（机械电子工程专业论文）基于sep4020和嵌入式linux的dnc通信及监控平台研究与开发.pdf

中文摘要 摘要 随着制造业信息化进程的不断深入，生产制造企业对生产现场信息掌控提出 了越来越高的要求。d n c 系统作为一种低成本、高效率的实现企业信息集成和制 造设备远程监控的技术得到了空前的重视和发展。近年来嵌入式技术在工业控制 领域、移动通讯领域、家用电气及消费电子设备等领域中广泛应用，其硬件水平 及配套软件技术迅猛发展。本文研究嵌入式系统在d n c 通讯及数控设备数据采集 监控领域的具体应用。 首先针对客户需求，结合d n c 系统发展现状和生产现场实际情况，提出利用 嵌入式技术，结合开源、稳定的l i n u x 软件平台，以e t h e m e t 通讯技术为依托构 建四层网络结构的分布式d n c 通讯及监控平台方案。 东南大学国家专用集成电路系统工程技术研究中心设计的s e p 4 0 2 0 工业级 a r m 芯片，内嵌标准m m u ，集成1 0 1 0 0 m 自适应m a c 。以s e p 4 0 2 0 为硬件核 心，设计了系统的基本电路模块和系统监控模块。基本电路模块包括电源电路、 j t a g 调试电路、1 0 m 1 0 0 m 自适应以太网接口电路、串口电路及s d r a m 、n o r f l a s h 、 n a n d f l a s h 存储器外围电路。系统监控模块设计包括数控设备接口端主轴大电流大 电压传感器选型，伺服输出接口传感器选型，8 通道模拟量输入，1 6 通道数字量 输入电路设计。 实现嵌入式l i n u x 在硬件平台上的完整移植，包括工具链的编译、u b o o t 移植、嵌入式l i n u x 内核定制，r a m d i s k 根文件系统建立，基于f l a s h 芯片 的j f f s 2 文件系统及y a f f s 文件系统建立及n f s 网络文件系统构建。n a n d f l a s h 驱动程序设计、网卡驱动程序移植等工作。 以模块化思想设计了面向异构数控设备的通讯应用程序和多通道数字模拟量 采集程序，利用l i n u x 多线程技术完成系统多任务操作，实现了d n c 网络通讯 和数控设备状态监控功能的集成。开发基于w e bs e r v e r 服务器的远程人机界 面，实现嵌入式终端的远程控制、参数配置等功能。 最后研究了d n c 平台服务器集成管理系统体系结构，设计了d n c 智能终端 管理、用户管理、车间管理、集成与扩展四大主要功能模块。分析了数据库实现 技术路径，并对系统的扩展性做了进一步讨论。 关键词：d n c ，s e p 4 0 2 0 ，嵌入式l i n u x ，w e bs e r v e r ，状态监控 英文摘要 a b s t r a c t w i t ht h ef u r t h e rd e v e l o p m e n to fm a n u f a c t u r i n gi n f o r m a t i o np r o c e s s ，t h eh i g h e r d e m a n d sa r eb r o u g h tf o r w a r di nc o n t r o l l i n gt h ei n f o r m a t i o no fm a n u f a c t u r i n gf i e l d w o r k f o rm a n u f a c t u r i n gc o r p o r a t i o n t h ed n cs y s t e mg o ta nu n p r e c e d e n t e dp r i o r i t ya n d d e v e l o p m e n ta sal o w e r - p r i c e da n dh i g he f f i c i e n c e yd a t a - i n t e r g r a t e d a n dr e m o t e m o n i t o r i n gt e c h n o l o g y t h ee m b e d d e dt e c h n o l o g yi sw i d e l yu s e di ni n d u s t r y c o n t r o l d o m a i n ，m o b i l ec o m m u n i c a t i o nd o m a i n ，h o u s e h o l de l e c t r i c a la n dc o n s u m e de l e c t r i c e q u i p m e n ta n dm a n yo t h e rd o m a i n s ，t h eh a r d w a r ea n di t sm a t c h i n gs o f t w a r ea l s oh a sa s w i r ld e v e l o p m e n t t h i sp a p e rg i v ef o c u so nt h ec o n c r e t eu s eo fe m b e d d e ds y s t e mi n d n cs y s t e mc o