（机械电子工程专业论文）蓝牙与ad+hoc移动网络技术在新型数控系统中的应用.pdf

蓝牙与a dh o c 移动网络技术在新型数控系统中的应用 摘要 开放式的数控技术发展趋势必然导致智能化与网络化的要求，传统的解决 方案往往是基于专用p c 、采用有线网络与通信技术的方式来解决。随着数控技 术对智能化、网络化要求的进一步提高，同时有线通信技术缺陷的不断暴露， 这种方案已经不能满足我们对数控系统丌放性的要求。而随着移动通信技术和 智能掌上设备的飞速发展及其应用领域的不断拓宽，将它们应用到工业控制领 域已经越来越成为可能。 在这种背景与前提下，我们提出了一种采用无线网络与移动通信技术，在 智能手机( s m a r t p h o n e ) 支持下架构的基于无线和移动环境的新型数字制造模 式。它由两部分组成，即基于w i n d o w sc e n e t 的嵌入式机床控制器和基于智 能手机的移动控制器，两者通过无线技术进行联网并通信。这种模式把以机器 为中心的操作模式变为以人为中心，使操作更加灵活可靠，并实现了一人多机， 真正做到分布式与可移动性的合理整合。 本文主要讨论的是新型数控系统中这种无线技术的选择与应用实现。首先 结合数控的发展趋势及国内外的发展现状，比较了当前比较流行的几种无线技 术，并最终选定蓝牙技术来实现机床控制器与智能手机间的通信。同时分析介 绍了监牙协议体系结构、剖面及软硬件结构等。重点介绍了蓝牙a dh o c 网络， 并分析了其在新型数控系统中的应用。对系统平台及开发工具做了选择。分析 了w i n d o w sc e n e t 对蓝牙的支持问题，包括蓝牙协议栈、剖面等的支持及其 部署配置。最终给出了蓝牙实现方案。 关键词：数控系统；a dh o c ；w i n d o w sc e n e t ；无线通信；蓝牙 t h ea p p l i c a t i o no fb l u e t o o t ha n da dh o cm o b i l en e t w o r k t e c h n o l o g yi nt h en e wc n cs y s t e m a b s t r a c t t h ed e v e l o p m e n to fo p e nn ct e c h n o l o g yw i l li n e x t r i c a b l yr e s u l ti nt h e r e q u i r e m e n tf o ri n t e l l i g e n ta n dn e t w o r k t h et r a d i t i o n a lm e t h o db a s e do nt h e s p e c i a lp cd e p e n d so nt h ew i r ec o m m u n i c a t i o na n dn e t w o r kt e c h n o l o g y a s t h en ct e c h n o l o g yh e i g h t e nt h en e e df o ri n t e l l i g e n ta n dn e t w o r ka sw e l la s m o r ea n dm o r e1 i m i t a t i o no ft h ew i r ec o m m u n i c a t i o na n dn e t w o r kt e c h n o l o g y i se x p o s e d ，t h i sm e t h o dc a nn o tm e e to u rd e m a n da n ym o r e a l o n gw i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n to fm o b i l ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya sw e l la st h er u s h i n g o fs m a r tp o c k e td e v i c e s ，i ti sm o r el i k e l yt o a p p l yt h e mt ot h ei n d u s t r i a l c o n t r o lf i e l d u n d e rs u c hb a c k g r o u n da n dp r e c o n d i t i o n ，an e wk i n do fc n cs y s t e mi s p u tf o r w a r di nt h i sp a p e r i t sc o m p o s e do ft w op a r t s ：t h ee m b e d d e dm a c h i n e c o n t r o l l e rb a s e do nw i n d o w sc e n e ta n dt h em o b i l ec o n t r o l l e rb a s e do n s m a r t p h o n e ，b o t ho