引言

    目前，制造業(yè)逐步向網(wǎng)絡(luò)化制造發(fā)展。然而，我國(guó)制造企業(yè)的數(shù)控車間有較大部分?jǐn)?shù)控機(jī)床采用單機(jī)模式工作，數(shù)控機(jī)床整體運(yùn)行效率低下，導(dǎo)致企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力降低。為了解決這些問(wèn)題，必須實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床聯(lián)網(wǎng)與數(shù)據(jù)采集。

    在數(shù)控機(jī)床聯(lián)網(wǎng)方面，利用軟件進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換很好的解決協(xié)議轉(zhuǎn)換問(wèn)題，基于“軟插件”思想構(gòu)建“軟插件庫(kù)”較好的解決協(xié)議異構(gòu)問(wèn)題，但是目前主要基于有線構(gòu)建通信網(wǎng)絡(luò)，移動(dòng)性差，車間擴(kuò)展性和重構(gòu)性差，基于無(wú)線通信的研究很少。在數(shù)控機(jī)床數(shù)據(jù)采集方面，主要采用PC進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，利用嵌入式設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集方面的研究較少，數(shù)據(jù)采集方式多樣，沒有一種具有通用性但又能針對(duì)特定應(yīng)用進(jìn)行擴(kuò)展的數(shù)據(jù)采集模式，采集方式適應(yīng)性差。

    針對(duì)上述不足，設(shè)計(jì)與開發(fā)嵌入式適配器實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床聯(lián)網(wǎng)與數(shù)據(jù)采集。下面分為嵌入式適配器總體框架、嵌入式適配器關(guān)鍵技術(shù)、嵌入式適配器實(shí)現(xiàn)、實(shí)驗(yàn)與分析和總結(jié)等五個(gè)部分進(jìn)行介紹。

1 嵌入式適配器總體框架

    數(shù)控機(jī)床數(shù)據(jù)采集嵌入式適配器的主要功能包括：與數(shù)控機(jī)床和上位機(jī)通信、數(shù)控機(jī)床數(shù)據(jù)采集和語(yǔ)法異構(gòu)數(shù)據(jù)處理。在通信方面，嵌入式適配器通過(guò)串口與數(shù)控機(jī)床相連，通過(guò)串口與數(shù)控機(jī)床通信；嵌入式適配器通過(guò)WiFi與無(wú)線AP相連，通過(guò)無(wú)線與上位機(jī)通信。在數(shù)控機(jī)床數(shù)據(jù)采集方面，實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床參數(shù)、機(jī)床報(bào)警數(shù)據(jù)、偏置數(shù)據(jù)、數(shù)控機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速、主軸進(jìn)給速率、當(dāng)前刀具號(hào)、加工的數(shù)控程序號(hào)、開始加工時(shí)間和結(jié)束加工時(shí)間的采集。在語(yǔ)法異構(gòu)數(shù)據(jù)處理方面，將不同表達(dá)格式的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為統(tǒng)一的格式。

    基于上述功能考慮，數(shù)控機(jī)床數(shù)據(jù)采集嵌入式適配器由嵌入式適配器硬件系統(tǒng)、嵌入式適配器操作系統(tǒng)和嵌入式適配器數(shù)據(jù)采集與處理應(yīng)用軟件三部分組成，其總體框架如圖1所示。嵌入式適配器硬件系統(tǒng)是嵌入式適配器操作系統(tǒng)和嵌入式適配器數(shù)據(jù)采集與處理應(yīng)用軟件運(yùn)行的基礎(chǔ)，也是嵌入式適配器的外在體現(xiàn)，主要由處理器、存儲(chǔ)器和外部接口三部分組成。嵌入式適配器操作系統(tǒng)進(jìn)行任務(wù)調(diào)度和為應(yīng)用程序提供接口，主要由硬件驅(qū)動(dòng)、系統(tǒng)內(nèi)核和應(yīng)用程序接口組成。嵌入式適配器數(shù)據(jù)采集與處理應(yīng)用軟件進(jìn)行數(shù)控機(jī)床數(shù)據(jù)采集并將采集的異構(gòu)數(shù)據(jù)同構(gòu)化，其主要由基礎(chǔ)信息模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)處理模塊組成。

圖1 數(shù)控機(jī)床數(shù)據(jù)采集嵌入式適配器總體框架圖

2 嵌入式適配器關(guān)鍵技術(shù)

    2.1嵌入式適配器操作系統(tǒng)定制技術(shù)

