數(shù)控機(jī)床網(wǎng)絡(luò)接口模塊的設(shè)計與實現(xiàn)* ＊

常國權(quán) 馮慧玲

(安陽工學(xué)院計算機(jī)科學(xué)與信息工程學(xué)院，河南 安陽455000)

隨著數(shù)控技術(shù)的飛速發(fā)展，各行業(yè)數(shù)控機(jī)床(簡稱CNC)使用的數(shù)量急劇增多，而傳統(tǒng)的以單臺數(shù)控機(jī)床獨立運行的車間生產(chǎn)管理模式嚴(yán)重制約了數(shù)控設(shè)備的效能發(fā)揮［1］。隨著計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)普及和數(shù)控技術(shù)的快速發(fā)展，迫切需要對作為基本加工單元的數(shù)控機(jī)床實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化管理，這樣才能充分發(fā)揮數(shù)控設(shè)備的效能，提高數(shù)控機(jī)床的利用率，對于提高數(shù)控車間的加工水平和信息化管理具有十分重要的意義。

然而，一些仍在使用的老式數(shù)控機(jī)床并沒有網(wǎng)絡(luò)接口，這些老式數(shù)控機(jī)床一般都帶有RS232 通信接口，盡管可以通過RS232 通信接口將CNC 與服務(wù)計算機(jī)實現(xiàn)聯(lián)機(jī)，但RS232 不是一個總線通信標(biāo)準(zhǔn)，其通信傳輸距離小，抗干擾能力差，不便于實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化管理［2］。為此，采用宏晶科技公司生產(chǎn)的STC15L2K40S2 高速、低功耗單片機(jī)和微芯科技公司生產(chǎn)的ENC28J60 以太網(wǎng)控制器設(shè)計出了一款通用的數(shù)控機(jī)床網(wǎng)絡(luò)接口模塊，在該模塊上實現(xiàn)了uIP 協(xié)議棧，可以實現(xiàn)RS232 串口到以太網(wǎng)接口的轉(zhuǎn)換，配合PC 上位機(jī)服務(wù)器可以實現(xiàn)自動分配MAC 地址、IP 地址等參數(shù)設(shè)置信息。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.1 系統(tǒng)電源設(shè)計

由于系統(tǒng)采用的 STC15L2K40S2 單片機(jī)和ENC28J60 芯片的工作電壓都是3.3 V，而數(shù)控機(jī)床低壓照明電源一般是24 V，因此，需要把數(shù)控機(jī)床提供的低壓電壓進(jìn)一步降壓到3.3 V 才能提供給模塊使用。考慮到從24 V 到3.3 V 的電壓差較大，系統(tǒng)電源設(shè)計沒有采用一般的線性穩(wěn)壓器，而采用了效率更高、功能更強(qiáng)的DC -DC 轉(zhuǎn)換器LM2576 -3.3。LM2576系列是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的3 A 電流輸出降壓開關(guān)型集成穩(wěn)壓電路，內(nèi)含固定頻率振蕩器和基準(zhǔn)穩(wěn)壓器，并具有完善的保護(hù)電路，包括電流限制及熱關(guān)斷電路等，利用該器件只需極少的外圍器件便可構(gòu)成高效穩(wěn)壓電路［3］。自恢復(fù)保險絲F1 和穩(wěn)壓二極管D3構(gòu)成電壓保護(hù)電路，當(dāng)因其他原因致使輸出電壓超過3.5 V 時，D3 導(dǎo)通，從而使F1 自動保護(hù)。系統(tǒng)電源設(shè)計原理圖如圖1 所示。

