基于STR-30的數(shù)控機(jī)床狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要：本文設(shè)計(jì)了基于無線數(shù)據(jù)傳輸模塊STR-30型的數(shù)控機(jī)床狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，介紹了數(shù)據(jù)傳輸所采用的時(shí)分多址通信協(xié)議和實(shí)時(shí)接收、處理數(shù)據(jù)的方法，完成了基于多線程技術(shù)的無線數(shù)據(jù)傳輸模塊軟件設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：數(shù)控機(jī)床;無線通信;時(shí)分多址;多線程

在傳統(tǒng)的CIMS（計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)）中，數(shù)據(jù)流的采集、傳輸涉及大量的電纜鋪設(shè)等問題，限制了分布式工業(yè)制造系統(tǒng)整體控制性能的提高。基于STR-30型的無線傳輸模塊能滿足對于數(shù)控機(jī)床實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的穩(wěn)定高效的傳輸要求。本文介紹了在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的數(shù)控機(jī)床無線傳輸?shù)挠布Y(jié)構(gòu)和軟件設(shè)計(jì)，并對所采用的通信協(xié)議進(jìn)行了詳細(xì)分析。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和通信原理

通信模塊特點(diǎn)

上海桑博科技有限公司開發(fā)的STR-30型微功率無線傳輸模塊提供了標(biāo)準(zhǔn)RS-232、RS-485和RART/TTL電平這3種接口方式，可直接與計(jì)算機(jī)COM1（或COM2）相連，利用計(jì)算機(jī)的USB接口供電。STR-30的通信信道是半雙工的（或者直接用STR-30USB），最適合點(diǎn)對多點(diǎn)的通信方式，用戶無需編制多余的程序，只要完成從接口收發(fā)數(shù)據(jù)即可，其它如空中收/發(fā)轉(zhuǎn)換、控制操作等，STR-30無線通信模塊能夠自動完成。

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，整個(gè)系統(tǒng)由若干臺高性能PC組成，分別為遠(yuǎn)程監(jiān)控端（主機(jī)）、現(xiàn)場監(jiān)控中心（從機(jī)）和現(xiàn)場監(jiān)控單元，其中現(xiàn)場監(jiān)控中心和遠(yuǎn)程監(jiān)控端分別配置了STR-30無線通信模塊。主機(jī)和從機(jī)通過RS-232串口與STR-30無線通信模塊相連，兩個(gè)STR-30無線通信模塊（配置天線為30×7×1mm）之間進(jìn)行通信。上行鏈路發(fā)送指令用于主機(jī)對從機(jī)以及現(xiàn)場監(jiān)控單元進(jìn)行控制，下行鏈路發(fā)送狀態(tài)數(shù)據(jù)用于向主機(jī)傳遞數(shù)控機(jī)床當(dāng)前的運(yùn)行參數(shù)，如主軸轉(zhuǎn)動和切削力等。STR-30無線通信模塊提供0～7個(gè)信道（最多可以提供256個(gè)信道，完全可以滿足客戶的需要了），如果需要增加系統(tǒng)容量，可以設(shè)置多個(gè)頻點(diǎn)，每個(gè)頻點(diǎn)供多臺數(shù)控機(jī)床使用，這樣，通過增加系統(tǒng)頻段資源的方法，可使系統(tǒng)容量成倍的增加。

圖1 數(shù)控機(jī)床狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

時(shí)分多址通信協(xié)議

　　本系統(tǒng)采用TDMA時(shí)分多址通信協(xié)議。把時(shí)間軸劃分成一定長的時(shí)元（EPOCH），每個(gè)時(shí)元又劃分為若干個(gè)幀，每一個(gè)幀內(nèi)部又劃分為若干個(gè)時(shí)隙。幀的重復(fù)周期為幀周期， 在每個(gè)幀中給主機(jī)/從機(jī)分配一定數(shù)量的時(shí)隙以發(fā)射信號，而在不發(fā)射信號的時(shí)隙中則接收從機(jī)/主機(jī)所發(fā)射的信號。主機(jī)以準(zhǔn)確的時(shí)鐘為基準(zhǔn)，從機(jī)時(shí)鐘則與之同步，形成統(tǒng)一的系統(tǒng)時(shí)鐘。 網(wǎng)內(nèi)各個(gè)成員的發(fā)射時(shí)隙是彼此不同的，不存在相互干擾問題，但必須有準(zhǔn)確的時(shí)隙同步，使每一次發(fā)射都以統(tǒng)一的時(shí)隙起點(diǎn)作定時(shí)基準(zhǔn)。本系統(tǒng)測控容量為30臺數(shù)傳機(jī)床，數(shù)傳模塊的無線傳輸速率設(shè)置為9600bps，每個(gè)時(shí)隙的基本信息傳輸量為225bit，所以，設(shè)計(jì)為每個(gè)時(shí)隙35ms，每個(gè)時(shí)幀為3.5s，共有100個(gè) 時(shí)隙，每個(gè)時(shí)元35s，共10個(gè)幀。

