焊接設(shè)備的TCP/IP協(xié)議通信系統(tǒng)

祖紅旭,　付　虹

(長春工業(yè)大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院， 吉林 長春　130012)

?

焊接設(shè)備的TCP/IP協(xié)議通信系統(tǒng)

祖紅旭,付虹*

(長春工業(yè)大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院， 吉林 長春130012)

摘要：以管焊機通信系統(tǒng)為例,研究了數(shù)字化焊接控制平臺各模塊之間的快速實時通信，并進行實驗調(diào)試。結(jié)果表明，模塊之間以及多CPU控制系統(tǒng)中實現(xiàn)實時通信是可行的。

關(guān)鍵詞：DSP控制; TCP/IP協(xié)議; 實時性

0引言

當(dāng)今社會計算機技術(shù)發(fā)展速度很快，以DSP、MCU應(yīng)用為特征的數(shù)字產(chǎn)品越來越多。數(shù)字化焊機也成為了數(shù)字信號處理技術(shù)和焊接工藝相結(jié)合的產(chǎn)物[1]。

數(shù)字化焊接控制系統(tǒng)的研發(fā)將成為人類制造業(yè)發(fā)展的新階段。數(shù)字化焊接控制系統(tǒng)包含很多功能，趨于復(fù)雜化，單一的CPU很難實現(xiàn)多個功能。功能模塊化成為必然。為了信息管理集中，控制分散，各個模塊之間友好通信十分必要。而各個模塊的通信協(xié)議各有不同，便需要通過協(xié)議轉(zhuǎn)換實現(xiàn)模塊之間的通信。

1系統(tǒng)概述

工業(yè)PC用于焊接參數(shù)設(shè)置、顯示與控制。PC機可以實現(xiàn)焊接控制，離線編程及過程監(jiān)控，PC控制的使用讓控制過程更為簡便，但是由于PC控制的缺點是底層控制響應(yīng)時間長，約10 ms左右，不能達到快速通信的要求。所以使用DSP作為主控制器，DSP主控節(jié)點集成了核心控制功能與輔助功能，包括逆變機芯控制、數(shù)據(jù)采集、旋轉(zhuǎn)控制、I/O 控制等核心功能，以及送絲控制、弧長控制、橫擺(擺幅、擺寬等)控制等輔助功能[2]。每個功能按照管焊通用要求設(shè)計成模塊，與PC之間實現(xiàn)通信。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1系統(tǒng)框圖

圖中主控制器與各個控制模塊通過SPI總線相連，實現(xiàn)底層控制。由于單個CPU的控制功能有限，當(dāng)需要特殊焊接工藝要求的功能如熱絲控制、等離子氣體質(zhì)量流量控制時,擴展功能模塊與主控制器實現(xiàn)通信即可，所以此系統(tǒng)還有很好的擴展性。

主控制板核心芯片采用TI公司的一款DSP，TMS320F2812DSP是TI公司一款用于控制的高性能、多功能、高性價比的32位定點DSP。它整合了DSP和微控制器的最好特征，而且集成了時間管理器、A/D轉(zhuǎn)換模塊、SCI通信接口、SPI外設(shè)接口、eCAN總線通信模塊、看門狗電路、通用數(shù)字I/O口、多通道緩沖串口(McBSP)、外部中斷接口等多種功能模塊[6]。

系統(tǒng)中主控制器包括DSP主控板和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議轉(zhuǎn)換器W5200，主控制板和其他CPU之間可通過DSP的外設(shè)串行SPI總線接口連接。SPI是一種高速的同步串行輸入/輸出接口，允許1～16位的數(shù)據(jù)流在設(shè)備與設(shè)備之間進行交換，通常用于DSP與外圍設(shè)備或者DSP與其他控制器之間進行通信。

2以太網(wǎng)通信的應(yīng)用

PC與網(wǎng)絡(luò)協(xié)議轉(zhuǎn)換器由一根網(wǎng)線連接，基于TCP/IP協(xié)議進行通信。DSP與網(wǎng)絡(luò)協(xié)議轉(zhuǎn)換器由SPI接口相連，實現(xiàn)串行通信，在此系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)協(xié)議轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)了串行通信協(xié)議與TCP/IP協(xié)議的轉(zhuǎn)換，因此PC與主控板實現(xiàn)通信。

