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【摘 要】 本文首先阐述了无线数控通信系统结构模型，然后探讨了采用无线通信技术的新型开放式数控系统，最后对新型数控系统的关键环节进行了分析。
【关键词】 无线通信技术；新型；数控系统
一、前言
近年来，科技的不断发展，使得无线通信技术的新型数控系统问题引起了人们的普遍关注。数控系统直接影响企业的效益。我国在无线通信技术的新型数控系统取得了一定的成绩。
二、无线数控通信系统结构模型
无线数控通信系统结构模型如下图所示，它具有两级计算机分级结构，即现场主控计算机和数控设备群。主控计算机和数控设备群之间通过上位及下位数据通信卡进行无线通信。上位数据通信卡与主控计算机可通过串口连接，也可采用USB接口连接，下位数据通信卡插入数控设备自带的串口即可。无线通信的工作频率采用国际通用的数传频段433MHz，使用时无需申请许可证。系统具有良好的可扩展性，每增加一台数控设备，只需将一块下位无线数据通信卡插入该数控设备通信串口即可实现通信，不必扩展主控计算机的通信接口。
三、采用无线通信技术的新型开放式数控系统
采用无线通信技术的新型开放式数控系统由两部分构成：一部分是可移动的掌上控制器，即数控PDA；另一部分则安装于机床上，完成传统的运动控制和PLC功能，称为嵌入式机床控制器。两部分之间通过Wi-Fi（802.11）或蓝牙（Bluetooth）接口实现移动通信，其结构框图如图1所示。
1、数控PDA的硬件结构
基于IEEE802.11下的数控PDA的硬件体系结构主要由32位嵌入式微处理器、高速内存、FLSH电子盘、无线通信模块以及高效电池和LCD触摸屏等部分组成（如图2所示）。在硬件设计上采用Intel公司StrongARMSA—110032位RISC微处理器，它以ARM公司的SA—1内核作为其系统内核，时钟频率高达206MHz，可以为数控PDA提供强大的处理能力。在通信方面，数控PDA提供了USB接口、串行接口和无线通信模块。通过这些接口可以方便地与上级服务器或嵌入式机床控制器进行数据通信。无线模块采用Airgo公司的支持IEEE802.1la/b/g3种无线LAN标准的收发器芯片组。该芯片组可同时支持2.4GHz和5GHz频带下的OFDM（正交频分多路复用）变频方式。除了IEEE802.1la/b，还可支持最近作为标准刚刚获得通过的IEEE802.1lg。IEEE802.1lg是利用2.4GHz频带来实现最大数据传输速度54Mbit/秒的无线LAN规格。该芯片组由基带芯片和RF芯片组成，支持使用5GHz带宽的IEEE802.1la、使用2.4GHz带宽的IEEE802.1lb及IEEE802.1lg的无线LAN方式。基带芯片带有IEEE802.1l的MAC功能和PHY功能，并进行MIMO信号处理。同时，该芯片组嵌入了IEEE802.1l的安全功能加速器及服务质量（QOS）保证电路。
如图2所示，数控PDA的主设备是由微处理器和IEEE802.11芯片组构成。IEEE802.11芯片组接受来自主机的控制指令，经过基带控制器的处理后命令无线收发器发出2.4—5.0GHz带宽的无线电波。
IEEE802.11芯片组和主机的连接可以通过USB、MINIPCI，CARDBUS，从而省去所需外部桥接器件。HCI（Host Controller Interface）的上层通信协议由主机负责处理，下层的通信协议则由芯片组內的基带层芯片与无线收发器芯片负责。数控PDA可与嵌入式机床控制器的802.11无线网卡进行数据传输和对数控机床进行控制。
由于把主要的系统管理功能、人机交互和数控编程等转移给了数控PDA，因而新型数控的机床控制部分比传统的数控设备简化了许多，近似于一个运动控制器和PLC。其硬软件配置主要满足伺服系统实时控制和机床I/O功能的要求，但它必须增加无线通信的功能模块。在硬件上，采用基于104总线的嵌入式工控PC机的体系结构。这种体系结构不仅能完全满足上述要求，而且具有体积小、结构紧凑、坚固可靠和成本低等特点，不失为一种较理想的选择。
2、数控PDA的软件结构