fw h i c ha d o p tw i r e l e s st e c h n o l o g yt oc o m m u n i c a t ew i t h e a c ho t h e r t h i sm o d ec h a n g e st h o r o u g h l yt h em a c h i n e c e n t e r e do p e r a t i n g m o d et ot h eh u m a n c e n t e r e do n e i tm a k e st h eo p e r a t i o nm o r ef l e x i b l ea n d r e l i a b l ea n do n ew o r k e rc a no p e r a t em u l t i p l ec n cm a c h i n e s t h er e a s o n a b l e i n t e g r a t i o no fd i s t r i b u t i o na n da b i l i t yt om o v ei sa c h i e v e d i nt h i sp a p e r ，t h ew a yt oc h o o s ea n di m p l e m e n tt h ew i r e l e s st e c h n o l o g yi n t h en e wc n cs y s t e mi sd i s c u s s e di nd e t a i l f i r s t ，s e v e r a lp o p u l a rw i r e l e s s t e c h n o l o g i e si sc o m p a r e da c c o r d i n gt ot h ed e v e l o p m e n tt r e n do fn cs y s t e m a n dt h ed e v e l o p m e n ts i t u a t i o no fo u rc o u n t r ya n dt h ef o r e i g nc o u n t r i e s s ot h e b l u e t o o t hi sc h o s e nt oa c h i e v et h ec o m m u n i c a t i o no ft h ee m b e d d e dm a c h i n e c o n t r o l l e ra n ds m a r t p h o n e t h e nt h ea dh o cn e t w o r ka n dh o wt oa p p l yi ti no u rn e w c n cs y s t e mi sd i s c u s s e di nd e t a i l t h ec o m p o s i n go fh a r d w a r e ，p r o t o c o la n d p r o f i l eo fb l u e t o o t ha sw e l la st h ep r o g r a m m i n gm o d e la n dd e p l o y m e n ta r e i n v e s t i g a t e d ，w h i c ha r eb a s e do nt h ep l a t f o r mo fw i n d o w sc e n e t a tl a s t ， t h ei m p l e m e n t a t i o no ft h eb l u e t o o t ho ft h en e wc n cs y s t e mi sd i s c u s s e d k e yw o r d s ：c n cs y s t e m ；a dh o c ；b l u e t o o t h ；w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ； w i n d o w sc e n e t 图1 1 图1 2 图2 1 图2 - 2 图2 3 图2 4 图3 ，1 图3 2 图3 - 3 图3 - 4 图3 - 5 图3 6 图3 7 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图5 一l 图5 2 插图清单 基于移动控制的人机防同制造单元 新型数控系统体系结构图， 传统有线控制模式 蓝牙无线控制模式 蓝牙u s b 适配器 蓝牙串口适配器 蓝牙协议栈体系结构 蓝牙剖面及其相互关系 单芯片蓝牙模块的构成 协议栈及相关环境 典型的a dh o c 网络的多跳结构 利用蓝牙技术构成的不同类型网络 蓝牙散射网构造示意图 w i n d o w sc e n e t 支持的通信与网络的结构 w i n d o w sc e n e t 支持的蓝牙列表 w i n d o w sc e n e t 协议栈所支持的协议层及其结构 设置g n 参数 w i n d o w sc e n e t 下配置w e b 服务 w i n d o w sc e n e t 下蓝牙w e b 服务配置情况 应用程序结构框图 智能手机端部分应用程序运行结果图一届他他h博加射盟拍拍”如如铊“ 表格清单 表4 - 1w i n d o w sc e n e t 支持的蓝牙应用剖面 表4 2d o p o d a 5 7 5 外观及主要参数 2 8 3 3 独创性声明 本人声明所节交的学位论文是本人在导师指导r 进行的研究l 作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，l 文中不包禽其他人已经发表戏撰写过的研究成果， 也不包含为获得盒世j ：韭厶堂 或其他教育机构的学位或证b 而使f l f ；过的材料。