基于WinCE7和WiFi的数控转塔冲床数控系统无线通信的实现

吝伟伟，钟佩思，李翠赟，吕晓东，葛旋

(山东科技大学先进制造技术研究中心，山东青岛266590)

数控技术是现代制造业的核心技术，数控系统则是制造系统的重要装备，数控系统的发展研究工作受到许多大型制造企业以及国家的重视和研发支持。数控技术经历了分立元件系统、专用计算机系统和通用计算机系统等阶段，发展到当前以工控微机(IPC)为控制核心的数控时代。目前基于PC 的开放式数控系统已经发展到相当高的水平，但是这种系统有着先天的不足。由于PC 机最初是针对文件管理和数据处理而设计的，CPU 适合于复杂指令集，具有很强的数值计算、逻辑处理和控制功能，但结构复杂、成本高、硬件冗余且无法裁剪、功耗大且可靠性低。此外，更为重要的是PC 的硬件不是针对实时控制设计的，往往需要进行硬件扩展以满足实时控制的要求，而且PC 的操作系统也不是针对实时控制而设计的［1］。WinCE7 是微软公司为嵌入式产品设计的一个高效、可升级的多线程、多进程、抢先多任务实时操作系统［2］。它能够满足数控系统对可靠性、实时性、柔性模块化及联网的要求并拥有强大的开发工具，大大缩短了开发数控系统的时间。

目前数控系统比较常用的通信方式为RS232 端口通信。使用RS232 端口进行通信有两种方式:“一对一” (一台机床配一台计算机进行交互传输)和“多对一”(多台机床配一台计算机进行自动传输)。“一对一”方式由于在计算机采购和后期维护方面的费用很高而难以使用，并且导致计算机资源的浪费。使用“多对一”的网络通信时，可以借助于局域网，将其传输距离明显延长，但存在机床生产环境复杂、布线繁琐、出现故障很难检修等问题［3］。因此提出基于WiFi 的数控转塔冲床无线通信解决方案。

1 嵌入式数控转塔冲床数控系统

1.1 嵌入式数控转塔冲床数控系统架构

冲床数控系统的模块框图如图1 所示。

图1 冲床数控系统的模块框图

该嵌入式数控系统主要由5 大模块构成:人机交互装置、嵌入式数控操作和管理模块、嵌入式运动控制模块和I/O 及伺服控制器等，其中WiFi 无线通信包含在嵌入式数控操作和管理模块。

数控系统主要模块功能介绍。人机交互装置包括手动输入键盘、LCD 显示器和诸多其他功能按钮，负责完成诸如NC 代码的录入及编辑显示工作、手动操作以及一些机床状态信息显示等;嵌入式数控操作和管理模块是冲床数控系统的核心模块之一，系统的所有人机交互都由该模块处理，包括各种机床参数的选择与设置，NC 代码的编辑、编译、存储和传输，系统监控与故障诊断，移动U 盘的控制及网络通信等;嵌入式数控运动控制模块是机床逻辑运动控制的核心，利用逻辑运算能力，负责送料机运行轨迹的计算、插补、反向间隙补偿、信号采集、主轴及开关量控制等实时性强的运算和控制［1］;I/O 模块的主要任务是高低电平之间的相互转换、隔离保护及功率放大等，包括3 ～5 V 转换、3 ～24 V 的转换，采用光电耦合器隔离防止工作现场复杂电磁干扰以及增大驱动功率等，另外还包括单路信号与差分信号的相互转化;伺服控制器用来处理来自控制装置的指令信号并完成对伺服电机的控制，实现被控对象跟随控制装置指令脉冲运动，确保动作的快速和准确。

1.2 系统硬件平台的选择

硬件平台选择广州天嵌计算机科技有限公司的TQ210 开发板。TQ210 开发板采用Samsng CortexA8 S5PV210 芯片，CPU 采用45 nm 工艺制成，运行最大频率可达1 GHz，处理器内部有32 kB 的指令高速缓存(I Cache)、32 kB 的数字高速缓存(D Cache)和512 kB 的二级缓存(L2 Cache)，完全能够满足嵌入式数控转塔冲床数控系统对高实时性的要求;S5PV210 芯片的外围部分包含实时时钟芯片RTC、4个PLL、5 个通道的PWM、1 个看门狗时钟、24 通道的DMA、8 ×14 的小型键盘和10 通道12 位触摸屏专用的ADC 转换，其中PWM 脉冲宽度调制即利用CORTEXA8 的数字输出，来对模拟电路进行控制［4］。该技术可实现数控转塔冲床数控系统对步进电动机和伺服电机的调速;数控系统还可以根据编程设定的加工速度指令，调用IO 流接口函数，配合动态设置的PWM 常数，实现实时插补。该硬件平台不仅能够实现数控转塔冲床数控系对实时性要求很高的功能如伺服控制、插补等，而且能够满足数控系统向高速度高精度和网络化制造发展的需求。因此作者选择广州天嵌计算机科技有限公司的TQ210 开发板作为嵌入式数控系统开发的硬件平台。