当前用于掌上电脑上的嵌入式操作系统有很多，较典型的有WindowsCE、PocketOS、PalmOS、Hope、嵌入式Linux等。WindowsCE.NET作为目前掌上电脑的是一个基于Win32应用程序编程接口（API）的操作系统。我们采用WindowsCE.NET和VisualStudio.Net分别作为数控PDA的操作系统平台和应用程序开发平台。整个软件系统按功能模块进行设计。系统实现分为3个层次，分别是人机界面和系统管理层、数据组织与管理层、与上级服务器及下级嵌入式机床控制器进行通信的通信层。通信层包括了通信链路的建立、数据链路通信协议的实现、表示层的具体实现。数据库管理完成数据的建立、排序、检索与维护，实现真正的移动传输。系统的控制管理层是整个软件系统的核心，对于数控PDA来说，其功能和智能化程度的区别都反映在这一层上，系统功能的增减也均在这一层进行，包括程序的编译解释、调整、自动、诊断、参数设置、仿真等与用户操作有关的功能子模块。各功能模块通过无线通信程序与底层进行信息交换。其软件功能模块结构如图3所示。通信层采用串口，USB和无线通信口3种通信方式。串口通信方式采用RS232串行总线技术，全双工，传送波特率为57600bps；USB通信方式采用USB2.0高速通用串行总线，传送速率可高达480MbPS；无线通信方式遵循IEEE802.11通信协议，支持最高传输速率为54Mbps。整个系统的应用软件具有控制、数据处理.人机交互.网络通讯等功能。
四、新型数控中无线通信技术
1、802.11通信机制 目前常用的掌上电脑的无线联网方式有GPRS，IEEE802.11（Wi—Fi），蓝牙技术、家庭网络HOMERF等。这些方式各有优劣。IEEE802.11是1999年最新版本的无线局域网（WLAN）标准。与蓝牙协议和家庭网络的HOMERF标准相比IEEE802.11协议具有传输距离远，传输速度快等优点，是无线通信技术发展的主流。和其他IEEE802.X标准一样，802.11标准着重定义了物理层（PHY）和介质访问控制（MAC）子层。II三EE802.11的MAC层提供对无线共享介质的访问控制。除此之外，还提供支持无线传输和站点移动所必须的网络连接、认证、保密和电源管理等功能。近年来，802.11标准又扩展出802.1lb、802.1la、802.1lg等系列，这些扩展标准采用的是不同的物理层标准，使通信速率提高到11Mbit/s、22Mbit/s至54Mbit/s，但它们对MAC层协议没有重大改变。
2、新型数控中无线通信的具体实现方案
在新型数控体系结构中，数控PDA是通过IEEE802.1lx通信协议与车间服务器及机床控制器通信。根据机床控制系统的不同配置，其无线通信的实现方案也不同。主要有以下几种：
（1）数控PDA的无线模块和单片机数控系统相连的无线通信接口电路；
（2）数控PDA的无线模块通过与传统数控系统的RS232/802.11转换器相连接；
（3）通过数控PDA的无线模块与嵌入式机床控制器的802.1Ix无线网卡通信。
在单片机数控系统中，通过一种基于单片机无线通讯接口电路来实现数控PDA与单片机的无线通信。这种单片机无线通讯接口电路是由Micrel公司推出的单片发射器芯片（MICRF102）和单片接受器芯片（MICRF007）组成。工作在国际通用ISM频段300-400MHZ，具有ASK调制和解调能力，抗干扰能力强，非常适合于工业控制领域。同时它又具备频率稳定性好，接受灵敏度高，功耗底等优点。可以方便数控PDA与单片机之间的串行数据无线通信。其接口电路工作原理如图4所示。
对于传统数控机床来说，通常这些设备所提供的通信接口是普通的RS-232串行接口。如何使这些设备与数控PDA通信呢？一个经济、快速的解决方
案是，在传统数控系统的串行接口上外接一个RS—232/802.11转换器，将数控设备的串口RS-232信号与无线通信信号相互转换，使之符合IEEE802.11x通信协议。它使数控设备与无线局域网联网，有效地扩展了数控设备的联网通信能力，并且最终使固定的数控设备可以与自由移控动的数控PDA实现无线通信。总而言之一种基于IEEE802.11协议下的无线串口是网络环境下的数字化制造的重要趋势。其无线通信结构见图5所示。二者间无线通信的实现，实际上可以看作是用无线模块替代有线串口连接，亦既将两个无线模块组成的无线信道看成是一个两端口的设备。对两设备而言，串口通信时有线连接与无线连接的端子对应关系是一样的。用无线信道替代有线连接的通信程序编制也基本相同。
