，实时发布机床状态信息。数据Web服务器用于数据的分析、存储机床事件和数控程序，而DNC通信平台负责完成中央计算机和DNC控制器间数控程序的网络传输。4DNC系统通信控制器设计本系统通信控制器采用了基于RISC结构的AVR单片机ATmegal28L[5]，带有片上FLASH程序存储器，具有在系统编程、调试功能，采用CPU并行流水线方式及单时钟周期指令，所有I/O管脚可以通过编程灵活配置。通信控制模块采用多任务方式实现，利用uC/OS-Ⅱ实时嵌入式操作系统对抢先式多任务的支持来分配各个任务的优先级[7]，通过uC/OS-Ⅱ提供的信号量实现各任务之间的通信。单片机在进行数据采集或完成I/0控制任务的同时，还可完成Internet协议处理。在应用层采用HTTP协议作为单片机系统与局域网管理终端之间的通讯协议，利用以太网控制芯片RTL8019AS将数据包发到以太网上，借助以太网接入Internet，从而构成真正的嵌入式TCP/IP设备。通信控制模块结构如图3所示。上述通信控制模块的设计具有使用外围器件少，系统成本低，易于开发和维护的特点。它支持IP、TCP、UDP、ICMP、HTTP和ARP等网络协议，同时提供10/100Base-T网络接口，直接支持EthernetIEEE802.3协议。此外，通过系统内置的RS232串行接口，还支持Web页面下载功能，可以实时、动态显示并控制监控点的数据。5通信功能及实现5.1功能分析DNC通信系统从功能上可以分为三部分，第一是数控程序的传输，包括发送、接收和远程三种工作方式，通过网络发送来实现；第二是机床实时状态的浏览，网络制造环境下对机床状态的实时浏览非常重要，车间管理人员可以通过网络浏览器远程实时访问机床，了解机床状态；最后是机床运行日志的记录和分析。车间管理人员对机床运行历史进行分析，获得机床利用率，从而得到提高机床利用率的措施。因此，需要把机床状态变化信息即机床事件记录到数据库中，通过分析数据库资料，得到机床运行日志。采集机床事件并记录到数据库则是完成此功能的基础。5.2软件实现5.2.1以太网协议的实现以太网是系统网络通信的最底层，也可以将以太网通信功能的实现归类为以太网驱动程序的设计。以太网数据帧的封装、拆包、接收、发送是由RTL8019AS芯片自动完成的。系统的软件主要工作则是对RTL8019AS的控制及配合系统数据的发送和接收动作来对RTL8019AS内部数据存储区进行读写。RTL8019AS内部可划分为远程DMA(RemoteDMA)信道和本地DMA(LocalDMA)信道两个部分。本地DMA完成RTL8019AS与网络线的数据交换，软件系统收发数据只需对远程DMA操作。当主处理器(ATMEGA128L)要向以太网络发送数据时，先将一帧（Frame）数据经过远程DMA信道，送到RTL8019AS中的发送缓存内存(RingBuffer)，然后发出传送命令，RTL8019AS在送出前一帧的数据后即进行此帧的发送。RTL8019AS接收到的数据通过MAC比较、CRC校验后，由FIFO存到接收缓冲区，收满一帧后，以中断或缓存器标志的方式通知主处理器。5.2.2TCP/IP协议的实现由于TCP/IP协议包含的内容较多，而嵌入式系统硬件资源相对较少。所以，实际应用中一般都根据应用的具体情况对TCP/IP协议进行裁减和压缩。在数控机床远程监控的实际应用中，对RS232接口传输的NC程序等数据使用TCP进行通讯。TCP是TCP/IP协议族中是最复杂的协议，要为两个任意处理速率的、使用不可靠IP连接机制的机器之间的通信提供可靠的、具有流量控制的、端到端的数据流服务。像大多数可靠的传输协议一样，TCP使用超时重传机制（TimeoutwithRetransmission）来实现其可靠性。在构造TCP时必须非常仔细地保证其在数据报被延迟、复制、丢失、发送不按顺序的数据时仍然能够正确进行数据传输。在有数据传输请求时，首先要建立TCP的连接，建立连接由TcpConnect()函数以三次握手方法完成。在建立好连接的同时，将启动TCP计时器进行超时检查。当有数据需要发送时，调用TCP层的TcpSend()函数实现数据的TCP格式封装，并将封装后的数据置入发送缓冲区，调用IP层函数实现数据发送。数据的接收由TCP接收函数TcpReceive()完成，数据接收函数TcpReceive()调用TcpInput()函数对接收到的TCP数据报文进行处理，从中分离出用户数据传递给上层的TCP接收功能调用者。TCP数据的接收确认、超时重发和窗口流量控制由TCP状态机TcpStateMachine()在TCP计时器的协助下控制完成。函数TcpCreateSocket()负责TCP协议的初始化，包括任务的创建、内存的分配和数据结构的初始化等工作。函数TcpCloseSocket()用于TCP连接拆除并释放占用的资源[6]。TCP协议的数据处理流程和主要函数关系如图4所示。对各开关量接口和模拟量接口的监测和控制则采用HTTP协议以Web方式进行控制，其长处是不需要专门的客户端软件，远程监控主机只要有IE浏览器即可实现对数控机床端各接口的控制。但由于HTTP协议的网页都为静态的，为了实现监测信息的实时刷新，需要在HTTP基础上配备以CGI（CommonGatewayInterface）技术。因为通信控制器使用固定的IP地址，不必采用ARP和ICMP协议。6结束语本文根据目前数控加工的实际需要建立了应用于数控机床的局域网式DNC通信控制系统，该系统基于TCP/IP通讯协议和Socket，建立服务器/客户机模式，通过对数控机床进行网络控制和调试，可以使机床具有更大的柔性和可控性。实验表明，该系统基本达到了动态调试和监控机床运转情况的目的，为数控机床监控、调试及产品管理提供了有效的手段，从而提高了设备使用和制造双方的经济效益。