与壬| 己一同 r = 作的同志对本研究所做的任侧贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名 f 日朗疑 签字日期：) z ，年r k jl - 7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文f 1 ；肴完全了解盒8 幽：些厶堂有关保留、使_ l 学位论文的规定，有权保留并向国 家有关部门战机构送交论文的复印什丰“磁盘，允许论文被奄阅和借阅。本人授权金艘上些厶堂可 以将学位埝文的全部或部分内辑编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位沦文。 ( 保密的学位论文在解密后适川本授权 s ) 学位论文作者签名 问酮簿 签字日期；日垂r 月1 7 j 学位论文作者毕业后去向： 兰等：竺：素南歌6 ：咤1 有陆盔习 通讯地址： 。 1 导师签名：多镌 签字日期：耐年f 月f 7 曰 电话 邮编 致谢 时光飞逝，弹指之间已三年。在我硕士论文即将完成之际，首先，我要感 谢我尊敬的导师王治森教授! 在近三年攻读硕士学位期间，王老师不但在课题 研究上给了我热心指导，而且在生活上也悉心关照。王老师充沛的精力、卓越 的学识、严谨求实的治学态度及诲人不倦的教学作风，给我留下了深刻的印象， 也是我今后工作与学习中的楷模。从开始收集论文材料到选题、丌题直到完成 论文的每个阶段，王老师都严格把关、耐心指导、细心审阅。同时，王老师对 人平和、亲切，在我困难的时候，给予了我鼓励和帮助。在此，我要再次向王 老师致以最诚挚的敬意和最衷心的感谢l 其次，要感谢合肥工业大学c i m s 所韩江、夏链、何高清、余道洋等老师。 他们丰富的实践经验、以及忘我的工作精神给我留下了深刻的印象，令我敬佩 与叹服。 感谢我的同学章建科、姜峥蝾、成勇、潘斌、姜晓林、陆荣峰、王建兵、 程治、郭建强，使得我能够在平时学习过程中与他们互相交流、互相帮助、不 断提高。与他们相处成为了我读研阶段难忘的时光。 感驸我的师兄董博麟、高荣、蒋克荣博士在我项目的开展以及论文的撰写 阶段给予的帮助和支持，他们独到的见解使我得到许多宝贵的经验和启发，让 我受益匪浅。 感谢师弟黄晓峰、孙芒、王向阳、张国权、张栋栋、苏志远，师妹陈为伟 等给我的帮助，衷心祝愿各位学业有成，前程似景! 再次，要感谢各位老师、同学在我读研阶段生病期间给予的照料与鼓励。 是大家的关怀，使我尽早的战胜病痛，重新回到我们这个友好的团队中来。 最后，特别要感谢父母的养育之恩! 是父母亲数十载的不辞劳苦、任劳任 怨地辛勤付出、如既往地期待和支持，使我得以完成学业。对他们的感激之 情无法言表，我只有在今后工作、生活和学习中用辉煌成绩来回报他们的殷殷 之情。 作者：周明发 2 0 0 6 年5 月 1 1 引言 第一章绪论 1 9 5 2 年，第一台数控机床由美国研制成功，这是机械制造行业的一次技术 革命，使得该行业的发展进入了一个新的阶段。从第一台数控机床问世到现在 的半个多世纪中，数控技术的发展非常迅速，几乎所有品种的机床都实现了数 控化。作为制造业大国，我国非常重视高新数控系统的研究与开发，因为它直 接关系到我国制造领域的竞争力水平，并进而决定了整个工业基础是否牢固。 在制定“十一五”发展规划时，我国就明确规定国民经济和国防建设所需要的重 大成套装备及高技术产业所需装备由国内制造和集成的比例在“十一五”期间要 有大幅度提高。例如国产数控机床国内市场占有率达到6 0 ，高端产品与国际 先进水平的差距缩小到5 年以内i l 】。另外，按数控机床产业发展专项规划， 未来五年机床工具行业将营造2 0 个数控机床产业化基地和为之配套的1 0 个基 础功能零部件产业基地，基地企业将享受国家政策和资金上的支持。规划中 明确，数控机床产业化基地企业所开发生产的新产品和高档数控机床产品实行 增值税返还政策1 2 j 。由此可见我国对未来开发高端、新型数控机床的的重视程 度。“高档数控机床与基础制造技术”已被列为我国国家中长期科学和技术发 展规划纲要( 2 0 0 6 2 0 2 0 年) 的重大专项1 1 1 。 1 1 1 数控技术发展趋势 要开发高新数控产品，首先得看清数控技术的发展趋势。数控机床的发展 经历了数控( n c ) 、计算机数控( c n c ) 两个阶段hj 。随着计算机控制技术、通信 技术和先进制造技术的发展，人们逐渐认识到专用c n c 系统之间的自成一体所 带来的互不兼容的弊端，因此开放式数控系统的概念适时地产生了。 