    嵌入式適配器操作系統(tǒng)主要有兩個(gè)方面的作用:管理系統(tǒng)中的各種資源，為使用者提供一定的接口。嵌入式適配器的資源有多種，如CPU、存儲(chǔ)器、輸入輸出等硬件資源，可執(zhí)行程序和其他數(shù)據(jù)文件等軟件資源，來(lái)自網(wǎng)絡(luò)上的資源也可分屬到上面的兩個(gè)類型中。如何讓硬件資源被使用者合理使用，如何讓抽象的數(shù)據(jù)以良好的形式展現(xiàn)給使用者與應(yīng)用程序，是嵌入式適配器操作系統(tǒng)需要解決的問(wèn)題。資源已經(jīng)被管理和分配，嵌入式適配器操作系統(tǒng)的另外一個(gè)作用就是組織良好的資料讓使用者能夠方便的使用，提供一些界面，比如GUI( Graphical UserInterface，圖形用戶界面)。嵌入式適配器操作系統(tǒng)定制通過(guò)搭建嵌入式適配器操作系統(tǒng)定制平臺(tái)，依據(jù)嵌入式適配器軟硬件方面的功能需求，在定制平臺(tái)提供的資源中選擇合適的組件，生成嵌入式適配器操作系統(tǒng)鏡像，燒寫到開發(fā)板，進(jìn)行功能測(cè)試，修改直至滿足功能需求。

    2. 2嵌入式適配器異構(gòu)數(shù)據(jù)處理技術(shù)

    嵌入式適配器采集多種類型數(shù)控機(jī)床的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)存在語(yǔ)法和語(yǔ)義上的異構(gòu)，為了便于統(tǒng)一組織和管理，首先需要將語(yǔ)法異構(gòu)數(shù)據(jù)同構(gòu)化。

    XML是World Wide Web聯(lián)盟(W3C)的一個(gè)開放標(biāo)準(zhǔn)，它是一組規(guī)則和準(zhǔn)則的集合，具有良好的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式、開放性、可擴(kuò)展性、自描述性、高度的結(jié)構(gòu)化、便于網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)忍匦?。XML所關(guān)心的主要是數(shù)據(jù)，而其它的因素像數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)類型、表現(xiàn)和操作都由其它的以XML為核心的相關(guān)技術(shù)來(lái)完成。

    為實(shí)現(xiàn)語(yǔ)法異構(gòu)數(shù)據(jù)同構(gòu)化，首先，利用XMLSchema描述一類XML文檔的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)類型，然后，利用XSLT ( Extensible  Stylesheet  LanguageTransformations)建立該類異構(gòu)文檔與同構(gòu)化文檔之間的映射關(guān)系，最后，組合利用XML Schema和XMLXSLT實(shí)現(xiàn)語(yǔ)法異構(gòu)數(shù)據(jù)同構(gòu)化處理，將異構(gòu)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為同構(gòu)的數(shù)據(jù)。

3 嵌入式適配器實(shí)現(xiàn)

    3.1嵌入式適配器硬件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

    基于嵌入式適配器在計(jì)算、存儲(chǔ)、通信和調(diào)試方面的需求設(shè)計(jì)嵌入式適配器硬件系統(tǒng)。主要考慮處理器、存儲(chǔ)器和外部接口三部分。目前常見的嵌入式處理器包括ARM， MIPS， PowerPC和X86系列，其中，ARM處理器功耗和性能平衡最好而且應(yīng)用最廣泛，選擇ARM11作為嵌入式適配器的處理器。選擇應(yīng)用廣泛的SDRAM作為內(nèi)存，選擇價(jià)格相對(duì)低廉的FLASH作為外存。目前，絕大多數(shù)數(shù)控機(jī)床提供串行通訊接口，添加UART串行通訊接口;嵌入式適配器與上位機(jī)通過(guò)無(wú)線通信，在WiFi、藍(lán)牙和紅外等幾種常見的無(wú)線通信方式中，WiFi在速率、穩(wěn)定性和距離方面最優(yōu)，添加GPIO WiFi接口;考慮程序調(diào)試和后續(xù)擴(kuò)展需求，添加USB和以太網(wǎng)接口。嵌入式適配器硬件系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 數(shù)控機(jī)床數(shù)據(jù)采集嵌入式適配器硬件系統(tǒng)圖

