1 引言随着计算机网络技术的普及和发展 ,网络的应用领域在不断拓宽 ,早期的监控系统采取现场维护控制方式 ,现在出现了以网络为基础的监控管理新框架 ,并正在向远程监控方式和In ternet平台过渡<1,2 > 。基于嵌入式Internet的数控机床远程监控技术是采用嵌入式Internet装置和网络远程监测技术对数控机床等生产设备的重要参数 ,如数控设备工作参数、开关状态、电机功率、轴承温度、设备振动量等进行连续监测 ,并通过远程监控主机对数控设备的被控参数进行远程控制和调整 ;同时还要能够完成数控机床和远程监控主机之间的网络通信功能 ,如NC程序的上传和下载 ,在线实时加工等。目前 ,在许多数控机床的高端产品中 ,数控系统本身内置有网络功能并已实现远程监控功能。对于大量使用的普通数控机床 ,自身不具有网络功能。对于这些数控机床 ,最好的解决办法是为数控机床附加一个完成网络通信功能的通信控制器。如图1所示 ,通信控制器采用嵌入式Internet技术实现 ,完成数控机床RS2 3 2接口、控制开关量、监测模拟量到Ethernet的信号转换 ,TCP/IP协议由通信控制器中的软件实现。2 体系结构通信控制器的体系结构如图 2所示。3 硬件结构设计通信控制器的硬件采用嵌入式Internet技术实现 ,由MCU和RTL80 19AS以太网控制芯片组成。MCU选择了AVR系列中的ATMEGA12 8L ,而没有使用其它的如C5 1系列MCU<3 > ,主要有以下原因<4> :(1)具有较高的速度 :ATMEGA12 8是一款基于AVRRISC结构的低功耗CMOS 8位单片机 ,通过在一个时钟周期内执行一条指令 ,ATMEGA12 8的速度为 0～ 8MHz ,可以取得 1MIPS/MHz的性能。而普通C5 1MCU在网络传输的数据较大时 ,MCU本身的运行速度不够高 ,对控制的实时性有一定影响。(2 )开发维护方便 :AVR单片机采用了可多次擦写的FLASH存贮器 ,绝大部分AVR单片机支持程序的在系统编程ISP ,MEGA系列还支持在应用编程IAP。(3 )具有丰富的接口 :AVR单片机有丰富的外设 ,如EEP ROM、RTC、WATCHDOG、AD转换器PWM、片内振荡器等 ,可以真正地做到单片。(4 )端口有较强的负载能力。AVRMEGA系列的I/O驱动能力达到了 40mA。通信控制器带有一个RS2 3 2接口、一个RJ45接口、2 2路开关量双向I/O控制、8路 10位A/D转换 ,硬件原理图如图 3所示。4 软件实现4.1 实时操作系统的实现实时操作系统主要用来完成对全部硬件资源的控制、调度和管理 ,并对上一级软件接口提供多任务运行环境。系统的实现参照了 μC/OSⅡ操作系统<5> ,主要的设计思想如下 :(1)引入线程的概念 ,一个任务对应一个线程 ;(2 )基于事件驱动 ,各个实时监控任务同时运行 ,如果有某个端口有信号或数据需要进行传输 ,将触发对应的事件 ,由相应的线程响应并处理 ;(3 )采用非抢先式内核 ,每个任务自我放弃CPU的所有权和所占用的内存及系统资源。4.2 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RTL80 19AS芯片自动完成的。系统的软件主要是完成对RTL80 19AS的控制及配合系统数据的发送和接收动作来对RTL80 19AS内部数据存储区进行读写。RTL80 19AS内部可划分为远程DMA (remoteDMA)信道和本地DMA (localDMA)信道两个部分<6> 。本地DMA完成RTL80 19AS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 (ATMEGA12 8L)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RTL80 19AS中的发送缓存内存 (RingBuffer) ,然后发出传送命令。RTL80 19AS在送出前一帧的数据后 ,继而完成此帧的发送。RTL80 19AS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。4.3 TCP/IP协议的实现由于TCP/IP协议所包含的种类较多 ,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。