SPI的總線系統(tǒng)可以直接與各個廠家生產(chǎn)的多標準外圍器件直接接口，SPI接口一般是四線制。SPI的通信原理簡單，它是主從方式進行工作的，這種模式的通信系統(tǒng)中通常有一個主設(shè)備和幾個從設(shè)備，其中，CS信號用來控制從機的芯片是否被選中[3]。從機只有通過CS信號被選中之后，對此從機的操作才會有效，可見片選信號的存在，使在同一總線上連接多個SPI設(shè)備成為可能。

由于操作系統(tǒng)的以太網(wǎng)功能具有完整性，所有與操作系統(tǒng)兼容的協(xié)議都可以在同一個物理網(wǎng)絡(luò)下并行工作。這些協(xié)議不僅包括一些諸如 TCP/IP、HTTP、FTP、SOAP 等標準 IT 協(xié)議，還包括所有諸如 ModbusTCP、ProfiNet 或 EthernetIP 等工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議[4]。TCP/IP協(xié)議是工業(yè)控制器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中的一種，通過該協(xié)議的規(guī)范，各個控制器以及PC機等之間都可以進行通訊和集中監(jiān)控。

3通信實驗

3.1實驗原理

在多CPU多任務(wù)的通信系統(tǒng)中，通信的實時性成為了正常工作的關(guān)鍵。在本系統(tǒng)中，提供100組存儲空間用來保存各種不同的焊接工藝參數(shù)，這些焊接參數(shù)有電流、電壓、送絲速度和旋轉(zhuǎn)速度以及橫擺控制、弧長控制等。焊接過程中，這些焊接參數(shù)都要被發(fā)送到上位機，進行實時顯示，同時上位機操作處理數(shù)據(jù)。這樣在數(shù)據(jù)傳輸時，通信雙方的時序匹配是數(shù)據(jù)能否正常收發(fā)的問題所在。W5200是一款硬件TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議轉(zhuǎn)換器，單片機通過SPI接口可以簡單地實現(xiàn)Internet網(wǎng)絡(luò)連接。

使用W5200，用戶通過簡單的端口編程可以實現(xiàn)想要的以太網(wǎng)通信應(yīng)用，而不需要處理復(fù)雜的以太網(wǎng)控制。W5200提供SPI接口與外部MCU連接，內(nèi)部有32 K的存儲器用于通信數(shù)據(jù)的存儲。支持8個獨立的端口(SOCKET)同時工作；支持高速SPI接口 (SPI MODE 0, 3)；支持32 K存儲器用于Tx/Rx存儲；支持10BaseT/100BaseTX以太網(wǎng)物理層(PHY)；支持自動握手(全雙工/半雙工，10/100 M)等功能。其功能框圖如2所示。

TCP是一種面向連接的通信協(xié)議。TCP使用本機IP地址、端口號和目的IP地址、目的端口號等建立端口連接。使用該端口發(fā)送和接收數(shù)據(jù)[5]。

建立端口連接的方法有“TCP服務(wù)器”被動打開連接和“TCP客戶端”主動打開連接兩種，“TCP服務(wù)器”偵聽來自“TCP客戶端”的連接請求，服務(wù)器接收連接請求并建立端口連接。在一個TCP連接中，僅有兩方進行彼此通信。TCP服務(wù)器和TCP客戶端如圖3所示。

通過配置SOCKET n在TCP模式下為TCP服務(wù)器和TCP客戶端發(fā)送TCP數(shù)據(jù)包，接收數(shù)據(jù)包，從而建立連接，完成通信。

圖2　W5200功能框圖

3.2實驗程序分析

實驗對DSP編寫主程序，在對系統(tǒng)編寫初始化程序后，設(shè)置系統(tǒng)定時器初始化程序，在協(xié)議中分配端口數(shù)據(jù)，調(diào)用W5200子程序，其中一段實驗程序如下：