i e e e ( i n s t i t u t eo fe l e c t r i c a la n de l e c t r o n i c se n g i n e e r s ) 对开放式数控系统定 义如下：能够在多种平台上运行，可以和其他系统互操作，并能给用户提供一 种统一风格的交互方式，且具有以下基本特征的数控系统能称之为开放式数控 系统【3 l ： ( 1 1 可互换性。构成系统的各硬件模块、功能软件的选用不受单一供应商 的限制，可根据功能、可靠性、性能要求相互替换，不影响系统整体的协调运 行。 f 2 ) 可伸缩性。c n c 系统的功能、规模可以灵活设置，方便修改。控制系 统的大小( 硬件或软件模块) ，可根据具体应用增减。 ( 3 ) 町移植性。系统的功能软件与设备无关，各种功能模块运行于不同的 控制系统内，即能运行于不同供应商提供的硬件平台上。 ( 4 ) 可扩展性。c n c 用户或二次开发者能有效地将自己的软件集成到n c 系统中，形懈的专用系统，功能的增减只需功能模块的装卸。 ( 5 ) 可互、性。通过标准化接口，通信和交互机制，使不同功能模块能以 标准的应用程序接口运行于系统平台之上，并获得平等的相互操作能力，协调 工作。 由此看出，开放式体系结构目标是要使数控系统有更好的通用性、柔性、 适应性和扩展性，并向智能化和网络化方向大力发展。因此开放式数控系统还 有对智能化与网络化的要求。 1 、智能化 当前数控系统需要的不仅是高性能，而且还需要许多智能化技术，如加工 运动规划、推理和决策能力以及加工环境的感知能力、制造网络、智能编程和 智能监控等。通过采用先进的自适应、自动调节技术和人工智能技术，使得数 控系统中具有模拟、延伸和扩展的智能行为和知识处理活动( 如自学习、自适 应、自组织、自寻优、自镇定、自识别、自修复和自繁殖等活动) 【4 】。 智能数控系统通过对影响加工系统的内部状态及外部环境的感知，快速做 出实现最佳目标的智能决策。通过对进给速度、切削深度、坐标移动和主轴转 速等工艺参数进行实时控制，使机床的加工过程处于最佳状态，保证产品生产 在最佳状态下达到生产率最副“。 2 、网络化 网络数控就是把数控系统网络化，通过i n t e r n e t i n t r a n e t 技术将制造单元和 控制部件相连，以实现网络制造和资源共享，并支持各种先进制造环境。网络 数控系统( n e t w o r kn u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m ) 是随着网络技术的发展新出现的 概念，它是一种以通信和资源共享为手段，以车间乃至企业内的制造发备的有 机集成为目标，支持开放式系统互联参考模型( o p e ns y s t e mi n t e r c o n n e c t r e f e r e n c em o d e lo s i ) 规范的自主数控系统。 网络数控作为实现全球制造的基础，不仅注重通信能力，同时也注重生产 管理能力，加强和企业资源管理( e n t e r p r i s er e s o u r c ep l a n n i n ge r p ) 、物料需 求管理( m a t e r i a l sr e q u i r e m e n t sp l a n n i n gm r p ) 等管理系统的集成。一个完善 的网络数控系统是集加工制造、生产管理、工艺设计、设备调度和网络控制为 一体，具有开放式体系结构的集成化制造控制和生产管理系统。在网络数控系 统中，可以有效利用企业局域网乃至广域网进行信息共享，实现企业的经营管 理和生产操作的无缝结合。数控系统的网络功能是传统数控功能的延伸，网络 化是数控系统丌放性内在的要求，它促进了数控系统的发展”j 。 时至今同，开放式的概念已经提出多年，各国在这方面也做了大量的工作， 2 但一直未能形成统一的规范与标准。开放式数控系统要实现自身所提出的目标， 还面临很多课题有待解决，如致性人机界- n ( m a n m a c h i n ei n t e r f a c em m i ) 、 以软件为基础的控制器、实时控制的开放与应用和网络功能的实现等。 1 1 2 国内外发展现状 国内外许多企业和政府研究机构在数控系统的开放性方面作了大量的研究 工作，由于国外丌放式数控系统的研究开始得早，投入也比较大，因此研究成 果显著。我国j ：t ：始得较晚，但是也取得了一定的突破性进展。 1 、国外的研究状况 国外从2 0 世纪8 0 年代开始提出了开放式数控的概念之后，各国相继启动 了自己的研究计划。其中最有影响的有美国的o m a c 计划、欧洲的o s a c a 计 划以及日本的o s e c 计划【j j 。 f 1 ) 美国的o m a c 计划 o m a c ( o p e nm o d u l a ra r c h i t e c t u r ec o n t r o l l e r s ) _ i , j 划是美国的通用、福特和 克莱斯勒三大汽车公司从1 9 9 4 年开始启动的。该计划旨在发挥美国在计算机科 学方面的领先优势，使得制造商和用户都有更大的主动性。