系统软件已实现了TCP/IP协议中的IP、ARP、ICMP、TCP、UDP、HTTP协议 ,还可根据需要扩充其他协议。在对数控机床远程监控的实际应用中 ,对RS2 3 2接口传输的NC程序等数据使用TCP进行通讯。而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。Web方式控制的好处是不需要专门的客户端软件,远程监控主机只要有IE浏览器即可完成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变化 ,在HTTP基础上采用了CGI(CommonGatewayIn terface)技术。通信控制器使用固定的IP地址 ,所以没采用ARP和ICMP协议。考虑到多数企业和单位都是内部组建成局域网后再接入Internet ,我们为通信控制器添加了网关功能。实际应用表明 ,通信控制器能够使用内部局域网的IP地址 ,完成网关跨越 ,与Internet上任意IP地址的主机进行通讯。5 结束语通信控制器软件系统的编译工具使用了免费的AVRGCCv3 .2开发系统 ,可由http :/ /www .avrfreaks .net/filednload .php ?url=/AVRGCC/Download/ 2 0 0 2 -0 6-2 5_FREAKS .exe进行下载。程序二进制代码的烧写使用了ATMEL公司的Ponyprog2 0 0 0和与STK2 0 0兼容的编程器。基于嵌入式Internet的数控机床通信控制器的研究@庄殿铮$沈阳工业大 学工程学院!辽宁辽阳111003嵌入式Internet;;数控机床;;远程控制;;数据 通信介绍了一种数控机床通信控制器的设计与实现方法,这种通信控制器用于生产中大量使用的普通数控机床。通信控制器由ATMEGA128L和RTL80 19AS构成,采用嵌入式Internet技术实现,可以完成数控机床RS2 3 2接口数据、开关量和模拟量信号到Internet的双向转换并能实现基于Web方式的数控机 床远程控制。<1>何岭松,王俊峰,杨叔子.基于因特网的设备故障远程协作诊断技术.中国机械工程,1999,10(3):336～338
<2>田兴仁,李彬.基于Internet的数控设备远程监测和故障诊断系统研究.计算机与现代化,2002,13(4):8～11
<3>葛永明,林继宝.嵌入式系统以太网接口的设计.电子技术应用,2002,(3):25～27
<4>ATMEL .ATmega128(L )PreliminarySummary.DATESHEET ,2003
<5>邵贝贝.μC/OSⅡ-源码公开的实时嵌入式操作系统.北京:中国电力出版社,2001
<6>蔡宁果,何晓琼.用8位单片机实现串口-以太网转换器.电子技术应用,2002,(2):14～16KS .exe进行下载。程序二进制代码的烧写使用了ATMEL公司的Ponyprog2 0 0 0和与STK2 0 0兼容的编程器。基于嵌入式Internet的数控机床通信控制器的研究@庄殿铮$沈阳工业大 学工程学院!辽宁辽阳111003嵌入式Internet;;数控机床;;远程控制;;数据 通信介绍了一种数控机床通信控制器的设计与实现方法,这种通信控制器用于生产中大量使用的普通数控机床。通信控制器由ATMEGA128L和RTL80 19AS构成,采用嵌入式Internet技术实现,可以完成数控机床RS2 3 2接口数据、开关量和模拟量信号到Internet的双向转换并能实现基于Web方式的数控机 床远程控制。<1>何岭松,王俊峰,杨叔子.基于因特网的设备故障远程协作诊断技术.中国机械工程,1999,10(3):336～338
<2>田兴仁,李彬.基于Internet的数控设备远程监测和故障诊断系统研究.计算机与现代化,2002,13(4):8～11
<3>葛永明,林继宝.嵌入式系统以太网接口的设计.电子技术应用,2002,(3):25～27
<4>ATMEL .ATmega128(L )PreliminarySummary.DATESHEET ,2003
<5>邵贝贝.μC/OSⅡ-源码公开的实时嵌入式操作系统.北京:中国电力出版社,2001
<6>蔡宁果,何晓琼.用8位单片机实现串口-以太网转换器.电子技术应用,2002,(2):14～16
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