m m u n i c a t i o na n dd a t ac o l l e c t i o na n dm o n i t o ro fn u m e r i c a l c o n t r o l e q u i p m e n t f i r s t t h i sp a p e ri sb a s e do nt h ec o n s u m e r s d e m a n d s ，c o m b i n e dw i t ht h ep r e s e n t d e v e l o p m e n to fd n cs y s t e ma n dm a n u f a c t u r i n gf i e l d w o r kc o n d i t i o n ，a n dt h e np u t f o r w a r do fu s i n gt h ee m b e d d e dt e c h n o l o g ya n di n t e r g r a t e dw i t ho p e na n ds t e a d y l i n u xs o f t w a r e p l a t f o r m t h ef o u r - l a y e r w e bs t r u c t u r e d i s t r i b u t i n g d n c c o m m u n i c a t i o na n dm o n i t o rp l a t f o r mb l u ep r i n tw e r ec o n s t r u c t e dr e l i e do nt h ee t h e r n e t c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y t h ei n d u s t r y - u s e da r mc m o s c h i ps e p 4 0 2 0 ，w h i c he m b e d d e ds t a n d a r dm m u a n di n t e g r a t e d 10 10 0 ms e l f - a d a p t i v em a c ，w a sd e s i g n e d b yn a t i o n a la s i cs y s t e me n g i n e e r i n gt e c h n o l o g y r e s e a r c hc e n t e ro fs o u t h e a s tu n i v e r s i t y s e p 4 0 2 0i st h ec o r eh a r d w a r e ，a n dd e s i g nt h eb a s i c c i r c u i tm o d u l e ，i n c l u d i n gp o w e rs u p p l yc i r c u i t ，j t a gd e b u gc i r c u i t ，h u n d r e dm i l l i o n s e l fa d a p t i v ec i r c u i to fe t h e r n e ti n t e r f a c ec i r c u i t ，s e r i a li n t e r f a c ec i r c u i ta n di t s c o r r e s p o n d i n gs d r a m ，n o r f l a s h ，n a n d f l a s hp e r i p h e r ym e m o r i z e rc i r c u i t a n da l s o d e s i g na n ds e l e c tt h em o d e lo fs y s t e mm o n i t o rm o d u l eh a r d w a r e ，a n ds e l e c tt h em o d e l o fn u m e r i c a le q u i p m e n ti n t e r f a c ee n do fi t sp r i n c i p a la x i sw i t hh i g hc u r r e n c ya n dh i g h v o l m g es e n s o r , s e r v oo u t p u ti n t e r f a c es e n s o rs e l e c t i o na n dt h ed e s i g no f8c h a n n e l s s i m u l a t e - i n p u ta n d16c h a n n e l sd a t ai n p u tc i r c u i t t h ee m b e d d e dl i n u xi sf u l l yt r a n s p l a n t e di nh a r d w a r ep l a t f o r m ，i n c l u d i n gt h e t r a n s l a t ea n de d i to ft o o lc h a i n ，u b o o tt r