五、新型数控系统的关键环节
主动信息获取是智能寻位加工技术中最为关键的一个环节。主要以宏、微观结合（视觉结合触觉）測量，实现快速准确的信息获取。对于视觉系统而言，数控系统需要简单的点位操作，对视觉系统测取的结果进行分析，求取与预定目标位移差值，自动生成控制指令，调整视觉系统的相关变量，并控制工作台移动到新的位置，重复进行视觉测量及控制移动过程，直到使得工件位置满足视觉测量的基本要求，而后进行最终的工件位姿视觉测取。
对于触觉测量而言，在得知视觉宏观位姿信息以后，在测点及路径规划指导下，驱动工作台相对于测头作多坐标运动。在运动过程中连续检测环节不断获取测头的实际位置信息。当测头触碰到工件表面使其开关动作发出采样脉冲信号的瞬间，计算机对光栅系统反馈的连续运动信息进行采样，求得测头与工件接触点的准确坐标信息。
六、展望
如今，PDA（Personal Digital Assistant，个人数据助理）已在人们日常生活中，特别是在商业领域得到了广泛的应用。可以肯定的是，开发出适用于数控机床和车间应用的PDA——“数控PDA”和“车间调度PDA”同样会给机械加工带来极大的方便。内嵌的无线通信模块（蓝牙、802.11等）可以方便地与Pc机、数控机床组建微微网，实现数据交换和资源共享，通过建立强大的数据库系统帮助人们获得与加工、编程有关的信息（如NC程序），通过蓝牙技术以无线方式将加工程序发送给加工机床，并且无线操作机床进行零件加工。“数控PDAI，和“车间调度PDA'’作为车间底层的网络化制造的辅助设备和新一代可移动人机界面，将为构建人机协同的柔性制造单元FMC和柔性制造系统FMs创造条件。我们认为这是一个很有价值和发展前途的课题，值得认真进行探索。
七、结束语
综上所述，新型数控系统是企业发展的核心系统。因此，我们要根据实际情况，制定出合理的新型数控系统，确保企业的发展。
参考文献：
[1]赵峰，曾文海.蓝牙无线通信技术[J].信息技术与应用.2012（7）：16-18.
[2]陶波，丁汉，熊有伦.基于嵌入式Internet的工业控制[J].测控技术，2011，20（8）：37-41.
【关键词】 无线通信技术；新型；数控系统
一、前言
近年来，科技的不断发展，使得无线通信技术的新型数控系统问题引起了人们的普遍关注。数控系统直接影响企业的效益。我国在无线通信技术的新型数控系统取得了一定的成绩。
二、无线数控通信系统结构模型
无线数控通信系统结构模型如下图所示，它具有两级计算机分级结构，即现场主控计算机和数控设备群。主控计算机和数控设备群之间通过上位及下位数据通信卡进行无线通信。上位数据通信卡与主控计算机可通过串口连接，也可采用USB接口连接，下位数据通信卡插入数控设备自带的串口即可。无线通信的工作频率采用国际通用的数传频段433MHz，使用时无需申请许可证。系统具有良好的可扩展性，每增加一台数控设备，只需将一块下位无线数据通信卡插入该数控设备通信串口即可实现通信，不必扩展主控计算机的通信接口。
三、采用无线通信技术的新型开放式数控系统
采用无线通信技术的新型开放式数控系统由两部分构成：一部分是可移动的掌上控制器，即数控PDA；另一部分则安装于机床上，完成传统的运动控制和PLC功能，称为嵌入式机床控制器。两部分之间通过Wi-Fi（802.11）或蓝牙（Bluetooth）接口实现移动通信，其结构框图如图1所示。
1、数控PDA的硬件结构
基于IEEE802.11下的数控PDA的硬件体系结构主要由32位嵌入式微处理器、高速内存、FLSH电子盘、无线通信模块以及高效电池和LCD触摸屏等部分组成（如图2所示）。在硬件设计上采用Intel公司StrongARMSA—110032位RISC微处理器，它以ARM公司的SA—1内核作为其系统内核，时钟频率高达206MHz，可以为数控PDA提供强大的处理能力。在通信方面，数控PDA提供了USB接口、串行接口和无线通信模块。通过这些接口可以方便地与上级服务器或嵌入式机床控制器进行数据通信。无线模块采用Airgo公司的支持IEEE802.1la/b/g3种无线LAN标准的收发器芯片组。