基于STR-30的數(shù)控機床狀態(tài)實時監(jiān)控系統(tǒng)設計

摘 要：本文設計了基于無線數(shù)據(jù)傳輸模塊STR-30型的數(shù)控機床狀態(tài)實時監(jiān)控系統(tǒng)的硬件結構，介紹了數(shù)據(jù)傳輸所采用的時分多址通信協(xié)議和實時接收、處理數(shù)據(jù)的方法，完成了基于多線程技術的無線數(shù)據(jù)傳輸模塊軟件設計。

關鍵詞：數(shù)控機床;無線通信;時分多址;多線程

在傳統(tǒng)的CIMS（計算機集成制造系統(tǒng)）中，數(shù)據(jù)流的采集、傳輸涉及大量的電纜鋪設等問題，限制了分布式工業(yè)制造系統(tǒng)整體控制性能的提高?；赟TR-30型的無線傳輸模塊能滿足對于數(shù)控機床實時監(jiān)控數(shù)據(jù)的穩(wěn)定高效的傳輸要求。本文介紹了在此基礎上設計的數(shù)控機床無線傳輸?shù)挠布Y構和軟件設計，并對所采用的通信協(xié)議進行了詳細分析。

系統(tǒng)結構和通信原理

通信模塊特點

上海桑博科技有限公司開發(fā)的STR-30型微功率無線傳輸模塊提供了標準RS-232、RS-485和RART/TTL電平這3種接口方式，可直接與計算機COM1（或COM2）相連，利用計算機的USB接口供電。STR-30的通信信道是半雙工的（或者直接用STR-30USB），最適合點對多點的通信方式，用戶無需編制多余的程序，只要完成從接口收發(fā)數(shù)據(jù)即可，其它如空中收/發(fā)轉換、控制操作等，STR-30無線通信模塊能夠自動完成。

系統(tǒng)硬件結構

系統(tǒng)的結構圖如圖1所示，整個系統(tǒng)由若干臺高性能PC組成，分別為遠程監(jiān)控端（主機）、現(xiàn)場監(jiān)控中心（從機）和現(xiàn)場監(jiān)控單元，其中現(xiàn)場監(jiān)控中心和遠程監(jiān)控端分別配置了STR-30無線通信模塊。主機和從機通過RS-232串口與STR-30無線通信模塊相連，兩個STR-30無線通信模塊（配置天線為30×7×1mm）之間進行通信。上行鏈路發(fā)送指令用于主機對從機以及現(xiàn)場監(jiān)控單元進行控制，下行鏈路發(fā)送狀態(tài)數(shù)據(jù)用于向主機傳遞數(shù)控機床當前的運行參數(shù)，如主軸轉動和切削力等。STR-30無線通信模塊提供0～7個信道（最多可以提供256個信道，完全可以滿足客戶的需要了），如果需要增加系統(tǒng)容量，可以設置多個頻點，每個頻點供多臺數(shù)控機床使用，這樣，通過增加系統(tǒng)頻段資源的方法，可使系統(tǒng)容量成倍的增加。

圖1 數(shù)控機床狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)硬件結構

時分多址通信協(xié)議

　　本系統(tǒng)采用TDMA時分多址通信協(xié)議。把時間軸劃分成一定長的時元（EPOCH），每個時元又劃分為若干個幀，每一個幀內部又劃分為若干個時隙。幀的重復周期為幀周期， 在每個幀中給主機/從機分配一定數(shù)量的時隙以發(fā)射信號，而在不發(fā)射信號的時隙中則接收從機/主機所發(fā)射的信號。主機以準確的時鐘為基準，從機時鐘則與之同步，形成統(tǒng)一的系統(tǒng)時鐘。 網(wǎng)內各個成員的發(fā)射時隙是彼此不同的，不存在相互干擾問題，但必須有準確的時隙同步，使每一次發(fā)射都以統(tǒng)一的時隙起點作定時基準。本系統(tǒng)測控容量為30臺數(shù)傳機床，數(shù)傳模塊的無線傳輸速率設置為9600bps，每個時隙的基本信息傳輸量為225bit，所以，設計為每個時隙35ms，每個時幀為3.5s，共有100個 時隙，每個時元35s，共10個幀。

通信模塊的軟件實現(xiàn)

程序的整體框架

　　無線傳輸模塊作為實時監(jiān)控系統(tǒng)的一部分，在設計時就考慮要把它設計成一個獨立的模塊，使對它的應用類似函數(shù)的應用，本文采用Visual C + + 語言進行設計，在終端的無線通信模塊程序中包括時戳類、編碼類、網(wǎng)絡通信類（或傳輸類） 。時戳類主要完成整個系統(tǒng)的同步，編碼類主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)的R-S編碼功能。 網(wǎng)絡通信類主要是負責編碼后數(shù)據(jù)流的發(fā)送和接收。數(shù)據(jù)鏈終端模塊主要包含如下線程：

　　1 主線程

　　主線程的主要任務是對系統(tǒng)進行初始化，創(chuàng)建子線程和結束子線程，并響應菜單和鼠標操作。

　　2 編解碼線程

　　從主機/從機獲得數(shù)據(jù)，進行編碼，并將編碼后的數(shù)據(jù)送入發(fā)送緩沖等待發(fā)送;從接收緩沖取得數(shù)據(jù)進行解碼，得到有效信息。

　　3 傳輸線程

　　負責把發(fā)送緩沖的數(shù)據(jù)送入數(shù)傳模塊調制解調器;從調制解調器讀入數(shù)據(jù)流，并存入接收緩沖區(qū)。

Windows下精確定時的實現(xiàn)