a n s p l a n t ，t h ei n n e rc o r et a i l o ro fe m b e d d e d l i n u x ，t h ec o n s t r u c t i o no fr a m d i s kb a s ed o c u m e n ts y s t e m ，t h ej f f s 2d o c u m e n t s y s t e mb a s e do nf l a s hc h i p ，a n dt h ec o n s t r u c t i o no fy a f f sd o c u m e n ts y s t e ma n d n f sw e bd o c u m e n ts y s t e m ，a n dt r a n s p l a n tt h ed r i v e rp r o g r a mo fn e t w o r kc a r d i i i 重庆大学硕士学位论文 t h ec o m m u n i c a t i o n a p p l i c a t i o np r o g r a m a n dm u l t i - c h a n n e ld a t as i m u l a t e c o l l e c t i o np r o g r a mu s e di nf a c e dh e t e r o c o m p o s i t i o nn u m e r i c a l - c o n t r o le q u i p m e n tw e r e d e s i g n e db yb l o c k i n gi d e a ，m u l t i - t a s km a n i p u l a t i o n i s c o m p l e t e db y l i n u x m u l t i t h r e a d i n gt e c h n o l o g y , a n dr e a l i z e dt h ei n t e g r a t i o no fd n cw e bc o m m u n i c a t i o n a n dm o n i t o rf u n c t i o no fn u m e r i c a l - c o n t r o le q u i p m e n t a n de x p l o i tt h el o n gd i s t a n c e m a n m a c h i n ei n t e r f a c eb yw e bs e r v e r , a c t u a l i z et h ef u n c t i o no fl o n gd i s t a n c ec o n t r o l a n dp a r a m e t e rc o l l o c a t i o no fe m b e d d e dt e r m i n a l f i n a l l y , t h ed n c f i a ts e r v e ri n t e g r a t i o ns y s t e ms t r u c t u r ew e r es t u d i e d ，a n dd e s i g n f o u rm a i nf u n c t i o n a l m o d e l s ，t h ed n ci n t e l l i g e n tt e r m i n a lm a n a g e m e n t ，u s e r m a n a g e m e n t ，p l a n tm a n a g e m e n ta n dc o l l e c t i o na n dd i s t r i b u t i o nf u n c t i o nw e r ei n c l u d e d t h et e c h n o l o g yr e a l i z a t i o no fd a t a b a s ew a sa n a l y s e d ，a n da l s oh a saf u r t h e rd i s c u s s i o n o fs y s t e me x p a n s i b i l i t y k e y w o r d s zd n c ，s e p 4 0 2 0 ，e m b e d d e dl i n u x , w e bs e r v e r ，s t a t em o n i t o r i v 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的盈。士学位论文塞丝瞠! 篮巡丝盟丝旦丝蚴搓狸 盈雾直五笈是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽 我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人己经发表 或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文 中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：之复巍 导师签名： 汤熟 签字日期：z 矽石罗 签字日期：二口护罗石罗 学位论文使用授权书 本人完全了解重庆大学有关保留、使用学位论文的规定。