该芯片组可同时支持2.4GHz和5GHz频带下的OFDM（正交频分多路复用）变频方式。除了IEEE802.1la/b，还可支持最近作为标准刚刚获得通过的IEEE802.1lg。IEEE802.1lg是利用2.4GHz频带来实现最大数据传输速度54Mbit/秒的无线LAN规格。该芯片组由基带芯片和RF芯片组成，支持使用5GHz带宽的IEEE802.1la、使用2.4GHz带宽的IEEE802.1lb及IEEE802.1lg的无线LAN方式。基带芯片带有IEEE802.1l的MAC功能和PHY功能，并进行MIMO信号处理。同时，该芯片组嵌入了IEEE802.1l的安全功能加速器及服务质量（QOS）保证电路。
如图2所示，数控PDA的主设备是由微处理器和IEEE802.11芯片组构成。IEEE802.11芯片组接受来自主机的控制指令，经过基带控制器的处理后命令无线收发器发出2.4—5.0GHz带宽的无线电波。
IEEE802.11芯片组和主机的连接可以通过USB、MINIPCI，CARDBUS，从而省去所需外部桥接器件。HCI（Host Controller Interface）的上层通信协议由主机负责处理，下层的通信协议则由芯片组內的基带层芯片与无线收发器芯片负责。数控PDA可与嵌入式机床控制器的802.11无线网卡进行数据传输和对数控机床进行控制。
由于把主要的系统管理功能、人机交互和数控编程等转移给了数控PDA，因而新型数控的机床控制部分比传统的数控设备简化了许多，近似于一个运动控制器和PLC。其硬软件配置主要满足伺服系统实时控制和机床I/O功能的要求，但它必须增加无线通信的功能模块。在硬件上，采用基于104总线的嵌入式工控PC机的体系结构。这种体系结构不仅能完全满足上述要求，而且具有体积小、结构紧凑、坚固可靠和成本低等特点，不失为一种较理想的选择。
2、数控PDA的软件结构
当前用于掌上电脑上的嵌入式操作系统有很多，较典型的有WindowsCE、PocketOS、PalmOS、Hope、嵌入式Linux等。WindowsCE.NET作为目前掌上电脑的是一个基于Win32应用程序编程接口（API）的操作系统。我们采用WindowsCE.NET和VisualStudio.Net分别作为数控PDA的操作系统平台和应用程序开发平台。整个软件系统按功能模块进行设计。系统实现分为3个层次，分别是人机界面和系统管理层、数据组织与管理层、与上级服务器及下级嵌入式机床控制器进行通信的通信层。通信层包括了通信链路的建立、数据链路通信协议的实现、表示层的具体实现。数据库管理完成数据的建立、排序、检索与维护，实现真正的移动传输。系统的控制管理层是整个软件系统的核心，对于数控PDA来说，其功能和智能化程度的区别都反映在这一层上，系统功能的增减也均在这一层进行，包括程序的编译解释、调整、自动、诊断、参数设置、仿真等与用户操作有关的功能子模块。各功能模块通过无线通信程序与底层进行信息交换。其软件功能模块结构如图3所示。通信层采用串口，USB和无线通信口3种通信方式。串口通信方式采用RS232串行总线技术，全双工，传送波特率为57600bps；USB通信方式采用USB2.0高速通用串行总线，传送速率可高达480MbPS；无线通信方式遵循IEEE802.11通信协议，支持最高传输速率为54Mbps。整个系统的应用软件具有控制、数据处理.人机交互.网络通讯等功能。
四、新型数控中无线通信技术
1、802.11通信机制 目前常用的掌上电脑的无线联网方式有GPRS，IEEE802.11（Wi—Fi），蓝牙技术、家庭网络HOMERF等。这些方式各有优劣。IEEE802.11是1999年最新版本的无线局域网（WLAN）标准。与蓝牙协议和家庭网络的HOMERF标准相比IEEE802.11协议具有传输距离远，传输速度快等优点，是无线通信技术发展的主流。和其他IEEE802.X标准一样，802.11标准着重定义了物理层（PHY）和介质访问控制（MAC）子层。II三EE802.11的MAC层提供对无线共享介质的访问控制。除此之外，还提供支持无线传输和站点移动所必须的网络连接、认证、保密和电源管理等功能。近年来，802.11标准又扩展出802.1lb、802.1la、802.1lg等系列，这些扩展标准采用的是不同的物理层标准，使通信速率提高到11Mbit/s、22Mbit/s至54Mbit/s，但它们对MAC层协议没有重大改变。
