采用无线通信技术的新型开放式数控系统

2.新型数控中无线通信技术
　　　　 
　　2.1 802.11通信机制
　　　　 
　　目前常用的掌上电脑的无线联网方式有GPRS， IEEE802.11（Wi-Fi），蓝牙技术、家庭网络HOMERF 等。这些方式各有优劣。IEEE802.11 是1999 年最新版本的无线局域网（WLAN）标准。与蓝牙协议和家庭网络的HOME RF 标准相比IEEE802.11 协议具有传输距离远，传输速度快等优点，是无线通信技术发展的主流。和其他IEEE802.x 标准一样，802.11 标准着重定义了物理层（PHY）和介质访问控制（MAC）子层。IEEE802.11 的MAC 层提供对无线共享介质的访问控制。除此之外，还提供支持无线传输和站点移动所必须的网络连接、认证、保密和电源管理等功能。近年来，802.11标准又扩展出802.11b、802.11a、802.11g等系列，这些扩展标准采用的是不同的物理层标准，使通信速率提高到11Mbit/s、22 Mbit/s至54 Mbit/s，但它们对MAC层协议没有重大改变。
　　　　 
　　2.2 新型数控中无线通信的具体实现方案
　　　　 
　　在新型数控体系结构中，数控P D A 是通过IEEE802.11x 通信协议与车间服务器及机床控制器通信。根据机床控制系统的不同配置，其无线通信的实现方案也不同。主要有以下几种：
　　　　 
　　（1） 数控PDA的无线模块和单片机数控系统相连的无线通信接口电路;
　　（2） 数控PDA的无线模块通过与传统数控系统的RS232/802.11转换器相连接;
　　（3） 通过数控PDA的无线模块与嵌入式机床控制器的802.11x无线网卡通信。
　　　　 
　　在单片机数控系统中，通过一种基于单片机无线通讯接口电路来实现数控PDA 与单片机的无线通信。这种单片机无线通讯接口电路是由Micrel公司推出的单片发射器芯片（MICRF102）和单片接受器芯片（MICRF007）组成。工作在国际通用ISM 频段300～400MHZ，具有ASK 调制和解调能力，抗干扰能力强，非常适合于工业控制领域。同时它又具备频率稳定性好，接受灵敏度高，功耗底等优点。可以方便数控PDA 与单片机之间的串行数据无线通信。其接口电路工作原理如图4 所示。

对于传统数控机床来说，通常这些设备所提供的通信接口是普通的RS-232串行接口。如何使这些设备与数控PDA 通信呢?一个经济、快速的解决方案是，在传统数控系统的串行接口上外接一个RS-232/802.11转换器，将数控设备的串口RS-232信号与无线通信信号相互转换，使之符合IEEE 802.11x通信协议。它使数控设备与无线局域网联网，有效地扩展了数控设备的联网通信能力，并且最终使固定的数控设备可以与自由移控动的数控PDA实现无线通信。

总而言之一种基于IEEE 802.11协议下的无线串口是网络环境下的数字化制造的重要趋势。其无线通信结构见图5所示。二者间无线通信的实现，实际上可以看作是用无线模块替代有线串口连接，亦既将两个无线模块组成的无线信道看成是一个两端口的设备。对两设备而言，串口通信时有线连接与无线连接的端子对应关系是一样的。用无线信道替代有线连接的通信程序编制也基本相同。但需要注意以下几点：

（1） 在有线连接的通信程序中串口帧格式、串口速率可任意设置。连接线本身对上述两个参数无限制。而在无线模块中这两个参数为一固定值，因此这两个参数要与无线模块的设置一致。
　　　　 
　　（2） 有线连接时，发端发出数据的时刻与收端收到数据的时刻无时间间隔。而无线模块在发送数据时要进行收发转换及时钟同步，所以在无线通信时主设备发出数据的时刻与从设备收到数据的时刻有时间间隔。
　　　　 
　　（3） 有线连接时串口通信是全双工的。无线模块的通信是双向半双工的。因此在通信编程时应进行控制将收发的时间错开。
　　　　 
　　对于当代的开放式数控系统来说，可以在通用的操作系统支持下实现标准的和功能强大的无线通信。目前国内外的开放式数控系统所采用的操作系统，一种是基于DOS，另一种是基于Windows98/NT。DOS 是运行于16 位实模式下的单任务操作系统，实时性好，但受16位实模式的限制，难以实现高效可靠的网络尤其是无线网络通信的要求;Windows98/NT 功能强大，但体系结构庞大，实时性差，不能满足数控要求。Windows CE.NET 是微软推出的新一代嵌入式操作系统，具有较强的实时性，兼备DOS 和Windows 的优点，"小而精"，是完全开放的模块化体系结构，支持蓝牙和802.11x无线通信协议以及友好的图形界面。考虑到Microsoft公司的产品有更多技术支持和可利用的资源，结合我们几年的研究基础和应用经验，因此我们选其作为新型数控系统的嵌入式机床控制器的操作系统平台。硬件采用104总线的工业控制主板加802.11x无线网卡，实现与数控PDA 无线模块的无线通信。
　　　　 
　　2.3 STR-6无线数据传输模块介绍
　　　　 
　　我们选用上海桑博科技有限公司生产的STR-6无线收发模块作为实现数控PDA 与传统数控机床的RS-232串口的无线通信。它具有微功率发射、高抗扰能力和低误码率、传输距离远、多信道、大缓冲区等优点。它提供标准的RS- 232，RS-485 和UART/TTL 电平3 种接口方式，可直接与计算机、用户的RS-485 设备、单片机或其他UART 器件连接使用。利用两台连有STR-6无线收发模块的计算机可以在相距500 米距离以内实现无线传输功能。无线模块的工作原理图如图6 所示。

STR -6无线收发模块通信实现方法：无线模块A在发送数据之前首先发送握手信号给对方无线模块B，无线模块B 收到握手信号后反馈一个应答信号。若无线模块A收不到正确的反馈应答信号，表明双方没有正常建立无线通信连接，无线模块A 则继续发送握手信号直到收到反馈信号为止。无线模块A 收到反馈信号后开始发送数据。无线模块B 根据所接受的信息，将数据存储在用户所指定的路径下，完成整个无线通信过程。