1.2 主控芯片選擇

從成本和性能綜合考慮，主控芯片選用的是宏晶科技公司生產(chǎn)的28 引腳SOP28 封裝的STC15L2K40S2 單片機(jī)，它是單機(jī)器周期(1 T)的單片機(jī)，具有高速、高可靠、超低功耗、超級抗干擾等優(yōu)點，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051［4］。內(nèi)部集成高可靠復(fù)位電路，可用在高速通信、智能控制、強(qiáng)干擾等場合［5］。該單片機(jī)內(nèi)部具有2 K 的RAM、40 K 的Flash 以及21 K 的EEPROM。利用該單片機(jī)內(nèi)部的EEPROM 足夠存儲系統(tǒng)參數(shù)信息，如機(jī)床的產(chǎn)品信息、MAC 地址、IP 地址等，而無需再外擴(kuò)存儲器。它的工作電壓是3.3 V，方便和ENC28J60 接口，同時也支持串口ISP 下載調(diào)試功能，具有使用方便、設(shè)計成本低等優(yōu)點。RS232 轉(zhuǎn)換芯片采用的是MAX3232，MAX3232 工作電壓是3.3 V，可以和單片機(jī)直接接口。系統(tǒng)主控電路設(shè)計原理圖如圖2 所示。

1.3 ENC28J60 電路接口設(shè)計

系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)接口芯片采用的是美國微芯科技公司(Microchip Technology Inc)推出的兼容IEEE 802.3 協(xié)議規(guī)范的一款以太網(wǎng)控制器芯片ENC28J60，它是專門針對嵌入式應(yīng)用以太網(wǎng)解決方案而設(shè)計的［6］。ENC28J60 是28 引腳獨立以太網(wǎng)控制器，帶有行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的高速SPI 接口，并集成了介質(zhì)訪問控制器(MAC)和10 BASE-T 物理層(PHY)，支持全雙工和半雙工模式［7］。ENC28J60 沒有集成硬件的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，需要移植專門的嵌入式TCP/IP 協(xié)議棧才能工作。ENC28J60 和STC15L2K40S2 單片機(jī)工作電壓一致，可以直接接口。出于靈活性設(shè)計考慮，并且所用單片機(jī)的速度足夠快，因此單片機(jī)驅(qū)動ENC28J60 采用的是模擬SPI 總線方式，只需選用單片機(jī)通用IO 口和ENC28J60 連接即可。但若使用中斷，則需要把ENC28J60 的INT 和WOL 引腳連接到單片機(jī)有中斷功能的引腳。網(wǎng)絡(luò)接口采用的是把變壓器和RJ -45 接頭集成到一起的HR911105A，HR911105A 符合IEEE 802.3 標(biāo)準(zhǔn)，采用金屬外殼封裝，抑制EMI 性能較好，而且可以減少電路板空間和簡化PCB 板布局，使信號傳輸更加穩(wěn)定可靠［8］。ENC28J60 電路接口設(shè)計原理圖如圖3 所示。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要是在ENC28J60 上移植了一個uIP 協(xié)議棧，并在協(xié)議棧的支持下實現(xiàn)數(shù)控機(jī)床串口數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)相互轉(zhuǎn)換。uIP 協(xié)議棧是由瑞典計算機(jī)科學(xué)學(xué)院網(wǎng)絡(luò)嵌入式系統(tǒng)小組的Adam Dunkels開發(fā)，是一個適用于8/16 位單片機(jī)的小型嵌入式TCP/IP 協(xié)議棧。uIP 協(xié)議棧去掉了完整的TCP/IP 中不常用的功能，簡化了通訊流程，但保留了網(wǎng)絡(luò)通信必須使用的協(xié)議，設(shè)計重點放在了IP、TCP、ICMP、UDP、ARP 這些網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層協(xié)議上，保證了其代碼的通用性和結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

uIP 相當(dāng)于一個代碼庫，通過一系列的函數(shù)實現(xiàn)與底層硬件和高層應(yīng)用程序的通訊，對于整個系統(tǒng)來說其內(nèi)部的協(xié)議組是透明的，從而增加了協(xié)議的通用性。uIP 協(xié)議棧與系統(tǒng)底層和高層應(yīng)用之間的關(guān)系如圖4 所示。

uIP 協(xié)議棧提供一系列接口函數(shù)供用戶程序調(diào)用。用戶需要將應(yīng)用層入口程序作為接口提供給uIP協(xié)議棧，并將這個函數(shù)定義為宏uip_appcall()。這樣，uIP 在接收到底層傳來的數(shù)據(jù)包后，在需要送到上層應(yīng)用程序處理的地方，調(diào)用uip_appcall()在不用修改協(xié)議棧的情況下可以適配不同的應(yīng)用程序［9］。