本人完全同意中 国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库出版章程( 以 下简称“章程 ) ，愿意将本人的 盈。士学位论文薹至鲤塑兰缓鲤硷式缅酊弱矿眈通信 厦堕捌笤蚴童亚爱提交中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社( c n k i ) 在中国博 士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库以及重庆大学 博硕学位论文全文数据库中全文发表。中国博士学位论文全文数据库、中 国优秀硕士学位论文全文数据库可以以电子、网络及其他数字媒体形式公开出 版，并同意编入c n k i 中国知识资源总库，在中国博硕士学位论文评价数据 库中使用和在互联网上传播，同意按“章程 规定享受相关权益和承担相应义 务。本人授权重庆大学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公开 论文的全部或部分内容。 作者签名：立笔磊 剧币答名汤红 导师签名：丝肇1 2 彤琴年占玛罗b 备注：审核通过的涉密论文不得签署。授权书一，须填写以下内容： 该论文属于涉密论文，其密级是，涉密期限至年一月一日。 1绪论 1绪论 1 1 课题研究背景及意义 计算机技术，网络技术以及数控技术的发展给制造业带来了空前的技术变革。 制造业竞争日趋激烈，想要赢得市场就必须在投入尽量小的情况下提高企业综合 实力，降低生产成本。加强企业生产过程管理。实施制造过程与管理过程的信息 化不但可以尽量减少甚至避免企业资源闲置，而且对于进一步合理安排企业资源 有重要的意义。 e r p ( e n t e r p r i s er e s o u r c ep l a n n i n g ) 为代表的管理信息系统，强调企业的计划 性。它们以客户订单和市场需求为源头，力求充分利用企业的各种资源降低库存， 提高企业整体的工作效率。而生产最关键的车间底层一一数控设备层的网络与信 息化就成为整个生产过程信息化的重中之重。数控设备层网络与信息化应用包括 设备的远程控制、远程故障诊断、设备资源异地共享和设备及生产现场的远程监 控等【1 1 。 制造业是为国民经济各个部门和国防建设提供技术装备的重要基础性产业。 国家如果没有发达的制造业作为基础就不会有国家综合国力的提升，就不会有国 家的繁荣与富强。而在制造业中数控技术是其基础和关键的技术，它集传统的机 械制造技术、计算机技术、成组技术与现代控制技术、光机电技术于一体。它的 广泛使用给制造业的生产方式、产业结构、管理方式带来了深刻变化，它是制造 业实现自动化、柔性化、集成化的生产基础，现代的c a d c a m ，f m s ，c i m s 等都 建立在数控技术之上【1 1 。数控设备是企业的重要设备资源，是尖端工业( 信息技术 及其产业、生物技术及其产业、航天、航空与航海等国防工业产业) 的最基本装 备。我国的数控设备现状如下： 2 0 0 1 年我国数控机床拥有量1 4 万台，2 0 0 7 年我国拥有数控设备约7 0 万台； 2 0 0 8 年达到约8 0 万台。数控设备占的比重在制造业中逐年增多，发展形势迅猛【2 】。 数控设备在实际生产中的应用越来越广泛。 我国数控设备的使用率偏低，平均利用率约为4 0 【2 】。信息加工信息交流不 畅，生产部门不能及时获得机床使用信息，从而降低了机床的使用率是造成数控 机床利用率低的主要原因。 从以上情况来看，如何对数量较多的数控设备进行有效地管理、控制和提高 设备的利用率就成为急需解决的一个问题。同时，制造业在现代全球统一大市场 的环境下，竞争越来越激烈，为获取有利的竞争地位，不得不采用新技术，以提 高生产效率、降低成本，并且能够快速提供满足客户需要的产品。在这种使用现 重庆大学硕士学位论文 状和市场环境要求下d n c 技术应运而生。 d n c ( d i r e c tn u m e r i c a lc o n t r o lo rd i s t r i b u t e dn u m e r i c a lc o n t r 0 1 ) 通常指直接 数控或分布式数控，即用一台或多台计算机对若干台数控机床进行综合数字控制， 完成制造数据传输、机床状态监控等功能的一种方法【3 1 。美国电子工业协会 ( e l e c t r o n i ci n d u s t r i e sa s s o c i a t i o n 。e i a ) 给d n c 系统的定义为：“d n c 是一个为按 要求向各台机床分配数据，并将一组n c 程序与存储零件程序或机床程序的公用存 储器连接起来的系统”。 4 d n c 数据采集和状态监控系统作为m e s 信息的主要来 源，可及时准确地了解企业的设备运行、产品加工生产过程情况，减少中间环节， 降低人为因素的影响，对于科学地编制生产计划提供准确可靠的技术数据，加强 生产过程的透明度。