通信模塊的軟件實(shí)現(xiàn)

程序的整體框架

　　無線傳輸模塊作為實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的一部分，在設(shè)計(jì)時(shí)就考慮要把它設(shè)計(jì)成一個(gè)獨(dú)立的模塊，使對它的應(yīng)用類似函數(shù)的應(yīng)用，本文采用Visual C + + 語言進(jìn)行設(shè)計(jì)，在終端的無線通信模塊程序中包括時(shí)戳類、編碼類、網(wǎng)絡(luò)通信類（或傳輸類） 。時(shí)戳類主要完成整個(gè)系統(tǒng)的同步，編碼類主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的R-S編碼功能。 網(wǎng)絡(luò)通信類主要是負(fù)責(zé)編碼后數(shù)據(jù)流的發(fā)送和接收。數(shù)據(jù)鏈終端模塊主要包含如下線程：

　　1 主線程

　　主線程的主要任務(wù)是對系統(tǒng)進(jìn)行初始化，創(chuàng)建子線程和結(jié)束子線程，并響應(yīng)菜單和鼠標(biāo)操作。

　　2 編解碼線程

　　從主機(jī)/從機(jī)獲得數(shù)據(jù)，進(jìn)行編碼，并將編碼后的數(shù)據(jù)送入發(fā)送緩沖等待發(fā)送;從接收緩沖取得數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，得到有效信息。

　　3 傳輸線程

　　負(fù)責(zé)把發(fā)送緩沖的數(shù)據(jù)送入數(shù)傳模塊調(diào)制解調(diào)器;從調(diào)制解調(diào)器讀入數(shù)據(jù)流，并存入接收緩沖區(qū)。

Windows下精確定時(shí)的實(shí)現(xiàn)

　　TDMA網(wǎng)絡(luò)是一種同步網(wǎng)絡(luò)，要求整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的所有用戶都采用統(tǒng)一的時(shí)基，并且各自能維持一個(gè)高精度的時(shí)鐘。眾所周知，Windows是基于消息機(jī)制的系統(tǒng)，任何事件的執(zhí)行都是通過發(fā)送和接收消息來完成的。 這樣就帶來了一些問題，如一旦計(jì)算機(jī)的CPU被某個(gè)進(jìn)程占用，或系統(tǒng)資源緊張時(shí)，發(fā)送到消息隊(duì)列中的消息就暫時(shí)被掛起，得不到實(shí)時(shí)處理。因此，不能簡單地通過Windows消息引發(fā)一個(gè)對定時(shí)要求嚴(yán)格的事件。由于在Windows中已封裝了計(jì)算機(jī)底層硬件的訪問，所以，要想通過直接訪問硬件來完成精確定時(shí)也比較困難。基于本系統(tǒng)定時(shí)到毫秒級的要求，采用QueryPerformanceFrequency（）和 QueryPerformanceCounter（）函數(shù)。在進(jìn)行定時(shí)之前，先調(diào)用QueryPerformanceFrequency（）函數(shù)獲得機(jī)器內(nèi)部定時(shí)器的時(shí)鐘頻率， 然后在需要嚴(yán)格定時(shí)的事件發(fā)生之前和發(fā)生之后分別調(diào)用QueryPerformanceCounter（）函數(shù)，利用兩次獲得的計(jì)數(shù)之差及時(shí)鐘頻率，計(jì)算出事件經(jīng)歷的精確時(shí)間。

傳輸線程的實(shí)現(xiàn)