该计划主要进行了 3 个方面的研究：新一代的控制器、低价控制器和开放化模块结构控制器的研 究。其成果以d e l t a t a u 公司推出的p m a c 多轴运动控制器最为有影响。 ( 2 ) 欧盟o s a c a 计划 o s a c a ( o p e ns y s t e ma r c h i t e c t u r ef o rc o n t r o l sw i t ha u t o m a t i o ns y s t e m s ) 计 划是1 9 9 0 年由欧共体2 2 家控制器开发商、机床生产商等联合提出的。该计划 分三个阶段：第一阶段完成o s a c a 的规范和应用指南的制定；第二阶段主要 丁i 二发系统平台的标准、通用的软件模块和通用的o s a c a 平台：第三阶段的使 命是推广o s a c a 思想及前两个阶段的技术成果，使之成为自动化领域的国际 标准。目前其主要成果有：定义了开放式数控系统的基本规范、拟订了数控系 统的统一结构、开发了第一批示范性的应用软件模块。该计划在技术上的显著 特点是注重实用，在实现系统的柔性、生产线管理和与车f 8 j 、工厂管理网络对 接方面有较好的性能价格比。对我国的数控机床技术如何发展，很有参考价值。 f 3 ) 同本0 s e c 计划 日本o s e c ( o p e ns y s t e me n v i r o n m e n tf o rc o n t r o l l e r ) 计划于l9 9 4 年由东芝 及三菱等6 家日本公司联合提出。o s e c 的开放性指系统能满足用户对制造系 统不同配置的要求、最小化费用要求和应用先进控制算法及基于p c 的标准化 人机界面的要求。目前其进展主要有：提出了开放式数控系统的参考模型，并 转化为实装模型；开发了基于p c 机的接口系统，提出并开发了o s e l ( o p e n s y s t e me n v i r o n m e n tl a n g u a g e ) 语占；开发了控制接口及语言处理器。 以上三个计划分别相应提出了三个不同的标准化软件模块，代表了国外对 丌放式研究的总体进展情况。但是，到目前为止，在世界范围内还没有形成统 一标准的硬件和软件平台以及标准的用户界面。 2 、国内的研究状况 我国的数控技术经过近四十年的发展，有了较大的进步。但目前的国内市 场中，中、高档产品主要被进口产品占据，而我国的产品主要占据的是较低档 的经济型数控机床市场。随着国际学术界对开放式数控系统研究的日益推进， 我国的相关研究也越来越受到重视。经过多年的技术攻关已经有一批产品和成 果涌现出来。 “八五”期间以来，我国相继丌发出了几种基于d o s w i n d o w s 平台的开 放式数控系统，包括有华中开发的华中i 型，北航推出的c h 系列数控系统， 珠峰公司的中华i 型以及南京四开公司的蓝天( s k y ) 系列产品。这些数控系统的 大部分产品基本都采用1 6 位或3 2 位的工业p c 机，以d o s 为其操作系统。由 于d o s 系统本身性能较差，因此基于d o s 的数控系统的功能和灵活性都受到 较大限制。目 j i ，以上四大公司都有基于w i n d o w s 9 x ，n t 的数控系产品面市， 并支持在w i n d o w s 平台上进行二次开发。 在接下来国家8 6 3 计划和科技攻关计划多年连续的支持下，我国基本掌握 网络化数字制造系统的基础技术，在网络化数字制造领域取得重要的进展。如 1 9 9 9 年，武汉华中数控股份有限公司率先推出了网络数控系统原型机，实现了 通过i n t r a n e t 远程操作控制异地数控机床。2 0 0 1 年的北京国际机床博览会上， 华中数控又与北京第一机床厂合作，展示了基于i n t e r n e t 的远程故障诊断技术； 与桂林机床股份有限公司合作，展出了由四台机床联网组成的远程控制技术。 这些都为网络环境下数控系统的研究开发奠定了良好的基础。之后，华中数控 又在江苏常柴股份有限公司，将其模具车间的5 台加工中心和一台仿形数控机 床联网，可在远程异地设计、编程，然后通过i n t e r n e t 网络传送和共享零件加 工程序，实现了c a d c a m c n c 的网络集成，大大提高了生产效率和设备的利 用率 “。 另外，在基于现场总线技术的开放式数控系统领域，我国也取得了一定的 成绩。例如，北京航空航天大学与北京市机电研究院合作，推出了基于p c 计 算机和s e r c o s 技术的开放式数控系统扣j 。 1 1 3 开放式面临的问题 开放式数控系统的本质是数控系统的开发可以在统一的运行平台上，面向 机床厂家和最终用户，形成系列化，并可将用户的特殊应用集成到控制系统中， 实现不同品种、不同档次的开放式数控系统。随着制造业各相关技术的发展， 4 目前对开放式系统最新的具体的看法包括1 5 】： ( 1 ) 开放式数控系统的硬件和软件都应是柔性的，它允许改变硬件的基本 配置，而软件更在所有控制级别上可以改变。 ( 2 ) 开放式结构系统的软硬件必须是真正“即插即用”的，如果产品必须 被“召凹”以安装新的硬件和软件，那就不是真正的开放式。 ( 3 ) 控制器必须是标准化的，以使第三方能在此基础上参与新硬件和新软 件的开发。 ( 4 ) 开放式系统允许第三方软件作为系统的部件增加进来，也就是说它是 一个标准系统，在这个标准上系统能在部件级别上与其它部件集成，并能共享 资料。 ( 5 ) 一个开放式控制系统能在系统的级别上同其它系统协同工作。 1 2 新型数控系统的提出 在这种背景下，针对开放式、网络化的要求，我们研究所提出了一种采用 移动网络与无线通信技术，在智能手机( s m a r t p h o n e ) 支持下架构的基于无线和 移动环境的新型数字制造系统f6 1 ，从而创建一种能够随时随地获取信息，充分 发挥“人的智能”和“机器智能”的人机协同工作模式，如图1 1 。 幽1 - 1 基于移动控制的人机协同制造单元 浚新型数控系统主要由两部分组成：一部分安装在机床上，称为机床控制 器，完成传统的运动控制和p l c 功能；另一部分安装在智能手机上，称为移动 控制器。原本数控系统的部分功能被转移到了智能手机上，由智能手机完成编 程、仿真、机床调整、下载加工程序以及现场数据采集、系统诊断和决策处理 等，从而实现智能化。智能手机和机床控制器之间通过无线通信技术进行联网 并实现近距离通信，从而实现网络化。一台智能手机能够同时控制多台数控机 床，构成一个人机协同的柔性制造单元m m c ( m a nm a c h i n ec o o p e r a t i v ec e l l ) 。 其成本不仅比传统的柔性制造单元f m c ( f l e x i b l em a n u f a c t u r i n gc e l l ) 大大降 低，而且更加灵活可靠，实现了分布式与可移动性合理整合。其体系结构如图 1 2 所示。在此我们要讨论的是这一新型数控系统中这种无线技术的选择与应 用实现。 ，、 数控机脒 智能手机 应用层 廊用壕程序l r 带h j ；口鲁f 。 ： 操作系统服务层 操作系统服务层 ： ： l 竺要璺坚一 无线通信 - 竿坠 一1 一 ， 物理链路 主机硬件k 1 3 课题来源及主要内容 1 3 1 课题来源 图1 2 新型数控系统体系结构图6 1 合肥工业大学c i m s 研究所多年来一直致力于数控系统的开发研究，已经 开发了多系列的数控系统。本课题来源于该所的国家自然科学基金项目“人机协 同的车间数字化制造模式一基于移动通信技术的车间数字助理和掌上数控的研 究”。该国家自然基金项目的研究内容主要有以下五个方面。 l 、基于移动通信技术的新型数控系统体系结构的研究： 2 、基于w i n d o w sc e n e t 平台的数控系统专用操作系统的研究； 3 、运行于上述平台上的嵌入式数控系统实时性和多线程并行机制的研究： 4 、无线通信技术在数控系统中的应用研究： 5 、掌上c n c 的人机工程学设计的研究； 1 3 2 本论文的主要内容 本论文主要研究蓝牙无线通信技术在这种新型数控系统中的应用与实现， 具体地说，主要有以下几点： ( 1 ) 讨论了当前数控技术的发展趋势及引入无线技术的可行性与必要性。 ( 2 ) 通过对多种无线技术的对比分析，讨论了为什么选用蓝牙技术。 ( 3 ) 研究蓝牙协议体系、剖面、软硬件结构等，为蓝牙技术在数控系统中 的应用打下基础。仔细介绍了蓝牙a dh o c 组网方式，并对这种方式在新型数 控系统中的应用进行了分析 ( 4 ) 讨论在w i n d o w sc e n e t 操作系统中对蓝牙的支持及其实现问题。 ( 5 ) 研究了w i n d o w sc e n e t 下蓝牙技术的丌发工具及开发途径。 ( 6 ) 在新型数控系统中实现基于蓝牙a d h o e 网络中的移动控制器与机床 控制器之间的的无线通信。 第二章无线通信技术的选择 本章主要介绍了几种常用的无线通信技术，通过比较阐述了蓝牙技术应用 于工业领域的相对优势，并最终选定蓝牙技术作为新型数控系统中的无线通信 方式，同时对蓝牙技术在工业中的应用作了简单介绍。 2 1 几种无线通信技术比较 随着科技的日新月异，短距离无线通信领域中诞生了众多的标准与协议， 其中最为引入注目的有蓝牙( b l u e t o o t h ) 、i e e e 8 0 2 1 l x 、红外( i r d a ) 、h o m e r f 、 h i p e r l a n 2 和超宽带( u w b ) 等。作为技术的前沿，这些技术之间存在着相互 竞争，但在某些实际应用领域它们又相互补充。 2 1 1 蓝牙技术 蓝牙( b l u e t o o t h ) 技术是一种短距离无线通信技术，工作在国际通用的2 4 o h z 的i s m 频段。它采用无线电射频技术实现设备之间的无线互连，有穿透能 力，能够全方位传送。主要针对网络中各种数据和语音设备，通过无线a dh o c 组网方式町将它们连成一个微微网( p i c o n e t ) ，多个微微网之间也可以形成分 布式散射网络( s c a t t e r n e t ) ，从而方便快速的实现各类设备之间的通信。蓝牙 技术具有全球可操作性，最大传输速率l m b i t s 。发射功率为l m w 时，有效距 离小于等于1 0 米，在增加功率的情况下可达到1 0 0 米。