1.3 系统软件平台的选型与搭建

目前应用较多的嵌入式系统主要有Linux 和WinCE 等。Linux 提供开放的源代码且不需支付费用，占据国内主要市场，但是也有诸多不足之处:开发难度较高，系统调试工具不够丰富，没有良好的用户图形界面，占用较大的内存空间等。

Windows Embedded Compact7 (通常简称为WinCE7 或Windows CE 7)是一种安全可靠的硬实时高性能嵌入式操作系统，它将最新的网络、多媒体和通信技术结合在一起封装在小设备中，具有抢占式多任务执行的特性和强大的通信能力。Windows Embedded Compact7 拥有Windows 7 的特点，支持虚拟内存机制、按需分配内存和内存映射文件，它专门为信息设备、移动计算、消费类电子产品和嵌入式应用等非PC 领域而设计，为不同的应用和设备提供强大的可定制功能。新一代的嵌入式操作系统平台Windows Embedded Compact7 完整地集成了Windows Embedded CE6.0 的诸多特性，更多的新特性可以帮助开发者更快地构建创新的消费类电子设备和工业控制设备。Windows Embedded Compact7 不仅支持X86 和MIPS，同时支持最新的ARMv7 架构和多核处理器并能在Visual Studio 2008 中无缝集成Platform Builder 2008，可以为开发者提供更高效的、流畅的开发体验［5］。因此，开发平台选用Windows Embedded CE 系列最新一代操作系统Windows Embedded Compact7 来进行软件系统的开发。

在Windows Embedded Compact7 开发环境搭建过程中，由于是采用微软官方提供的在线安装包，如果采用默认的方式安装可能需要的磁盘空间很大，大约50 GB，但具体到开发好多默认安装的功能是用不到的，因此为了节约PC 的磁盘空间和保证运行速率，安装过程应选择开发用到的功能，比如安装VS2008时由于开发用到的语言是VC + + 语言，其他如C#、JAVA 等就无需安装。还有就是搭建Platform Builder，应选择对应于硬件平台所需要的处理器，比如该设计选用的硬件平台是基于Cortex-A8 微处理器的平台，它遵从ARMv7 架构规范，安装时只选“ARMv7 Architecture”选项即可，其他用不到的处理器则不要选，以免安装时费时、费大量磁盘空间而对开发无用。经过自定义，安装完成后大约占用磁盘空间35 GB。下面是Windows Embedded Compact7 开发环境搭建步骤:

(1)Visual Studio 2008;

(2)Microsoft Expression Blend;

(3)Windows Embedded Compact 7;

(4)Microsoft Virtual PC。

完成上述步骤，Windows Embedded Compact 7 操作系统就安装完成了，下一步就完成定制好的操作系统的开发板移植工作。采用USB 线下载移植镜像，完成移植主要3 个步骤: (1)用原来的CE6 的EBOOT 来烧写CE7 的STEPLDR 和CE7 的EBOOT;(2)运行CE7 的EBOOT ，并输入“F”命令;(3)用CE7 的EBOOT 通过USB 下载烧写CE7 的NK。移植完成后启动开发板后界面见图2。

图2 开发板启动界面

2 数控转塔冲床无线通信的实现

2.1 数控转塔冲床无线通信模块的选型

目前实现无线网络，主要有蓝牙无线接入技术、家庭网络的HomeRF 技术、红外数据通信IrDA 以及IEEE802.11 连接技术等几种技术。蓝牙技术是由移动通信公司与移动计算机公司联合起来开发的传输范围约为10 m 的短距离无线通信技术标准，用来在便携式计算机、移动电话以及其他移动设备之间建立起一种小型、经济、短距离的无线链路。由于蓝牙无线网络面向的是短距离联网，所以将其应用在制造车间是不适合的。HomeRF 主要为家庭网络设计，是IEEE802.11 与DECT (Digital Enhance cordless Telephone，是根据泛欧地区共同通信协定标准生产的移动产品)的结合，旨在降低语音数据成本［6］。红外数据通信IrDA 是利用红外线进行点到点视距传输的技术，它是在1993年由红外线数据标准协会制订的。目前IrDA 的传送速率最高为16 Mb/s，接收角度120°。红外传输设备体积小、功耗低、技术成熟，进入市场早，价格便宜、应用广泛。但IrDA 的最大缺点是只能进行视距传输，即通信设备中间不能存在阻挡物，从而把IrDA 应用限制在特定领域之内［7］。WiFi 是一种基于IEEE802.11 协议的短程无线传输技术，具有无需布线、覆盖范围广以及有效距离长的特点，且传输速度快，其中IEEE802.11n 已达到600 Mb/s，能够满足大多用户的需求［8］。与蓝牙这种无线传输方式一样，都是经常使用的短距离无线传播技术，虽然在安全性方面，蓝牙技术更强一些，但是在网络覆盖范围方面，WiFi 更有优势，可以达到90 m左右。另外，WiFi 的传输速率也更快［9］。因此采用WiFi，无线模块选用海凌科电子新推出的HLKRM04 模组。

