数控机床网络接口模块的设计与实现* ＊

常国权 冯慧玲

(安阳工学院计算机科学与信息工程学院，河南 安阳455000)

随着数控技术的飞速发展，各行业数控机床(简称CNC)使用的数量急剧增多，而传统的以单台数控机床独立运行的车间生产管理模式严重制约了数控设备的效能发挥［1］。随着计算机网络技术普及和数控技术的快速发展，迫切需要对作为基本加工单元的数控机床实现网络化管理，这样才能充分发挥数控设备的效能，提高数控机床的利用率，对于提高数控车间的加工水平和信息化管理具有十分重要的意义。

然而，一些仍在使用的老式数控机床并没有网络接口，这些老式数控机床一般都带有RS232 通信接口，尽管可以通过RS232 通信接口将CNC 与服务计算机实现联机，但RS232 不是一个总线通信标准，其通信传输距离小，抗干扰能力差，不便于实现网络化管理［2］。为此，采用宏晶科技公司生产的STC15L2K40S2 高速、低功耗单片机和微芯科技公司生产的ENC28J60 以太网控制器设计出了一款通用的数控机床网络接口模块，在该模块上实现了uIP 协议栈，可以实现RS232 串口到以太网接口的转换，配合PC 上位机服务器可以实现自动分配MAC 地址、IP 地址等参数设置信息。

1 系统硬件设计

1.1 系统电源设计

由于系统采用的 STC15L2K40S2 单片机和ENC28J60 芯片的工作电压都是3.3 V，而数控机床低压照明电源一般是24 V，因此，需要把数控机床提供的低压电压进一步降压到3.3 V 才能提供给模块使用。考虑到从24 V 到3.3 V 的电压差较大，系统电源设计没有采用一般的线性稳压器，而采用了效率更高、功能更强的DC -DC 转换器LM2576 -3.3。LM2576系列是美国国家半导体公司生产的3 A 电流输出降压开关型集成稳压电路，内含固定频率振荡器和基准稳压器，并具有完善的保护电路，包括电流限制及热关断电路等，利用该器件只需极少的外围器件便可构成高效稳压电路［3］。自恢复保险丝F1 和稳压二极管D3构成电压保护电路，当因其他原因致使输出电压超过3.5 V 时，D3 导通，从而使F1 自动保护。系统电源设计原理图如图1 所示。

1.2 主控芯片选择

从成本和性能综合考虑，主控芯片选用的是宏晶科技公司生产的28 引脚SOP28 封装的STC15L2K40S2 单片机，它是单机器周期(1 T)的单片机，具有高速、高可靠、超低功耗、超级抗干扰等优点，指令代码完全兼容传统8051［4］。内部集成高可靠复位电路，可用在高速通信、智能控制、强干扰等场合［5］。该单片机内部具有2 K 的RAM、40 K 的Flash 以及21 K 的EEPROM。利用该单片机内部的EEPROM 足够存储系统参数信息，如机床的产品信息、MAC 地址、IP 地址等，而无需再外扩存储器。它的工作电压是3.3 V，方便和ENC28J60 接口，同时也支持串口ISP 下载调试功能，具有使用方便、设计成本低等优点。RS232 转换芯片采用的是MAX3232，MAX3232 工作电压是3.3 V，可以和单片机直接接口。系统主控电路设计原理图如图2 所示。

1.3 ENC28J60 电路接口设计

系统的网络接口芯片采用的是美国微芯科技公司(Microchip Technology Inc)推出的兼容IEEE 802.3 协议规范的一款以太网控制器芯片ENC28J60，它是专门针对嵌入式应用以太网解决方案而设计的［6］。ENC28J60 是28 引脚独立以太网控制器，带有行业标准的高速SPI 接口，并集成了介质访问控制器(MAC)和10 BASE-T 物理层(PHY)，支持全双工和半双工模式［7］。ENC28J60 没有集成硬件的网络协议栈，需要移植专门的嵌入式TCP/IP 协议栈才能工作。ENC28J60 和STC15L2K40S2 单片机工作电压一致，可以直接接口。出于灵活性设计考虑，并且所用单片机的速度足够快，因此单片机驱动ENC28J60 采用的是模拟SPI 总线方式，只需选用单片机通用IO 口和ENC28J60 连接即可。但若使用中断，则需要把ENC28J60 的INT 和WOL 引脚连接到单片机有中断功能的引脚。网络接口采用的是把变压器和RJ -45 接头集成到一起的HR911105A，HR911105A 符合IEEE 802.3 标准，采用金属外壳封装，抑制EMI 性能较好，而且可以减少电路板空间和简化PCB 板布局，使信号传输更加稳定可靠［8］。ENC28J60 电路接口设计原理图如图3 所示。