由于采用了跳频扩频 ( f r e q u e n c yh o p p i n gs p r e a ds p e c t r u mf h s s ) 技术，蓝牙技术具有非常可靠的数据 和语音传输能力。另外，蓝牙芯片尺寸小，功耗低，价格低廉，使得其应用越 来越广泛。 2 1 2l e e e 8 0 2 1 1 x i e e e ( i n s t i t u t eo fe l e c t r i c a la n de l e c t r o n i c se n g i n e e r s ) 8 0 2 1 1x 技术标准是无 线局域网的国际标准，同样使用2 4 g 的i s m 频段，版本众多，目前主要用到 有三个版本一8 0 2 1 1 a 、8 0 2 1 l b 、8 0 2 1 1 9 ，其中8 0 2 1 l b 目前最普及，也被称作 w i f i 技术，但在速度上最慢。i e e e 8 0 2 1 l x 协议主要工作在o s i ( o p e ns y s t e m i n t e r c o n n e c tr e f e r e n c em o d e l ) 的物理层和数据链路层，采用直接序列扩频( d i r e c t s e q u e n c es p r e a ds p e c t r u md s s s ) 技术进行调制解调，增强了抗干扰能力，提高 了传输速度，并使用动态速率漂移，以8 0 2 1 1 b 为例，其数据传输速率可根据 环境在1 1 m b i t s 、5 5 m b i t s 、2 m b i t s 、l m b i t s 之i 自动切换，有效通信距离 1 0 0 到3 0 0 米。i e e e 8 0 2 1 1 x 无线网络的最大优点是兼容性，终端设备只要装上 无线网卡，就可以访问所有网络资源，像使用有线局域网一样方便，却免除了 布线的麻烦。i e e e 8 0 2 1 l x 以其具有穿透能力，全方位传送，建网速度快，可 用来组建大型无线网络，运营成本低，投资回报快等特点，正逐渐受到电信制 造商和运营商的青睬，但目前此种设备还比较昂贵，妨碍了其推广和应用。 2 1 3h o m o r f h o m e r f 是专门为家庭用户设计的无线局域网技术。它也采用跳频扩频方 式，但跳频速率仅为5 0 跳秒，比蓝牙的1 6 0 0 跳秒低很多。其基本出发点是 用于组建家庭无线网络，以增强家用设备间的互联性和移动性。出于其技术没 有公丌、开放性不高，并且它在抗干扰等方面也存在弱点，因此应用前景受到 一定的影响。 2 1 4 lr d a i r d a 技术出现比较早，技术上已经相当完善，在目前无线连接市场所占份 额也是最大的。它采用红外线作为通信媒介，支持各种速率的点到点的语音和 数据传输业务。但其传输有效距离过短( 小于l m ) ，并且通信双方必须正对着， 即视距传输，且具有较高的背景噪声( 如日光等) ，不宜在室外使用会。这些缺 陷使其在无线通信中的应用受到了限制。 2 1 5h i p e r l a n 2 h i p e r l a n 是欧盟在1 9 9 2 年提出的一个w l a n 标准，h i p e r l a n 2 是它的 后续版本。h i p e r l a n 2 部分建立在g s m 基础上，使用频段为5 g h z 。在物理层 上h i p e r l a n 2 和8 0 2 1 1 a 几乎完全相同，它采用o f d m 技术，最大数据传输速 率为5 4 m b i t s 。由于该技术正处于成熟与完善阶段，虽然欧洲及日本的一些开 发商目前正在开发采用h i p e r l a n 2 标准的产品，但一直到现在为止还很少有较 成熟的产品问世。 2 1 6u w b u w b ( u l t r aw i d e b a n dr a d i o ) 起源于2 0 世纪5 0 年代木，长期以来一直以军 事用途为主，近些年才涉及民用。其性质类似于雷达，采用极短的脉冲信号来 传送信息，通常每个脉冲持续的时问只有几十皮秒到几纳秒的时问。这些脉冲 所占用的带宽甚至高达几g h z ，因此晟大数据传输速率可以达到几百m b p s ， 9 大概是唯一声称要达到与有线连接相同性能的无线技术。但是目前u w b 通信 仍存在明显的不足，主要问题是u w b 系统占用的带宽很大，可能会干扰现有 其他无线通信系统，因此u w b 系统的频率许可问题一直在争论之中；另外， 尽管u w b 系统发射的平均功率很低，但是由于它的脉冲持续时间很短，它的 瞬时功率峰值可能会很大，这甚至会影响到民航等许多系统的正常工作。u w b 还处在不断探索完善中。目前它的应用还存在比较大的局限性。 总的来讲，i e e e 8 0 2 1 t x 比较适于办公室中的企业无线网络；h i p e r l a n 2 适于高速率、多业务、多种网络结构的无线网络：h o m e r f 可应用于家庭中的 移动数据和语音设备与主机之间的通信；而蓝牙技术则可以应用于各种可以用 无线方式替代线缆的场合：i r d a 用于2 台( 非多台) 设备之间的视距连接； u w b 更多的是应用于1 0 米左右距离的室内。