2.2 数控转塔冲床WiFi 无线通信实现

数控转塔冲床无线通信模块包括与上位机连接的WiFi 模块1 和与机床嵌入式控制器连接的WiFi 模块2，两个模块之间无线通信的实现是整个机床通信的关键环节。WiFi 无线网络传输包括上电初期的设备探测、信息查询、设备初始化和网络连接建立部分，以及通信过程中的数据包发送、接受和管理等。

WinCE7 下WiFi 初始化的实现主要有4 个步骤:

(1)查找系统中可用无线网络

实现程序如下:

(2)获取并解析无线网络信息

获取无线网卡及扫描无线AP 信息可由以下函数实现:

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

其中:pCard 为无线网卡标识号GUID;pIntf 为无线网卡配置信息结果体;pOutFlags 为网卡配置信息掩码标志。

(3)连接网络

实现无线网卡连接到需要的网络节点可调用以下函数:

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

(4)判断网络状态

当完成网络连接后，如要判断网络连接是否成功，可调用以下函数:

BOOL IsAssociated (const INTF_ENTRY_EX Intf，const DWORD dwOutFlags)

上位机与机床嵌入式控制器之间数据交互过程见图3。

图3 数据交互流程图

3 系统测试和实验结果

实验机床选择南京华讯机械制造有限公司HPI-3047 数控转塔冲床1 台，实验环境为生产车间工作环境。Wireshark 是一个网络数据包分析软件。网络数据包分析软件的功能是截取网络数据包，并尽可能显示出最为详细的网络数据包数据。利用Wireshark软件抓取上位机与机床数控系统嵌入式控制器之间通信的网络数据包，Wireshark 软件抓取的无线通信数据包见图4。

图4 无线通信数据包

实验结果表明:文中设计的嵌入式数控转塔冲床WiFi 无线通信，能够实现上位机与机床嵌入式控制器之间的数据交互，完全能够取代传统的线缆通信，降低了企业成本，提高了机床执行效率。

4 结束语

运用当今热门的嵌入式技术开发嵌入式数控系统，避免了基于PC 的数控系统结构复杂、成本高、硬件冗余且无法裁剪、功耗大且可靠性低的劣势。建立基于WinCE7 和CORTEXA8 的嵌入式数控系统，满足了数控机床对高实时性的要求。把WiFi 无线通信技术应用到数控机床通信系统中去，取代传统的线缆通信，免去了车间安装线缆和后期维护检修的工作。随着物联网技术、无线通信技术及信息处理技术的发展，相信数控机床通信能够实现无线化、高效化和制造的网络化，降低企业的成本，提高企业的经济效益。

［1］王燚．基于嵌入式技术的冲床数控系统研究与开发［D］．武汉:武汉理工大学，2009．

［2］张磊．基于WindowsCE 的开放式数控系统设计与实现［D］．武汉:华中科技大学，2011．

［3］乐英高，任小洪，徐卫东，等．基于ZigBee 的数控机床通信系统研究［J］．机床与液压，2012，40(9):81－83，87．

［4］熊积健，王琪．基于S5PV210 平板电脑的设计［J］．计算机与现代化，2012(5):189－191，194．

［5］尹成．Windows CE7 开发实战详解［M］．北京:人民邮电出版社，2012．

［6］王宏余．基于WLAN 的网络化DNC 系统研究［D］．镇江:江苏大学，2008．

［7］与非网．WiFi、蓝牙、HomeRF 和红外四种短距离无线通信简介［OL］．2012．http://www.eefocus.com/rf-microwave/316166．

［8］杨顺，李明明．基于ARM 和WiFi 技术的远程自动抄表系统设计［J］．计算机测量与控制，2013(11):3068－3071．

［9］李鹏．基于嵌入式系统无线条码采集终端的研究与设计［D］．西安:西安科技大学，2012．