2 系统软件设计

系统的软件设计主要是在ENC28J60 上移植了一个uIP 协议栈，并在协议栈的支持下实现数控机床串口数据和网络数据相互转换。uIP 协议栈是由瑞典计算机科学学院网络嵌入式系统小组的Adam Dunkels开发，是一个适用于8/16 位单片机的小型嵌入式TCP/IP 协议栈。uIP 协议栈去掉了完整的TCP/IP 中不常用的功能，简化了通讯流程，但保留了网络通信必须使用的协议，设计重点放在了IP、TCP、ICMP、UDP、ARP 这些网络层和传输层协议上，保证了其代码的通用性和结构的稳定性。

uIP 相当于一个代码库，通过一系列的函数实现与底层硬件和高层应用程序的通讯，对于整个系统来说其内部的协议组是透明的，从而增加了协议的通用性。uIP 协议栈与系统底层和高层应用之间的关系如图4 所示。

uIP 协议栈提供一系列接口函数供用户程序调用。用户需要将应用层入口程序作为接口提供给uIP协议栈，并将这个函数定义为宏uip_appcall()。这样，uIP 在接收到底层传来的数据包后，在需要送到上层应用程序处理的地方，调用uip_appcall()在不用修改协议栈的情况下可以适配不同的应用程序［9］。

uIP 协议栈支持C/S 和B/S 模式，这里采用的C/S模式，即网络模块作为客户端，PC 机服务器上的上位机软件作为服务器。当数控机床给网络模块上电时，单片机对ENC28J60 做一些初始化操作，包括ENC28J60 复位、设置其工作模式等。为了增加网络模块的使用灵活性以及方便对数控机床进行有效的管理，PC 机服务器上位机软件采用动态地分配模块的MAC 地址、IP 地址等信息(当然，也可以指定固定的地址)，这些信息被分块保存在单片机的EEPROM 中，网络模块作为客户端，每次上电都要从EEPROM 中读取这些信息，以便正确地连接到服务器。如果单片机读取EEPROM 中的数据全部是0xFF，则单片机控制ENC28J60 以1 个随机的MAC 地址和1 个双方约定的IP 地址去连接服务器，而服务器则用1 个线程在1 个固定端口监听客户端的连接，当双方建立好网络连接之后，服务器通过查询数据库给该客户端分配另外1个固定的MAC 地址和IP 地址，并建立起1 个专用的线程等待客户端的下一次连接。客户端收到新的参数信息后，写入到单片机的EEPROM 中，并用新的地址再次去连接服务器，这样每当1 个新的客户端出现在网络中时，它会自动连接到服务器，并被分配合适的MAC 地址和IP 地址等参数信息，这就提高了系统的方便性和灵活性。

由于各个厂家、各个型号机床的通讯方式和通讯协议不一定完全相同，因此，当该网络模块作为客户端连接到服务器以后，还可以接收服务器发送的其他一些设置指令，如数控机床型号，设置串口通信的波特率、停止位、奇偶校验位参数等等。所有这些不同的通讯细节，都在网络模块的应用层进行屏蔽，这样就可以给用户提供完全一致的人机操作界面，使数控机床更容易实现网络化管理以及车间管理信息系统集成。PC 机网络测试软件是使用VC + +6.0 编写的。系统数据处理流程图如图5 所示。系统连接服务器测试效果图如图6 所示。

3 结语

该数控机床网络接口模块利用数控机床的RS232串口扩展到以太网网络，这样就可以把没有网络接口的老式数控机床接入以太网，并可通过参数设置来屏蔽数控机床具体通讯细节的差异，为实现对老式数控机床进行网络化管理提供了支持，也为提高车间的数字化管理能力提供了保障。该网络模块操作简单、使用灵活、成本低廉，在安阳鑫盛机床股份有限公司车间使用以后获得了较好的效果。

［1］尚德波.基于网络的数控车间DNC 信息管理系统研究与开发［D］.青岛:青岛理工大学，2006.

［2］马殷元，雷斌，蔡慧林. 基于CAN 的无网络接口数控机床代码服务系统［J］.测控技术，2013，32(9):104 -106.

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

［4］丁向荣.增强型8051 单片机原理与系统开发［M］.C51 版.北京:清华大学出版社，2013.

［5］宏晶科技公司. STC15L2K40S2 系列单片机器件手册［P］. 2013-09.

［6］刘宗铭，卓振泰，何明华.基于ENC28J60 的以太网接口的设计与实现［J］.电子器件，2013，36(6):919 -922.

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

［8］汉仁电子有限公司. 带磁模块和LED 的单端口RJ45 连接器HR911105A 手册［P］.2008.

［9］潘宁.基于AVR 高速单片机的以太网络终端设计［D］. 北京:华北电力大学，2013.

［10］孙鑫等.VC+ +深入详解［M］.北京:电子工业出版社，2012.