    3. 2嵌入式適配器操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

    選擇Windows Embedded CE6.0作為嵌入式適配器操作系統(tǒng)，搭建嵌入式適配器操作系統(tǒng)定制平臺(tái)，按順序安裝Visual Studio 2005，  Visual Studio2005 SP1，Windows Embedded CE6. 0，Windows Embedded CE6.0 Platform Builder SP1，Windows CE6.0SP2 ， Windows 6. 0 Updates， Windows CE6. 0 SP3和Windows CE6.0 SP3 Update-Rollup。

    整個(gè)定制分為4步，如圖3所示。首先選擇模板創(chuàng)建初始的操作系統(tǒng)，在此選擇“Industrial Device”模板，接著第二步進(jìn)行修改，主要進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)、通信組件、驅(qū)動(dòng)程序的添加和刪除操作，第三步生成操作系統(tǒng)，利用SD卡燒寫到開發(fā)板，第四步利用測(cè)試程序?qū)Σ僮飨到y(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，主要包括串口通信和文檔編輯測(cè)試，根據(jù)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行反饋、修改直至滿足需求，最后發(fā)布系統(tǒng)。

圖3 數(shù)控機(jī)床數(shù)據(jù)采集嵌入式適配器操作系統(tǒng)定制流程圖

    3. 3嵌入式適配器數(shù)據(jù)采集處理軟件實(shí)現(xiàn)

    嵌入式適配器數(shù)據(jù)采集與處理軟件的主要功能包括兩點(diǎn):采集數(shù)控機(jī)床數(shù)據(jù)，將采集的異構(gòu)數(shù)據(jù)同構(gòu)化。

    數(shù)據(jù)采集與處理軟件主要由基礎(chǔ)信息模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)處理模塊組成，如圖4所示。其中，基礎(chǔ)信息模塊保存嵌入式適配器采集通道的配置信息、采集數(shù)據(jù)類型的XML Schema信息和數(shù)據(jù)映射對(duì)應(yīng)的XML XSLT信息;數(shù)據(jù)采集模塊依據(jù)請(qǐng)求類型解析模塊解析的數(shù)據(jù)類型或者配置的數(shù)據(jù)類型建立對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)采集通道，依據(jù)采集通道的運(yùn)行流程采集數(shù)控機(jī)床數(shù)據(jù)并將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)處理模塊，數(shù)據(jù)采集通道可以根據(jù)數(shù)據(jù)類型進(jìn)行擴(kuò)展;數(shù)據(jù)處理模塊將數(shù)據(jù)采集模塊采集的語(yǔ)法異構(gòu)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為統(tǒng)一的XML文檔，發(fā)送到DNC服務(wù)器的嵌入式適配器接口。

圖4 嵌入式適配器數(shù)據(jù)采集與處理軟件框架圖

整個(gè)數(shù)據(jù)采集與處理軟件在訂閱/發(fā)布模式下的主要運(yùn)行流程如圖5所示。首先，數(shù)據(jù)采集模塊從基礎(chǔ)信息模塊獲取需要采集的數(shù)據(jù)類型，依據(jù)采集數(shù)據(jù)類型確定數(shù)據(jù)采集方式并建立數(shù)據(jù)采集通道采集數(shù)控機(jī)床數(shù)據(jù)，然后將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)處理模塊，數(shù)據(jù)處理模塊從基礎(chǔ)信息模塊獲取采集數(shù)據(jù)類型對(duì)應(yīng)的XML Schema信息和XML XSLT信息，依據(jù)數(shù)據(jù)類型對(duì)應(yīng)的XML Schema信息和XMLXSLT信息，將數(shù)據(jù)采集模塊采集的語(yǔ)法異構(gòu)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為統(tǒng)一格式的XML文檔信息，最后，發(fā)送到DNC服務(wù)器適配器接口模塊。

    嵌入式適配器數(shù)據(jù)采集模塊的運(yùn)行流程如圖6所示。首先，數(shù)據(jù)采集模塊獲取需要采集的數(shù)據(jù)類型，依據(jù)數(shù)據(jù)類型建立數(shù)據(jù)采集通道。對(duì)應(yīng)不同的類型，建立不同的數(shù)據(jù)采集通道，數(shù)據(jù)采集通道可以根據(jù)采集類型進(jìn)行擴(kuò)展。以串口數(shù)據(jù)采集通道為例，其具體流程如下:創(chuàng)建串口，依據(jù)數(shù)據(jù)采集通道配置信息配置串口參數(shù);打開串口;讀/寫串口數(shù)據(jù);讀寫完畢后關(guān)閉串口。最后將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)處理模塊。

圖5 嵌入式適配器傲據(jù)采集與處理軟件運(yùn)行流程圖