　　TDMA網(wǎng)絡是一種同步網(wǎng)絡，要求整個網(wǎng)絡的所有用戶都采用統(tǒng)一的時基，并且各自能維持一個高精度的時鐘。眾所周知，Windows是基于消息機制的系統(tǒng)，任何事件的執(zhí)行都是通過發(fā)送和接收消息來完成的。 這樣就帶來了一些問題，如一旦計算機的CPU被某個進程占用，或系統(tǒng)資源緊張時，發(fā)送到消息隊列中的消息就暫時被掛起，得不到實時處理。因此，不能簡單地通過Windows消息引發(fā)一個對定時要求嚴格的事件。由于在Windows中已封裝了計算機底層硬件的訪問，所以，要想通過直接訪問硬件來完成精確定時也比較困難?；诒鞠到y(tǒng)定時到毫秒級的要求，采用QueryPerformanceFrequency（）和 QueryPerformanceCounter（）函數(shù)。在進行定時之前，先調用QueryPerformanceFrequency（）函數(shù)獲得機器內部定時器的時鐘頻率， 然后在需要嚴格定時的事件發(fā)生之前和發(fā)生之后分別調用QueryPerformanceCounter（）函數(shù)，利用兩次獲得的計數(shù)之差及時鐘頻率，計算出事件經歷的精確時間。

傳輸線程的實現(xiàn)

STR-30與PC之間采用串口連接，在Microsoft Visual C++ 6.0環(huán)境下通過對Active X控件的編程來實現(xiàn)串口的通信簡單方便，可以節(jié)省很多時間。首先實例化控件類MSComm，然后通過調用MSComm的函數(shù)對串口進行初始化操作，設置其串口號、波特率、奇偶校驗、數(shù)據(jù)位數(shù)、停止位數(shù)以及接收觸發(fā)方式等。MSComm類的讀寫通過調用函數(shù)GetInput（）和SetOutput（）實現(xiàn)。主機周期性地發(fā)送入網(wǎng)消息，從機偵聽鏈路35s，以便獲取整個網(wǎng)絡的時隙分配使用情況，接收到入網(wǎng)消息后，立刻進行精同步過程，發(fā)送同步申請消息給主機，主機接收到同步申請消息則發(fā)送同步應答消息。精同步后網(wǎng)絡進入連續(xù)運行階段，在發(fā)送時隙發(fā)送消息，接收時隙接收有用消息。因為時鐘的漂移性，所以精同步過程要周期性地進行。從機用戶程序流程如圖2所示，主機用戶程序流程圖與之相似，所以不再贅述。

圖2 從機成員流程圖

編解碼線程和傳輸線程的同步

　　當編解碼線程工作的時候，要把數(shù)據(jù)送入發(fā)送緩沖區(qū)并從緩沖讀出數(shù)據(jù)進行解碼，而傳輸線程要從發(fā)送緩沖區(qū)提取數(shù)據(jù)發(fā)送出去、從調制解調器接收數(shù)據(jù)存入緩沖區(qū)，需要設置精確的同步來保證它們之間不發(fā)生沖突。以編碼線程和發(fā)送線程的同步為例進行說明，首先在傳輸類里定義2個大小相同的發(fā)送緩沖區(qū)E1、E2，并定義4個事件，分別對應緩沖區(qū)E1空事件、緩沖區(qū)E1滿事件、緩沖區(qū)E2空事件、緩沖區(qū)E2滿事件。在主線程中首先對這4個事件進行初始化，由于開始時刻2個緩沖區(qū)應是空的，所以在初始化時緩沖區(qū)E1、E2的空事件為信號狀態(tài)，而緩沖區(qū)E1、E2滿為非信號狀態(tài)，這時啟動編碼線程和發(fā)送線程。由于用2個發(fā)送緩沖進行工作，所以在線程啟動之前必須有一個為當前發(fā)送緩沖區(qū)和當前編碼緩沖區(qū)，把E1初始化作為它們的初值。當程序開始工作時，緩沖區(qū)空事件處于信號狀態(tài)，所以編碼線程進行編碼工作，把壓縮數(shù)據(jù)流存入當前緩沖區(qū)，而發(fā)送緩沖監(jiān)測不到緩沖區(qū)滿事件處于信號狀態(tài)，所以等待。當前編碼緩沖區(qū)變滿時，編碼線程置該緩沖滿為信號狀態(tài)，置該緩沖空為非信號狀態(tài)，并交換當前編碼緩沖區(qū)，同時，該線程進入等待狀態(tài);此時處于等待狀態(tài)的發(fā)送線程監(jiān)聽到緩沖區(qū)滿事件處于信號狀態(tài)，便開始工作，發(fā)送當前緩沖的數(shù)據(jù)到調制解調器或局域網(wǎng)直至完畢。 然后該線程置當前發(fā)送緩沖空為信號狀態(tài)，而當前緩沖滿為非信號狀態(tài)，并交換當前發(fā)送緩沖區(qū)，這樣，等待緩沖區(qū)空的編碼線程又可以占據(jù)該緩沖區(qū)，如此反復直至編碼線程結束。

結語

　　實驗表明，利用STR-30通信模塊設計的無線數(shù)據(jù)傳輸模塊，數(shù)據(jù)傳送及時、安全可靠、誤碼率很低，而且體積小、功耗低，距離遠，可以方便地嵌入到數(shù)控機床監(jiān)測系統(tǒng)中，降低了監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)成本和開發(fā)周期，提高了設備應用的靈活性。

　　本系統(tǒng)也存在一定的局限性，它的開發(fā)基于Windows操作平臺，尚不具備跨平臺的兼容性。如擴展其應用，還需進一步的工作

對于STR-30可以提供多種借口，如RS232,RS485,TTL,USB等接口。