还可大大降低各种干扰对系统的影响，使车间在适应产品种 类变化、缩短生产周期、提高产品质量、实现准时生产、合理利用资源、减少在 制品和库存、敏捷地满足市场需求等方面获得改善，从而提高车间的综合生产能 力5 】【6 】。 在嵌入式底层技术的日趋成熟，嵌入式设备应用也日益广泛。越来越多的自 动化设备向网络化、智能化、小型化方向发展。嵌入式技术在此有了很大的发展 应用空间【7 1 。 本课题正是针对解决实际问题的需要和适应网络化制造模式的发展趋势，对 d n c 网络构建及数控设备网络监控、信息传输等技术进行研究分析的基础上，开 发出基于嵌入式技术及嵌入式操作系统的块化功d n c 产品。对于网络信息化制造 技术的开发有较强的实际意义。 1 2 嵌入式技术介绍 1 2 1 嵌入式系统概念及应用现状 嵌入式系统( e m b e d d e ds y s t e m ) 是以应用为中心，以计算机技术为基础，软 硬件可剪裁，适应于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的 专用计算机系统【8 】。 随着计算机软硬件技术在最近十几年的迅猛发展，嵌入式技术作为一个新的 发展方向越来越体现出其优势，同样得到了迅猛的发展。由于嵌入式系统体积小、 性能强、功耗低、可靠性高及功能单一等突出的特征，目前在均军事国防、网络 通讯、工业控制、个人消费电子、家电等领域得到了广泛的应用【8 】。 日常生活中使用嵌入式技术的电子产品无处不在，m p 3 、手机、p d a ，机顶 盒、网络家电、车载电子设备。工业领域里的应用也很广泛：过程控制、自动化 仪表、数控机床、医疗仪器、机器人等等。嵌入式技术的广泛应用逐渐在改变着 传统的工业生产和服务方式。 2 1 绪论 1 2 2 嵌入式系统组成 通常嵌入式系统由嵌入式处理器、嵌入式外围设备、嵌入式操作系统和嵌入 式应用软件几大部分组成桫j 。 嵌入式处理器 嵌入式处理器是嵌入式系统硬件的核心。它的最大特点是针对不同功能划分 不同的芯片类型，把普通计算机主板上的功能都集成在一个c p u 芯片上。使系统 的可靠性、小型化设计得到保障【9 l 。 嵌入式处理器分为低端的嵌入式微控制器( m c u ) 、中高端的嵌入式微处理器 ( e m p u ) 、常用于计算机通信领域的嵌入式d s p 处理器( e d s p ) 和高端的嵌入 式片上系统( s o c ) 【9 1 。 嵌入式微控制器就是单片机，一块芯片集成了整个计算机系统。一个系列的 单片机内核都是相同的，根据不同的外部设备不同，产生了同一个系列的不同型 号。这样可以使同一个单片机内核满足不同客户群体的需求。 嵌入式处理器建立在普通计算机c p u 的基础上，主板设计根据嵌入式需求定 制，这样可以降低功耗、实现小型化设计。嵌入式处理器可以根据用户需求在抗 干扰、工作环境温度范围等方面进行加强。可靠性较高，但是存储设备和总线接 口都设计在电路板上，技术保密性较差。 d s p 处理器主要针对数字滤波、f f t 、谱分析等领域设计的微处理器。为了适 用于d s p 算法，d s p 处理器的结构与指令是经过单独设计的。嵌入式d s p 处理器 有两个发展来源：一是d s p 处理器的单片化，如t i 的t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 c 5 0 0 0 ；二 是在s o c 或单片机基础上加入d s p 功能，如i n t e l 的m c s 2 9 6 和i n f i n e o n ( s i e m e n s ) 的t r i c o r e 10 1 。 s y s t e mo nc h i p ( s o c ) 片上系统，各种处理器内核成为s o c 公司的标准库，用 户可以根据需要定制自己的c p u 。通过v h d l 等语言进行编程实现。用户只用描 述要求的应用系统并进行仿真，就可以制作对应的半导体样品。大部分的外设都 可以集成到一个或几个芯片中，提高系统可靠性、保密性和功耗【l 。 嵌入式操作系统 嵌入式应用系统中，嵌入式操作系统是使系统开发更为方便、便捷的稳定、 安全的软件模块集合【l l 】。为了使嵌入式开发更方便、便捷，需要具有一定的稳定、 安全的软件模块集合，即嵌入式操作系统。用以管理存储器分配、中断处理、任 务间通讯和定时器响应，以及提供多任务处理等。嵌入式操作系统的引入大大提 高了嵌入式系统的功能 1 1 1 【12 1 。 一般情况下，嵌入式操作系统可以分为两类，一类是面向控制、通信等领域 的实时操作系统，如w i n d r i v e r 公司的v x w o r k s 、i s i 的p s o s 、q n x 系统软件公司的 重庆大学硕士学位论文 q n x 、a t i 的n u c l e u s 等；另一类是面向消费电子产品的非实时操作系统，这类产品 包括个人数字助理( p d a ) 、移动电话、机顶盒、电子书、w e b p h o n e 等。以下介绍几 种常用的嵌入式操作系统。 嵌入式l i n u x ，其最大的特点是源代码公开并且遵循g p l 协议【1 3 】。据i d g 预 测，嵌入式l i n u x 将成为未来嵌入式操作系统的主力军。未来五年内，可能会有超 过5 0 的市场份额【1 3 】。嵌入式l i n u x 的最大特点是源代码公开，在客户应用时可 以根据自己的需求进行修改。