導(dǎo)語(yǔ)：數(shù)控通信的研究與開(kāi)發(fā)一文來(lái)源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

1上下位機(jī)通信的層次結(jié)構(gòu)

由于Windows操作系統(tǒng)具有開(kāi)發(fā)資源豐富、操作方便等優(yōu)點(diǎn);Linux和Dos操作系統(tǒng)都具有強(qiáng)實(shí)時(shí)性,通常數(shù)控系統(tǒng)的上位機(jī)(HMI端)采用Window平臺(tái),下位機(jī)(NCU端)采用Linux和Dos平臺(tái)。因此,通信層次的劃分要合理,為上層應(yīng)用軟件提供通用的通信服務(wù)接口,屏蔽底層平臺(tái)的差異、通信引擎的差異和操作系統(tǒng)的差異。本文中的上下位機(jī)間通信采用客戶端/服務(wù)器的模式[8]:其中上位機(jī)為客戶端,負(fù)責(zé)向服務(wù)器端發(fā)起通信請(qǐng)求;下位機(jī)為服務(wù)器端,提供數(shù)據(jù)的上傳和下載服務(wù)。服務(wù)器端分為4個(gè)層次:通信引擎層、通信抽象層、通信服務(wù)層、數(shù)控控制單元;客戶端分為通信引擎層、通信抽象層、通信服務(wù)層、通信接口層、NCAPI層、人機(jī)交互界面。通信服務(wù)結(jié)構(gòu)層次如圖1所示。通信引擎層實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信、串口通信、總線通信三種通信方式,同時(shí)屏蔽操作系統(tǒng)的差異。不同的操作系統(tǒng)中,網(wǎng)絡(luò)通信、串口通信、總線通信程序的開(kāi)發(fā)主要是相應(yīng)功能的函數(shù)接口不同,因此通過(guò)條件編譯的方式,每一種通信方式的實(shí)現(xiàn)程序中包含多個(gè)操作系統(tǒng)中該通信方式實(shí)現(xiàn)的代碼程序。這樣就實(shí)現(xiàn)了通信引擎的跨平臺(tái)。通信抽象層主要管理網(wǎng)絡(luò)通信、串口通信、總線通信三種通信引擎。抽象出一系列統(tǒng)一的接口供上層使用,從而屏蔽通信引擎的差異,該層主要維護(hù)一個(gè)已注冊(cè)的通信引擎數(shù)組,保存每個(gè)通信引擎數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的指針。通信抽象層利用一個(gè)指針保存當(dāng)前使用的通信引擎。每一個(gè)通信引擎的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義了該通信引擎的一些信息,比如說(shuō)連接是否建立的判斷,以及發(fā)送數(shù)據(jù)接口、接收數(shù)據(jù)接口、初始化通信接口、退出通信接口的信息提示等。通信抽象層的實(shí)現(xiàn)過(guò)程如圖2所示。圖2通信抽象層的實(shí)現(xiàn)過(guò)程示意圖服務(wù)器端的通信服務(wù)層提供不同類型數(shù)據(jù)的通信服務(wù),客戶端的通信接口層提供使用服務(wù)器端相應(yīng)通信服務(wù)的接口。這兩層都是在通信抽象層之上的,因此它們不用關(guān)心操作系統(tǒng)和通信引擎的差異?？蛻舳薔CAPI層通過(guò)調(diào)用通信接口層中相應(yīng)的接口獲取數(shù)控系統(tǒng)中對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)供人機(jī)交互界面使用。

2通信服務(wù)層各功能實(shí)現(xiàn)

通信服務(wù)層是一種面向服務(wù)的應(yīng)用接口,通過(guò)調(diào)用通信抽象層提供的接口實(shí)現(xiàn)通信服務(wù),它不必關(guān)心操作系統(tǒng)的差異、通信引擎的差異。通信服務(wù)的內(nèi)容主要包括變量服務(wù)、命令服務(wù)、文件服務(wù)、報(bào)警服務(wù)等內(nèi)容。

2.1變量服務(wù)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

數(shù)控系統(tǒng)中有些數(shù)據(jù)是需要在上下位機(jī)之間經(jīng)常動(dòng)態(tài)更新的,例如加工位置值、進(jìn)給速度值、加工誤差值等,這一類數(shù)據(jù)對(duì)傳輸?shù)目煽啃詻](méi)有很高的要求,但是需要周期的上傳和下載。變量服務(wù)主要功能就是在服務(wù)器端(或NCU端)和客戶端(或HMI端)傳遞需要經(jīng)常動(dòng)態(tài)更新的數(shù)據(jù)。變量服務(wù)的原理如圖3所示,NCU端數(shù)據(jù)服務(wù)器監(jiān)控變量存儲(chǔ)區(qū)的數(shù)據(jù)變化的情況,有變化就通過(guò)通信接口發(fā)送到HMI端;HMI端數(shù)據(jù)服務(wù)器監(jiān)控服務(wù)端口,如果有數(shù)據(jù)就解析報(bào)文,并調(diào)用數(shù)據(jù)訪問(wèn)接口向本地的變量鏡像區(qū)寫數(shù)據(jù)。因此在一個(gè)時(shí)間片內(nèi),總可以保證HMI端保留有NCU端數(shù)據(jù)的一個(gè)鏡像,這樣就能保證HMI端變量鏡像區(qū)和NCU端變量存儲(chǔ)區(qū)數(shù)據(jù)的一致性。HMI訪問(wèn)數(shù)據(jù)只面對(duì)本地?cái)?shù)據(jù),而不用考慮數(shù)據(jù)從何而來(lái)。

