采用無線通信技術的新型開放式數控系統

采用無線通信技術的新型開放式數控系統由兩部分構成：一部分是可移動的掌上控制器，即數控PDA;另一部分則安裝于機床上，完成傳統的運動控制和PLC 功能，稱為嵌入式機床控制器。兩部分之間通過Wi- Fi（802.11）或藍牙（Bluetooth）接口實現移動通信，其結構框圖如圖1 所示。在這種模式下，現今數控系統中的很大一部分功能將被轉移到數控PDA 上。這些功能主要包括加工程序的編制、仿真與下載（包括手工編程和從CAD/CAM 工作站或臺式電腦上下載巨型加工程序）、機床調整、加工數據和機床狀態的采集以及和車間管理/調度服務器通信等。而機床控制器則主要執行實時運動控制和 PLC 功能。這種新型數控是真正的嵌入式系統，能大大降低數控系統的體積和成本。同時，通過數控PDA 也徹底改變了數控機床的操作模式，把以機器為中心改變為以人為中心。操作者無論在位置上還是在姿勢上都不再被機床所束縛。操作更方便，更舒適，也容易實現一人多機操作。

由于這種專業化的數控PDA可以通過無線局域網和Internet上網，獲得車間或單元服務器乃至CAD/CAM 技術中心的支持，因而極大的增強了數控系統的功能。同時，因為數控PDA 是一個通用的數控裝置，可以顯示多種機床的操作界面，控制不同的數控機床。由此，一個手握數控PDA的操作者和若干臺數控機床就能構成一個人機協同的加工單元。這種在數字技術支持下的以人為中心的加工單元，較之傳統的柔性加工單元更加靈活、更加可靠。此外，數控PDA 還具有本地數據庫管理功能，因而能用于組建車間網絡化制造的分布式數據庫，使之成為分布式體系結構中實時獲取現場數據的基礎結點。

1.1 數控PDA 的硬件結構

基于IEEE802.11 下的數控PDA 的硬件體系結構主要由32 位嵌入式微處理器、高速內存、FLSH電子盤、無線通信模塊以及高效電池和LCD 觸摸屏等部分組成（如圖2所示）。在硬件設計上采用Intel公司Strong ARM SA — 1100 32 位RISC 微處理器，它以ARM 公司的SA — 1 內核作為其系統內核，時鐘頻率高達206MHz，可以為數控PDA 提供強大的處理能力。

在通信方面，數控PDA 提供了USB 接口、串行接口和無線通信模塊。通過這些接口可以方便地與上級服務器或嵌入式機床控制器進行數據通信。無線模塊采用Airgo公司的支持 IEEE802.11a/b/g 3 種無線LAN 標準的收發器芯片組。該芯片組可同時支持2.4GHz 和5GHz 頻帶下的OFDM（正交頻分多路復用）變頻方式。除了IEEE802.11a/b，還可支持最近作為標準剛剛獲得通過的IEEE802.11g。

IEEE802.11g是利用2.4GHz頻帶來實現最大數據傳輸速度54Mbit/ 秒的無線LAN 規格。該芯片組由基帶芯片和R F 芯片組成，支持使用5 G H z 帶寬的IEEE802.11a、使用2.4GHz 帶寬的IEEE802.11b 及IEEE802.11g 的無線LAN 方式。基帶芯片帶有IEEE802.11 的MAC 功能和PHY 功能，并進行MIMO信號處理。同時，該芯片組嵌入了IEEE802.11的安全功能加速器及服務質量（QoS）保證電路。

如圖2 所示,數控PDA的主設備是由微處理器和IEEE802.11芯片組構成。IEEE802.11芯片組接受來自主機的控制指令，經過基帶控制器的處理后命令無線收發器發出2.4-5.0GHz 帶寬的無線電波。IEEE802.11 芯片組和主機的連接可以通過USB、MINI PCI，CARDBUS，從而省去所需外部橋接器件。HCI（Host Controller Interface）的上層通信協議由主機負責處理，下層的通信協議則由芯片組內的基帶層芯片與無線收發器芯片負責。數控PDA 可與嵌入式機床控制器802.11無線網卡進行數據傳輸和對數控機床進行控制。

由于把主要的系統管理功能、人機交互和數控編程等轉移給了數控PDA，因而新型數控的機床控制部分比傳統的數控設備簡化了許多，近似于一個運動控制器和PLC。其硬軟件配置主要滿足伺服系統實時控制和機床I/O 功能的要求，但它必須增加無線通信的功能模塊。在硬件上，采用基于104 總線的嵌入式工控PC機的體系結構。這種體系結構不僅能完全滿足上述要求，而且具有體積小、結構緊湊、堅固可靠和成本低等特點，不失為一種較理想的選擇。