大部分遵从g p l ，不用缴纳许可费用。只要懂得 u n i x l i n u x 和c 语言就可以对系统进行开发。l i n u x 本身具有稳定的优点。内核精 悍，运行所需资源少，十分适合嵌入式应用【l3 1 。此外，l i n u x 的架构是参照u n i x 系统而来，因此l i n u x 也承袭了u n i x 强大的网络功能。 v x w o r k s 操作系统是美国w i n d r i v e r 公司于1 9 8 3 年设计开发的一种嵌入式实 时操作系统( r t o s ) ，是t o r n a d o 嵌入式开发环境的关键组成部分【l3 1 。 v x w o r k s 具可裁剪、任务管理高效、任务通讯灵活以及微秒级的中断处理等 功能特点【l3 】；具有标准的t c p i p 网络协议。v x w o r k s 价格十分昂贵。建立一个可 用的开发环境一般需要1 0 万人民币以上【l 引。使用v x w o r k s 操作系统成本十分高 昂。 w i n d o w sc e 与w i n d o w s 的兼容性是w i n d o w sc e 推广的一大优势。w i n d o w s c e 的特定嵌入式目标群体是移动式设备、小容量产品吗、智能化产品。专门为嵌 入式平台设计了多线程、多任务处理机制。 w i n d o w sc e 存在很多技术上的缺陷，源代码不公开，很难实现产品定制，运 行时系统占用内存资源比较大。效率和功耗方面并不出色。成本也比较高。 i t c o s - - i i 是著名的源代码公开的实时内核，是专为嵌入式应用设计的，可用 于8 位，1 6 位和3 2 位单片机或数字信号处理器( d s p ) 1 4 】。 该系统源代码公开，可以再不同的硬件平台上进行移植。源代码用c 语言编 写，不需要专门开发人员。采用占先式内核设计，系统根据任务优先级进行任务 操作与调度。最多可以管理6 4 个任务。由于是实时内核，系统只提供一些a p i 接 口，其他很多工作需要开发者自己完成【l 们。 嵌入式外围设备 指在一个嵌入式硬件系统中，除了中心控制部件以外的完成存储、通信、调 试、显示、等辅助功能的其他部件。根据外围设备功能可分为以下三类： 1 ) 存储器：静态易失型存储器( r a m s r a m ) 、动态存储器( d 洲) 和非 易失型存储器( f l a s h ) 。其中，f l a s h以其可擦写次数多、存储速度快、容 量大、价格低等突出的有点在嵌入式领域得到广泛应用。 2 ) 接口：应用最广泛的包括并口、r s 2 3 2 串口、i i c 总线接口、u s b 通用串 4 1 绪论 行总线接口、e t h e m e t 网口等。 3 ) 人机交互：l c d 、键盘和触摸屏等人机交互设备。 1 3d n c 发展现状及趋势 关于d n c 技术的研究在2 0 世纪6 0 年代就开始了，早期的d n c 称为直接数 字控制。指将若干台数控设备与一台中央计算机相连，中央计算机负责数控程序 管理和传送。该种结构严重依赖中央计算机，中央计算机的故障将使整个系统陷 入瘫痪。进入2 0 世纪7 0 年代，依赖于数控系统存储容量的扩大，处理速度的提 高。中央计算机不再实时传送控制信息【l5 1 。而是把程序传给c n c 的存储器。实时 分享一台计算机来实时传送程序的情况几乎没有了，现在所说的d n c 主要指分布 式数控。2 0 世纪8 0 年代以来，c a d c a p p c a m 、计算机辅助n c 编程技术、c i m s 等技术的发展，d n c 的功能在不断扩大。d n c 传送的数据也不仅仅局限于n c 程 序。还包括如n c 处理程序、刀具装备指令等等。此时，d n c 除了传送制造数据 以外，d n c 还担负起了过程监控数据采集及与工厂计算机通信的任务。随着各种 相关技术的发展，d n c 技术也在不断的趋于完善，并演变程生产准备和制造过程 中设备信息互连的一种技术【l5 1 。 2 0 世纪8 0 年代以来，随着数控机床的发展，数控系统的接口趋于向统一的串 口方向发展，d n c 系统的软件研发主要以通信和车间管理软件为主，比较著名的 通信软件有x p e r td n c m u l t id n c 、c i m c od n c 、d n c 4 0 0 0 、p r e d a t o r d n c 等【1 引， 这些软件都是针对串行技术开发的，支持多台机床同时通信，具有程序管理、断 点续传等功能。 随着相关技术的不断发展，d n c 技术的发展研究重点也在不断地发生变化。 目前对d n c 技术的研究主要集中在d n c 接口技术研究、d n c 结构和通信模式研 究、d n c 系统中数据采集与信息监控技术研究等l l7 1 。 1 4 课题研究来源及意义 本论文课题来源为重庆某装备制造厂“d n c 集成及刀具管理系统”中“d n c 集 成通信及监控子系统”。该厂的数控设备较多，数控设备主要以f a n u c 、h a s s 、 s i e m e n s 、h e i d e n h e i n 、m a z a k 等为主。工厂为了合理安排数控设备使用， 提高生产效率，保证产品加工质量，加强对数控设备和车间的管理，决定对其未 联网的数控设备通过联网进入d n c 集成网络，同时要求实现数控机床的数据采集 和状态监控，提供信息给信息中心、工艺处等相关部门。