目前这些技术还处于并存状态， 但是有可能引起干扰等问题，从长远看，随着产品与市场的不断发展，它们最 终将可能走向融合j 。 2 2 蓝牙技术的选择 通过以上介绍，我们对这些无线通信技术有了一定的了解，但仅此还不够， 在查阅了大量资料后，我们最终把目标锁定在蓝牙与i e e e s 0 2 1 1 x 上。它们毕 竟属于不同的无线通信标准，所以其特性与应用也存在着许多差异【7 j ，所以在 考虑具体选择哪种技术时，还需要做进一步的比较，具体如下： 对标准的支持：i e e e 8 0 2 1 1 x 有无线以太网兼容性联盟( w e c a ) 的支持； 蓝牙有蓝牙特别兴趣小组( b l u e t o o t hs p e c i a li n t e r e s tg r o u ps i g ) 的支持。由于 各自存在强大的支持，两者的发展速度均极为迅猛。 工作频段：i e e e 8 0 2 1 1 x 和蓝牙都工作在国际通用的2 4 g h z 的i s m 频段。 技术上：i e e e 8 0 2 1 1 x 只支持数据通信，而且要进行无线数据通信，设备 先要安装有无线网卡；蓝牙技术具有一整套全新的协议，可以应用于包括语音 传输等更多的应用场合，如无线点菜、点歌系统，无线耳机等。 组网方式：i e e e 8 0 2 1 l x 适合于组建相对固定的局域网，且接近于有线局 域网的性能；而蓝牙技术实现的是a dh o e 网络，a dh o c 网络是一种能够临时 快速自动组网的移动通信技术，由于这种组网技术使得蓝牙的应用前景更加 广阔。关于a dh o c 网络我们将在下一章作具体介绍。 应用上：i e e e 8 0 2 1 1 x 的传输距离长、速度快，可以满足用户运行大量占 用带宽的网络操作：而蓝牙技术面向的却是移动设备问的小范围连接，因而本 质上说，它是一种代替电缆的技术。 稳定性：i e e e 8 0 2 1 l x 容易受到外来信号的干扰：与其它工作在相同频段 的系统相比，蓝牙跳频更快，数据包更短，因此蓝牙比其它系统稳定。 系统安全：只要具有i e e e 8 0 2 1 1 x 装置，每个人都可以使用无线网络，因 此必须考虑网络安全问题；而对蓝牙而言，其基带部分在物理层为用户提供保 护和信息保密机制，因此相对更为安全。 成本及功耗：与蓝牙相比，i e e e8 0 2 1 l x 的射频和基带协议较为复杂，实 现成本高；而蓝牙芯片却不到5 美元。另外，i e e e8 0 2 1 1 x 的硬件实现需要较 大的容纳空间，不能像蓝牙模块一样植入电子设备当中。并且i e e e8 0 2 1 1 x 的 平均功耗为1 w 左右，大大高于蓝牙在所有工作模式下的功耗。 根据以上比较，我们认为蓝牙技术更适合于我们提出的新型数控系统，实 现移动控制器( 智能手机) 与嵌入式机床控制器之间的数据交换和移动控制。 由于车问条件普遍比较复杂，所以要求我们选用的无线通信技术应具有可靠性 高、数据分组透明、传输时间短、功耗低、耐温强度大等优点。而蓝牙技术较 好地符合了这些要求，且具有成本低、体积小、内在的安全性高等优势。另外， 蓝牙技术的a dh o c 移动组网方式也非常适合应用于车间环境。因此，可以说 蓝牙技术为人机协同工作模式提供了一种更加轻便和灵活的解决方案。 2 3 蓝牙技术在工业系统中的应用简介 蓝牙技术作为无线通信技术一项重要组成部分，随着其不断发展，将之应 用于工业系统中，将是蓝牙技术应用拓展的必然趋势。目前蓝牙的应用大概可 涵盖三个应用领域，即线缆取代功能( c a b l er e p l a c e m e n t ) 、个域网( p e r s o n a la r e a n e t w o r k ) 与网络接入点( a c c e s sp o i n t ) 。蓝牙在工业中的应用主要集中在替代 串行电缆 9 1 。 当今的许多工业设备都是使用传统线缆接口( r s 2 3 2 、r s 4 8 5 或u s b ) ，如图 2 。1 。这对使用蓝牙无线连接创造了条件，使得蓝牙适配器很快应运而生，如瑞 典的c o n n e c t b l u e 公司，它发布了世界上第一个工业蓝牙产品一串行接口适配 器a d a p t e r ，这种接口可以使任何带有r s 一2 3 2 串行接口的工业设备之间通过蓝 牙这种无线方式进行通信，也能实现工业设备与其他蓝牙设备( 如智能手机、 p d a 、笔记本电脑等) 之问的无线连接1 9j 。图2 2 表示工业现场设备采用蓝牙 适配器进行连接以替换传统的串行线缆连接的工作模式。 图2 - 1 传统有线控制模式 幽2 - 2 监牙无线控制模式”u j 使用蓝牙适配器最大的优点是无需改动现有设备的硬件，也无需进行任何 软件设置，只要插人已有的设备就可以启用，只要拔出来就可以使之按原有的 方式运作。使用时无需对已有的设备进行任何变动，实现真正的即插即用。这 样减少了安装成本，简化维修过程，并提高使用移动机器的灵活性，且它允许 使用已存在的配置和编程工具，这些使其应用于工业领域，取代传统的有线电 缆更加成为可能。开放式对数控机床的“即插即用”要求的好处在此也得到了 充分体现。以下是蓝牙适配器图例。 2 4 本章小结