STR-30與PC之間采用串口連接，在Microsoft Visual C++ 6.0環(huán)境下通過對Active X控件的編程來實(shí)現(xiàn)串口的通信簡單方便，可以節(jié)省很多時(shí)間。首先實(shí)例化控件類MSComm，然后通過調(diào)用MSComm的函數(shù)對串口進(jìn)行初始化操作，設(shè)置其串口號、波特率、奇偶校驗(yàn)、數(shù)據(jù)位數(shù)、停止位數(shù)以及接收觸發(fā)方式等。MSComm類的讀寫通過調(diào)用函數(shù)GetInput（）和SetOutput（）實(shí)現(xiàn)。主機(jī)周期性地發(fā)送入網(wǎng)消息，從機(jī)偵聽鏈路35s，以便獲取整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的時(shí)隙分配使用情況，接收到入網(wǎng)消息后，立刻進(jìn)行精同步過程，發(fā)送同步申請消息給主機(jī)，主機(jī)接收到同步申請消息則發(fā)送同步應(yīng)答消息。精同步后網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入連續(xù)運(yùn)行階段，在發(fā)送時(shí)隙發(fā)送消息，接收時(shí)隙接收有用消息。因?yàn)闀r(shí)鐘的漂移性，所以精同步過程要周期性地進(jìn)行。從機(jī)用戶程序流程如圖2所示，主機(jī)用戶程序流程圖與之相似，所以不再贅述。

圖2 從機(jī)成員流程圖

編解碼線程和傳輸線程的同步

　　當(dāng)編解碼線程工作的時(shí)候，要把數(shù)據(jù)送入發(fā)送緩沖區(qū)并從緩沖讀出數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，而傳輸線程要從發(fā)送緩沖區(qū)提取數(shù)據(jù)發(fā)送出去、從調(diào)制解調(diào)器接收數(shù)據(jù)存入緩沖區(qū)，需要設(shè)置精確的同步來保證它們之間不發(fā)生沖突。以編碼線程和發(fā)送線程的同步為例進(jìn)行說明，首先在傳輸類里定義2個(gè)大小相同的發(fā)送緩沖區(qū)E1、E2，并定義4個(gè)事件，分別對應(yīng)緩沖區(qū)E1空事件、緩沖區(qū)E1滿事件、緩沖區(qū)E2空事件、緩沖區(qū)E2滿事件。在主線程中首先對這4個(gè)事件進(jìn)行初始化，由于開始時(shí)刻2個(gè)緩沖區(qū)應(yīng)是空的，所以在初始化時(shí)緩沖區(qū)E1、E2的空事件為信號狀態(tài)，而緩沖區(qū)E1、E2滿為非信號狀態(tài)，這時(shí)啟動編碼線程和發(fā)送線程。由于用2個(gè)發(fā)送緩沖進(jìn)行工作，所以在線程啟動之前必須有一個(gè)為當(dāng)前發(fā)送緩沖區(qū)和當(dāng)前編碼緩沖區(qū)，把E1初始化作為它們的初值。當(dāng)程序開始工作時(shí)，緩沖區(qū)空事件處于信號狀態(tài)，所以編碼線程進(jìn)行編碼工作，把壓縮數(shù)據(jù)流存入當(dāng)前緩沖區(qū)，而發(fā)送緩沖監(jiān)測不到緩沖區(qū)滿事件處于信號狀態(tài)，所以等待。當(dāng)前編碼緩沖區(qū)變滿時(shí)，編碼線程置該緩沖滿為信號狀態(tài)，置該緩沖空為非信號狀態(tài)，并交換當(dāng)前編碼緩沖區(qū)，同時(shí)，該線程進(jìn)入等待狀態(tài);此時(shí)處于等待狀態(tài)的發(fā)送線程監(jiān)聽到緩沖區(qū)滿事件處于信號狀態(tài)，便開始工作，發(fā)送當(dāng)前緩沖的數(shù)據(jù)到調(diào)制解調(diào)器或局域網(wǎng)直至完畢。 然后該線程置當(dāng)前發(fā)送緩沖空為信號狀態(tài)，而當(dāng)前緩沖滿為非信號狀態(tài)，并交換當(dāng)前發(fā)送緩沖區(qū)，這樣，等待緩沖區(qū)空的編碼線程又可以占據(jù)該緩沖區(qū)，如此反復(fù)直至編碼線程結(jié)束。

結(jié)語

　　實(shí)驗(yàn)表明，利用STR-30通信模塊設(shè)計(jì)的無線數(shù)據(jù)傳輸模塊，數(shù)據(jù)傳送及時(shí)、安全可靠、誤碼率很低，而且體積小、功耗低，距離遠(yuǎn)，可以方便地嵌入到數(shù)控機(jī)床監(jiān)測系統(tǒng)中，降低了監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)成本和開發(fā)周期，提高了設(shè)備應(yīng)用的靈活性。

　　本系統(tǒng)也存在一定的局限性，它的開發(fā)基于Windows操作平臺，尚不具備跨平臺的兼容性。如擴(kuò)展其應(yīng)用，還需進(jìn)一步的工作

對于STR-30可以提供多種借口，如RS232,RS485,TTL,USB等接口。