以确保公司生产安排合 理，计划决策执行到位。 本课题的意义主要体现在以下几个方面： 重庆大学硕士学位论文 详细了解车间生产状况。d n c 通信及监控子模块对机床运行实时信息进行 采集并进行合理分析。使各级管理人员可以随时掌控现场加工情况，提高企业信 息化水平，为企业管理人员决策提供可靠信息源。 监控系统通过监控数控设备运行状况，及时了解现场设备的故障、闲置、 加工情况。可以使车间维修人员迅速查找故障历史档案及故障排除方法，快速到 达故障机床现场排除故障。生产计划安排人员可根据机床闲置情况合理安排生产 计划。 d n c 集成管理系统的通讯管理功能( 基于目录列表方式的程序下载功能和 增量坐标下带刀具补偿的数控程序断点续传功能) 降低了工艺人员和生产者的劳 动强度，提高了生产效率，避免人为原因造成的失误。高效管理制造车间的数控 设备被，大大提高车间信息化水平，提高企业竞争力。 数字技术日新月异的发展使嵌入式处理器在越来越多的领域应用。嵌入式 技术的应用，成为这些系统的关键技术和主要增值因素。也是未来企业竞争力的 体现。将嵌入式技术应用于d n c 领域中，研制出高性能，相对低成本的嵌入式 d n c 通信监控产品，在此基础上实现数控设备联网和数控设备信息采集及监控， 使企业信息化，生产自动化跃上一个新台阶。显著提高企业竞争力。 因为本课题背景实时地点的数控设备使用情况、使用数控系统的型号，在 广大数控设备用户群中有普遍性。所以研制出一种可靠、高效、相对成本较低的 d n c 产品对d n c 技术在更大范围内的推广、应用有重要意义。 6 2 系统总体方案提出 2 系统总体方案提出 2 1 系统总体需求 考察厂方具体情况，对d n c 状态监控系统的通信网络和系统功能提出了具体 的要求。 网络通信需求 要求d n c 系统按中心主服务器和车间服务器两级进行配置，实现车间服务器 与车间工艺组以及相关部门的网络互通。 1 ) 提供基于工业以太网的d n c 系统，实现对f a n u c 、h a s s 、s i e m e n s 、 h e i d e n h e i n 、m a z a k 等品牌各异数控系统的有效集成。 2 ) 实现多台数控设备同时在线顺畅加工，并有断点续传功能。 状态监控需求 1 ) 监控机床正常运行、正常暂停、故障运行、故障暂停、关停机等状态信息。 2 ) 监控机床报警详细信息，如报警号、报警信息、报警时间等。 3 ) 监控在线加工和离线加工的n c 程序名、程序段号。 4 ) 监控加工机床实时主轴转速、主轴功率、主轴功率负载率、进给倍率。 5 ) 监控当前设备加工零件名。 管理功能需求 1 ) 对d n c 传输n c 命令格式错误、程序对比错误进行显示。 2 ) 分类查询功能：对所有机床、每组机床或每台机床的运行结果进行查询， 对设备的自动操作时间、设定时间、报警时间、无功时间等以圆饼图方式( 主要 查看各种设备在各个状态下的比例) 或水平棒状图( 表现设备时间或种类上的差 别) 统计显示。对每台机床在任意时间段( 月、周、天、小时) 的主轴载荷和转 速进行查询，在选定时间范围内的运行状态等以线性图方式统计显示( 监控设备 使用率及生产任务分配信息) 。 3 ) 日志功能需求：对操作者当天运行d n c 系统时所执行的各种功能的操作 进行技术记录，产生日志，并每天实时对数据进行备份。 扩展及集成功能 能够与c a p p 系统、刀具管理系统、生产管理系统等进行资源共享，最终实 现各系统的有效集成。 2 2 现场情况分析 针对需方提出的要求，我们对现场的需求进行了调研，对厂区和车间的实际 7 重庆大学硕士学位论文 情况进行了分析。 网络方面，望江工业公司建有公司局域网，该局域网目前能够实现信息中 心、厂部各个机构和各车间的工艺组之间的网络互联。车间工艺组和车间暂无计 算机网络连接。 数控设备方面，车间数控设备种类较多，自动化程度和数控系统的开放性 也参差不齐。包括智能化加工中心，也有经过改造后的经济性数控机床。包括 f a n u c 、三菱、h e i d e n i - i e i n 、s i e m e n s 、s w a i 、f r g o r 等品牌的不同型号数 控设备。 1 ) 通讯接口方面 f a n u c l 6 i 1 8 i 、s i e m e n s8 4 0 d 等高档数控系统，不仅具有r s 2 3 2 c 串行通 讯接口，还具有d n c 通讯接口和网络接口。 d n c 通讯接口可以直接在d n c 工作站和数控系统中插上相应的d n c 接e l 卡 并运行相应的软件来实现广义d n c 的功能，也可以实现系统状态采集和远程控制； 网络接e l 通过直接在d n c 工作站和数控系统中插上相应的m a p 3 0 等网络通讯接 口卡并运行相应的软件就可实现数控系统的局域网连接方式和数控系统所带的各 种d n c 功能。 普通的数控机床如等只具有r s 2 3 2 c 串行通讯接口，普通数控系统只能外加 d n c 通讯及监控装置才能实现在线和离线加工方式下的设备信息的实时采集和状 态监控。 2 ) 采集通道接口 数控设备主要采用的私服系统有s i m e n s 、三菱、松下、安川等品牌。