uIP 協(xié)議棧支持C/S 和B/S 模式，這里采用的C/S模式，即網(wǎng)絡(luò)模塊作為客戶端，PC 機(jī)服務(wù)器上的上位機(jī)軟件作為服務(wù)器。當(dāng)數(shù)控機(jī)床給網(wǎng)絡(luò)模塊上電時，單片機(jī)對ENC28J60 做一些初始化操作，包括ENC28J60 復(fù)位、設(shè)置其工作模式等。為了增加網(wǎng)絡(luò)模塊的使用靈活性以及方便對數(shù)控機(jī)床進(jìn)行有效的管理，PC 機(jī)服務(wù)器上位機(jī)軟件采用動態(tài)地分配模塊的MAC 地址、IP 地址等信息(當(dāng)然，也可以指定固定的地址)，這些信息被分塊保存在單片機(jī)的EEPROM 中，網(wǎng)絡(luò)模塊作為客戶端，每次上電都要從EEPROM 中讀取這些信息，以便正確地連接到服務(wù)器。如果單片機(jī)讀取EEPROM 中的數(shù)據(jù)全部是0xFF，則單片機(jī)控制ENC28J60 以1 個隨機(jī)的MAC 地址和1 個雙方約定的IP 地址去連接服務(wù)器，而服務(wù)器則用1 個線程在1 個固定端口監(jiān)聽客戶端的連接，當(dāng)雙方建立好網(wǎng)絡(luò)連接之后，服務(wù)器通過查詢數(shù)據(jù)庫給該客戶端分配另外1個固定的MAC 地址和IP 地址，并建立起1 個專用的線程等待客戶端的下一次連接?？蛻舳耸盏叫碌膮?shù)信息后，寫入到單片機(jī)的EEPROM 中，并用新的地址再次去連接服務(wù)器，這樣每當(dāng)1 個新的客戶端出現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)中時，它會自動連接到服務(wù)器，并被分配合適的MAC 地址和IP 地址等參數(shù)信息，這就提高了系統(tǒng)的方便性和靈活性。

由于各個廠家、各個型號機(jī)床的通訊方式和通訊協(xié)議不一定完全相同，因此，當(dāng)該網(wǎng)絡(luò)模塊作為客戶端連接到服務(wù)器以后，還可以接收服務(wù)器發(fā)送的其他一些設(shè)置指令，如數(shù)控機(jī)床型號，設(shè)置串口通信的波特率、停止位、奇偶校驗位參數(shù)等等。所有這些不同的通訊細(xì)節(jié)，都在網(wǎng)絡(luò)模塊的應(yīng)用層進(jìn)行屏蔽，這樣就可以給用戶提供完全一致的人機(jī)操作界面，使數(shù)控機(jī)床更容易實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化管理以及車間管理信息系統(tǒng)集成。PC 機(jī)網(wǎng)絡(luò)測試軟件是使用VC + +6.0 編寫的。系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理流程圖如圖5 所示。系統(tǒng)連接服務(wù)器測試效果圖如圖6 所示。

3 結(jié)語

該數(shù)控機(jī)床網(wǎng)絡(luò)接口模塊利用數(shù)控機(jī)床的RS232串口擴(kuò)展到以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，這樣就可以把沒有網(wǎng)絡(luò)接口的老式數(shù)控機(jī)床接入以太網(wǎng)，并可通過參數(shù)設(shè)置來屏蔽數(shù)控機(jī)床具體通訊細(xì)節(jié)的差異，為實現(xiàn)對老式數(shù)控機(jī)床進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化管理提供了支持，也為提高車間的數(shù)字化管理能力提供了保障。該網(wǎng)絡(luò)模塊操作簡單、使用靈活、成本低廉，在安陽鑫盛機(jī)床股份有限公司車間使用以后獲得了較好的效果。

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