AllCsUp();//所有總線上面的片選信號拉高

W5200_Reset=1;

DELAY_US(1000);

W5200_Reset=0;

DELAY_US(1000);

W5200_Reset=1;// w5200的CS引腳每次發(fā)送之前置低，發(fā)送結(jié)束之后置高。接收之前置低，接收結(jié)束之后置高。CS引腳低有效。

W5200_CS=1;// W5200的CS引腳為高。

IniProgParam();

DELAY_US(1000); //這兩個時間延時不可以去掉W5200硬件復(fù)位后需要100個毫秒的時間需要等待寄存器初始化結(jié)束

Load_Parameters();//強制配置裝載，配置寄存器的參數(shù)

W5200_Config();

eMBTCPInit();

eMBEnable();

Socket_Listen();

配置W5200的網(wǎng)關(guān)、子網(wǎng)掩碼、本地IP地址、本地PORT號、遠程IP、遠程PORT號、W5200的物理地址。

圖3　TCP服務(wù)器和TCP客戶端

將狀態(tài)寄存器W5200的Socket0的Sn_SR寄存器配置為Listen，該命令只有在TCP模式下有效，在這種模式下，Socket n配置為TCP服務(wù)器，等待其他TCP客戶端的連接請求，Sn_SR寄存器從SOCK_INIT狀態(tài)改變?yōu)镾OCK_LISTEN狀態(tài)，當(dāng)客戶端的連接請求成功建立，Sn_SR寄存器的狀態(tài)將從SOCK_LISTEN變?yōu)镾OCK_ESTABLSHED且Sn_SR(0)的值置“1”。如果連接失敗，Sn_SR(3)置“1”且Sn_SR變?yōu)镾OCK_CLOSED。

其中DELAY_US(1000)這兩個時間延時不可以去掉，W5200硬件復(fù)位后需要100 ms的時間等待寄存器初始化結(jié)束。

通過SPI對W5200的操作由3個部分組成：

1)需要操作的寄存器的地址。

2)操作命令+操作的數(shù)據(jù)長度:讀操作為0，寫操作為1，由操作碼+15位的數(shù)據(jù)位組成。即數(shù)據(jù)最大值為7fff=32 767。

3)操作的數(shù)據(jù)。

配置SOCKET0的端口號，服務(wù)器的IP地址和端口號，SOCKET0的中斷使能寄存器，以及發(fā)送數(shù)據(jù)的最大分片尺寸。將自身端口的端口號從RAM中讀取并寫入到W5200中的Sn_PORT0中。將服務(wù)器端的端口號從外部RAM中讀取寫入到W5200中的Sn_PORT0寄存器。程序如下:

void Socket_Config(SOCKET s) //配置SOCKET0的端口號，服務(wù)器的IP地址和端口號，SOCKET0的中斷使能寄存器，以及發(fā)送數(shù)據(jù)的最大分片尺寸

{

Para *param=(Para *)Parameters;

Write_W5200(Sn_PORT0(s),param->S0_SPORT,2); //將自身的端口的端口號從RAM中讀取并寫入到W5200中的Sn_PORT0中

Write_W5200(Sn_DPORT0(s),param->S0_DPORT,2);//將服務(wù)器端的端口號從外部Ram中讀取寫入到W5200中的Sn_PORT0寄存器

Write_W5200(Sn_DIPR0(s),param->S0_DIP,4);//寫入服務(wù)器端的IP地址

Write_Byte_W5200(Sn_IMR(s),0x1f); //使能SOCKET0的中斷允許寄存器

Write_Byte_W5200(Sn_MSSR0(s),1460/256); //設(shè)置SOCKET0的最大分片尺寸為1460，當(dāng)發(fā)送的數(shù)據(jù)長度大于1460時將會被劃分為1460的整數(shù)倍發(fā)送

Write_Byte_W5200(Sn_MSSR0(s)+1,1460);