伺服驱 动器提供模拟量输出电机转矩、转速、负载率等参数。通过外部引线方式，可实 现对伺服电机转速、转矩、负载率检测。 还有小部分数控设备伺服系统没有采用带模拟量输出的伺服系统，经过现场 勘察，工厂技术资料保存完好，具备外接主轴电压电流传感器采集主轴电压电流 施工条件。各个数控系统面板差别较大，但都具备方便提取倍率开关信号、程序 起停信号、电源开关信号等施工条件。 多数数控系统采用p l c 实现i o 口管理，根据厂方提供技术资料可以根据需 要提取报警信号、工件计数信号等数字量信号。 2 3 系统方案的提出 根据实际的需求分析及现场情况分析，有几种方案可供选择： 标准p c 方案：每台数控机床配置一台标准p c 机，p c 机通过r s 2 3 2 串行 通讯接口与数控设备进行联网，中心服务器由交换机作为转接与数控设备p c 构建 8 2 系统总体方案提出 局域网。该系统优点是系统执行速度快，可执行复杂任务，缺点是成本昂贵，占 用体积庞大，功耗大。 串口以太网转接口方案：购买串口与以太网转接接口，接口不执行任务， 只进行机床串口与车间局域网的连接。该方案优点是施工简单，缺点是功能简单。 只能实现基本传输功能。 嵌入式方案：定制嵌入式产品，满足用户需求。该方案优点是执行速率较 高，可根据用户需求定制功能，带有操作系统，便于文件管理，占用体积小，功 耗小，施工简单，成本较低，缺点是要求一定得技术研发能力。 根据以上比较，结合现有技术实力。提出以下的嵌入式系统实施方案。及d n c 通信及监控平台研发路线。 2 31 网络构建 以工业以太网为通信平台，采用四层网络结构。 第一层：中心服务器，第二层：车间服务器，第三层：d n c 通信及监控平台， 第四层：数控机床。网络拓扑结构如图21 所示。实现第一层中心服务器与第二层 车前服务器的通讯，通过厂区局域网连接车间服务器连接在工艺组的厂区局域 网接口上。 愈翁龠 一嘭 蜊四 壁兰盘镱垒 下b 下b _ p b 严b 鬻蓦羞鬻鬻 重庆大学硕士学位论文 第二层车间服务器和第三层d n c 通讯及监控平台的通讯，采用星型结构局域 网。有两种解决方案： 现场总线结构。优点：传输速度快，布线简单。缺点：因为现场设备多， 采用此种方式增加服务器数量，导致成本上升。需要专门总线接口卡，软件实现 困难。 工业以太网技术，采用t c p i p 通信协议。优点：使用广泛，很多嵌入式 操作系统有强大的网络功能，便于开发与集成。1 0 0 m b p s 传输速率以太网技术在 现有科研水平下实现已经具备成熟的条件。缺点：布线不及现场总线结构简单( 但 总体成本较低) 。 综合以上各方面我们采用工业以太网技术进行组网。由于车间电磁辐射大， 为了增强系统的稳定性，我们采用超五类屏蔽双绞线进行网络的组建，各通信设 备采用屏蔽线接地，d n c 智能终端采用密封金属外壳，防止电磁干扰。有些机床 距离车间服务器较远，为了保证数据的无错传输，采用级联以太网交换机的办法， 增加网络的连接距离。 第三层d n c 通讯及监控平台的通讯与第四层数控设备的通讯采用点对点结 构，标准r s 2 3 2 c 串行通信。这是因为，几乎绝大多数数控设备都具有串行接口， 并且有些只具有串行接口。为了增强系统的通用性，便于整个系统的管理和维护， 统一采用串行通信。 2 3 2d n c 嵌入式终端硬件方案 需求分析可知d n c 通讯及监控平台主要实现两个模块化功能：一、高速通讯 功能，包括与上层计算机服务器的以太网通讯以及与数控设备r s 2 3 2 串口通讯。 二、数据监控功能，包括对模拟量采集a d 转换、g p i o 口信号的采集。同时要完 成数据存储及管理。图2 2 是数据嵌入式d n c 通讯及监控平台的硬件结构框图。 i 竺辟 区 巨卜 东苍 s e p 4 0 2 0 s d r a m 阻一 3 2 m n 叫 n o r f l a s h ”一 4 m 卜1 图2 2 硬件结构框图 f i g 2 2t h es t r u e tb l o c kd i a g r a mo fh a r d w a r es y s t e m 1 0 2 系统总体方案提出 平台采用s e p 4 0 2 0a r m 微处理器为核心，完成数据的传输处理功能。通过 r s 2 3 2 串口与数控系统进行通讯，通过工业以太网完成d n c 终端与中心服务器的 通讯任务。f l a s h 存储器主要用于存放嵌入式操作系统和用户应用程序。s d r a m 存储器作为系统运行时的主要区域，s d r a m 主要用于存储系统及用户数据、堆栈。 复位电路完成系统上电复位或用户按键复位。有源晶振为系统提供工作时钟，通 过片内p l l 电路倍频为作为微处理器的工作时钟。j t a g 接口用于对系统进行调 试、编程等。以太网接口的采用为系统提供以太网接入的物理通道。串行接口电 路实现系统与其他应用系统的短距离双向串行通讯。a d 转换部分包括多路开关、 电平转换芯片、a d 转换器件，是模拟信号与c p u 之间联系的接口，将连续变化 的模拟信号转换为数字信号，便于处理、存储、控制和显示。键盘模块提供方便 的人机界面。 2 3 2d n c 嵌入式终端软件结构设计 嵌入式系统的软件系统可以分为以下几个层面【l8 】： 引导装载层 引导装载程序层包括硬件初始化( b