2、新型数控中无线通信的具体实现方案
在新型数控体系结构中，数控PDA是通过IEEE802.1lx通信协议与车间服务器及机床控制器通信。根据机床控制系统的不同配置，其无线通信的实现方案也不同。主要有以下几种：
（1）数控PDA的无线模块和单片机数控系统相连的无线通信接口电路；
（2）数控PDA的无线模块通过与传统数控系统的RS232/802.11转换器相连接；
（3）通过数控PDA的无线模块与嵌入式机床控制器的802.1Ix无线网卡通信。
在单片机数控系统中，通过一种基于单片机无线通讯接口电路来实现数控PDA与单片机的无线通信。这种单片机无线通讯接口电路是由Micrel公司推出的单片发射器芯片（MICRF102）和单片接受器芯片（MICRF007）组成。工作在国际通用ISM频段300-400MHZ，具有ASK调制和解调能力，抗干扰能力强，非常适合于工业控制领域。同时它又具备频率稳定性好，接受灵敏度高，功耗底等优点。可以方便数控PDA与单片机之间的串行数据无线通信。其接口电路工作原理如图4所示。
对于传统数控机床来说，通常这些设备所提供的通信接口是普通的RS-232串行接口。如何使这些设备与数控PDA通信呢？一个经济、快速的解决方
案是，在传统数控系统的串行接口上外接一个RS—232/802.11转换器，将数控设备的串口RS-232信号与无线通信信号相互转换，使之符合IEEE802.11x通信协议。它使数控设备与无线局域网联网，有效地扩展了数控设备的联网通信能力，并且最终使固定的数控设备可以与自由移控动的数控PDA实现无线通信。总而言之一种基于IEEE802.11协议下的无线串口是网络环境下的数字化制造的重要趋势。其无线通信结构见图5所示。二者间无线通信的实现，实际上可以看作是用无线模块替代有线串口连接，亦既将两个无线模块组成的无线信道看成是一个两端口的设备。对两设备而言，串口通信时有线连接与无线连接的端子对应关系是一样的。用无线信道替代有线连接的通信程序编制也基本相同。
五、新型数控系统的关键环节
主动信息获取是智能寻位加工技术中最为关键的一个环节。主要以宏、微观结合（视觉结合触觉）測量，实现快速准确的信息获取。对于视觉系统而言，数控系统需要简单的点位操作，对视觉系统测取的结果进行分析，求取与预定目标位移差值，自动生成控制指令，调整视觉系统的相关变量，并控制工作台移动到新的位置，重复进行视觉测量及控制移动过程，直到使得工件位置满足视觉测量的基本要求，而后进行最终的工件位姿视觉测取。
对于触觉测量而言，在得知视觉宏观位姿信息以后，在测点及路径规划指导下，驱动工作台相对于测头作多坐标运动。在运动过程中连续检测环节不断获取测头的实际位置信息。当测头触碰到工件表面使其开关动作发出采样脉冲信号的瞬间，计算机对光栅系统反馈的连续运动信息进行采样，求得测头与工件接触点的准确坐标信息。
六、展望
如今，PDA（Personal Digital Assistant，个人数据助理）已在人们日常生活中，特别是在商业领域得到了广泛的应用。可以肯定的是，开发出适用于数控机床和车间应用的PDA——“数控PDA”和“车间调度PDA”同样会给机械加工带来极大的方便。内嵌的无线通信模块（蓝牙、802.11等）可以方便地与Pc机、数控机床组建微微网，实现数据交换和资源共享，通过建立强大的数据库系统帮助人们获得与加工、编程有关的信息（如NC程序），通过蓝牙技术以无线方式将加工程序发送给加工机床，并且无线操作机床进行零件加工。“数控PDAI，和“车间调度PDA'’作为车间底层的网络化制造的辅助设备和新一代可移动人机界面，将为构建人机协同的柔性制造单元FMC和柔性制造系统FMs创造条件。我们认为这是一个很有价值和发展前途的课题，值得认真进行探索。
七、结束语
综上所述，新型数控系统是企业发展的核心系统。因此，我们要根据实际情况，制定出合理的新型数控系统，确保企业的发展。
参考文献：
[1]赵峰，曾文海.蓝牙无线通信技术[J].信息技术与应用.2012（7）：16-18.
[2]陶波，丁汉，熊有伦.基于嵌入式Internet的工业控制[J].测控技术，2011，20（8）：37-41.