2.2命令服務(wù)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

數(shù)控系統(tǒng)中有些數(shù)據(jù)由HMI端發(fā)送給NCU端后,NCU端是需要作出相應(yīng)動(dòng)作響應(yīng)的,例如數(shù)控系統(tǒng)中的手動(dòng)功能。這類數(shù)據(jù)就是命令,它需要NCU給HMI返回響應(yīng),從而使HMI知道NCU端對(duì)命令的處理情況。命令服務(wù)就是上下位機(jī)之間實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)的命令控制,由HMI端發(fā)起,NCU端響應(yīng)。HMI端組裝命令數(shù)據(jù)報(bào)文,通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到NCU端,NUC端接收到命令包后,進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)報(bào)文解析,根據(jù)數(shù)據(jù)報(bào)文解析的結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的命令操作,最后再向HMI端發(fā)送命令處理成功與否的響應(yīng)消息數(shù)據(jù)報(bào)文。HMI端在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行超時(shí)檢查,確認(rèn)是否收到成功的響應(yīng)報(bào)文,命令服務(wù)的通信模式如圖4所示。

2.3報(bào)警服務(wù)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

數(shù)控系統(tǒng)中的報(bào)警信息對(duì)于數(shù)控機(jī)床的維護(hù)和保證其加工的安全性至關(guān)重要,因此HMI端必須顯示數(shù)控系統(tǒng)的報(bào)警信息。上下位機(jī)的報(bào)警服務(wù)是將NCU端的提示、報(bào)警等信息傳遞給HMI端。在NCU端和HMI端,采用統(tǒng)一的消息管理器。在NCU端的報(bào)警服務(wù)器監(jiān)控消息隊(duì)列,如果有新的消息,則通過(guò)報(bào)警服務(wù)端口將新報(bào)警信息發(fā)送到HMI端。HMI端監(jiān)聽(tīng)報(bào)警服務(wù)端口,如果有新的報(bào)警,則調(diào)用消息管理接口,并添加到HMI消息隊(duì)列中。報(bào)警服務(wù)的處理過(guò)程如圖5所示。

2.4文件服務(wù)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

上下位機(jī)之間經(jīng)常需要傳輸加工程序、參數(shù)文件和PLC程序等,因此文件服務(wù)必不可少。文件服務(wù)主要提供目錄的上傳、文件的上傳和下載。文件服務(wù)總是由HMI端提出請(qǐng)求,經(jīng)NCU響應(yīng)后進(jìn)入具體的文件服務(wù)。在文件下載服務(wù)狀態(tài),由HMI發(fā)送文件頭,分塊發(fā)送文件體和文件結(jié)束標(biāo)識(shí),NCU端接收文件頭、文件體,并將其儲(chǔ)存在文件中。在文件上傳服務(wù)狀態(tài),由HMI發(fā)送文件頭,分塊接收文件體和文件結(jié)束標(biāo)識(shí),NCU端接收到文件頭后,發(fā)送相應(yīng)的文件體,直至文件結(jié)束發(fā)送文件結(jié)束標(biāo)識(shí)。在目錄服務(wù)狀態(tài),將目錄轉(zhuǎn)換成文件進(jìn)行傳輸。在傳輸過(guò)程中,如果超時(shí)或有與狀態(tài)不匹配的操作碼出現(xiàn),則進(jìn)入復(fù)位處理,文件服務(wù)重新進(jìn)入空閑狀態(tài)。文件服務(wù)器的狀態(tài)機(jī)如圖6所示。

3實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

將通信模塊的客戶端和服務(wù)器端的程序分別集成到數(shù)控系統(tǒng)的上位機(jī)和下位機(jī)中進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信、串口通信和總線通信的測(cè)試。上下位機(jī)采用的都是基于ARMS3C2440的微處理器+FPGA的嵌入式數(shù)控系統(tǒng),上位機(jī)主要負(fù)責(zé)人機(jī)交互界面,下位機(jī)主要負(fù)責(zé)運(yùn)動(dòng)控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,上下位機(jī)之間能夠高效、快速和穩(wěn)定地完成文件、變量、命令和報(bào)警等信息的傳輸。上下位機(jī)之間以太網(wǎng)通信的測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)如圖7所示,串口通信的測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)如圖8所示,總線通信的測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)如圖9所示。

4結(jié)語(yǔ)

本文給出的數(shù)控系統(tǒng)上下位機(jī)之間的通信服務(wù)設(shè)計(jì)不僅可以實(shí)現(xiàn)跨平臺(tái),還可以根據(jù)具體的應(yīng)用環(huán)境,選擇不同的通信介質(zhì)。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明,所研制的通用上下位機(jī)通信模型,大大縮短了基于上下位機(jī)模式數(shù)控系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)周期,設(shè)計(jì)方案滿足實(shí)際要求,且簡(jiǎn)便可行。

本文作者：吳棟棟周向東工作單位：華中科技大學(xué)國(guó)家數(shù)控系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心