}

W5200的寄存器RX_MEM_SIZE是Socketn接收數(shù)據(jù)存儲器大小寄存器,每個Socket接收數(shù)據(jù)存儲器大小是可以配置為1、2、4、8和16 K字節(jié)。系統(tǒng)復(fù)位后，默認分配為2 字節(jié)。RX_MEM_SIZE=2 048，相當(dāng)于只能取<2 048個大小的數(shù)據(jù)的偏移量。C000+7FF是可以取到的最大地址的數(shù)據(jù)。讀取地址中的數(shù)據(jù)，并放置在Rx_Buffer中，Rx_Buffer的最大值為2 000個字節(jié)，SPI可以接收的數(shù)據(jù)一次性最多為2 000個字節(jié)數(shù)據(jù)。寫數(shù)據(jù)到寄存器中，將接收寄存器Sn_RX_RD0中的值更新為最新的rx1_offset+size的值。通過這個循環(huán)實現(xiàn)了焊接參數(shù)接收與發(fā)送。

通過實驗發(fā)送1 00個數(shù)據(jù)(12 000位)，大約需要1.2 ms，發(fā)送2 000個數(shù)據(jù)(24 000位)大約需要2.5 ms。與理論時間1.1 ms和2.3 ms相符，可知實時性很好。因為一般RS232串口通信的數(shù)據(jù)傳輸速率是300、600、1 000、2 000、4 800、9 600、19 200 bit/s，而文中采用的通信方式的傳輸速率是10 M，遠大于串口的速度，并且穩(wěn)定性、可靠性高。實驗結(jié)果也證明了這一點。

4結(jié)語

通過上述實驗和焊機的現(xiàn)場調(diào)試，對主控制器DSP 與上位機之間的通信做了詳細的研究與分析，解決了多CPU實時友好通信問題。系統(tǒng)有很高的實時性、可靠性和穩(wěn)定性，已經(jīng)得到實際應(yīng)用,可以在相近平臺使用。

參考文獻：

[1]王經(jīng),李春善,劉桂方,等.基于倍福和DSP的焊接通信系統(tǒng)實時性研究[J].信息技術(shù)，2010，8：76-80.

[2]戴紅軍.基于CAN總線的管焊系統(tǒng)分布式控制平臺研究[D].北京：清華大學(xué),2010.

[3]鄔可軍,朱銘鋯.DSP實時多任務(wù)操作系統(tǒng)設(shè)計與現(xiàn)實[M].北京:電子工業(yè)出版社,2005:41- 66.

[4]李星林，黃石生，吳開源，等.基于DSP的CAN總線通信及其在雙絲脈沖MIG焊中的應(yīng)用[J].電焊機，2007(12):74-77.

[5]陳洪彬.基于以太網(wǎng)的數(shù)字化弧焊控制器的研制[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2006.

[6]劉和平,王維俊,江渝,等.TMS320LF240x DSP C語言開發(fā)應(yīng)用[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2003.

Based on TCP/IP protocol communication system applications welding equipment

ZU Hongxu,FU Hong*

(School of Electrical & Electronic Engineering, Changchun University of Technology, Changchun 130012， China)

Abstract：Taking communication system in an automatic welding equipment as an example, the real-time communication between the modules in digital welding platform is studied. The experimental results show that the real-time communication can be realized between the modules and multi-CPU control system.

Key words：DSP-based control; TCP/IP protocol; real-time.

中圖分類號：TP 23

文獻標志碼：A

文章編號：1674-1374(2016)01-0042-05

DOI:10.15923/j.cnki.cn22-1382/t.2016.1.09

作者簡介：祖紅旭(1986-)，女，漢族，吉林松原人，長春工業(yè)大學(xué)碩士研究生，主要從事測試技術(shù)和智能系統(tǒng)方向研究,E-mail:sunny5419 @126.com. *通訊作者：付虹(1963-)，女，漢族，吉林長春人，長春工業(yè)大學(xué)教授，博士，主要從事現(xiàn)代測試技術(shù)與智能系統(tǒng)方向研究,E-mail:fuhong@ccut.edu.cn.

基金項目：吉林省科技廳基金資助項目(20130206029GX)

收稿日期：2015-11-19