0 引言

　　當(dāng)前嵌入型數(shù)控系統(tǒng)接收由CAD／CAM軟件生成的G加工代碼通過串口或以太網(wǎng)口傳送。但使用串口傳送通常需在數(shù)控系統(tǒng)旁再配備1臺(tái)主機(jī)，而利用以太網(wǎng)口傳送又會(huì)增加嵌入式處理器的運(yùn)算壓力。在目前常用的無線通信中，ZigBee具有低功耗，成本低，時(shí)延短，網(wǎng)絡(luò)容量大，安全可靠，無需注冊(cè)公共頻段2．4G等優(yōu)點(diǎn)，尤其是其低功耗的優(yōu)勢(shì)突出，適合數(shù)控系統(tǒng)的代碼傳輸。故基于ARM技術(shù)和ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)嵌入型數(shù)控系統(tǒng)的無線組網(wǎng)，由ARM網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)管理和數(shù)據(jù)分發(fā)，并提供Intemet接口，可遠(yuǎn)程登陸傳輸代碼和進(jìn)行控制。

1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的組建結(jié)構(gòu)

　　網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)拓?fù)洳捎眯切谓Y(jié)構(gòu)，如圖1。結(jié)構(gòu)中心是基于ARM處理器設(shè)計(jì)的系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)，接收來自局域網(wǎng)或者外部Intemet網(wǎng)絡(luò)傳來的數(shù)據(jù)包，然后根據(jù)包頭信息分發(fā)到各個(gè)數(shù)控系統(tǒng)。其中網(wǎng)關(guān)到數(shù)控系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)格式要求有一定協(xié)議默契，以保證數(shù)據(jù)的正確處理。

圖1系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)組建結(jié)構(gòu)圖

2 無線系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)

　　2.1 無線節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)

　　無線節(jié)點(diǎn)的通訊耗電量較大，需要足夠大的電流供應(yīng)，因此設(shè)計(jì)的重難點(diǎn)在實(shí)現(xiàn)低功耗和低成本上。無線節(jié)點(diǎn)的硬件主要包括微控制器、無線收發(fā)芯片和天線3部分構(gòu)成，如圖2。

圖2 無線節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)圖

　　無線收發(fā)芯片選用了飛思卡爾的ZigBee2Ready芯片MCl3192，其工作電路只需極少外部元器件，性能穩(wěn)定且功耗極低，而且其選擇性和敏感性指數(shù)均超過了IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的要求，可確保短距離通信的有效性和可靠性。MCl3192芯片支持2～3.4v供電電壓，可直接使用干電池作為供電電源。天線采用PCB布線平衡方式實(shí)現(xiàn)，節(jié)約了成本。

　　微控制器由數(shù)控系統(tǒng)的ARM7處理器LPC2292擔(dān)當(dāng)，其片內(nèi)具有256K的Flash存儲(chǔ)器，可用來存儲(chǔ)程序代碼，同時(shí)還具有16K的片內(nèi)RAM，用來存儲(chǔ)臨時(shí)數(shù)據(jù)。該芯片為工業(yè)級(jí)控制芯片，具有速度快、抗干擾能力強(qiáng)、易于調(diào)試等特點(diǎn)。將LPC2292的4個(gè)I／O設(shè)置為SPI功能，作為SPI總線的SCK、SDO、SDI、nSS四根信號(hào)線與RF收發(fā)器相連，微處理器充當(dāng)SPI主器件，而RF收發(fā)器作為從器件進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

　　2.2 網(wǎng)關(guān)主結(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

　　ARM網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)基于LPC2292處理器。本網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)基于星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，將主節(jié)點(diǎn)嵌入在網(wǎng)關(guān)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)。主節(jié)點(diǎn)是無線網(wǎng)絡(luò)的管理員，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的建立，地址的分配，成員的加入，節(jié)點(diǎn)設(shè)備數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)表、設(shè)備關(guān)聯(lián)表的維護(hù)，并能根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的狀況更新。軟件設(shè)計(jì)上首先要編寫sPI驅(qū)動(dòng)程序。當(dāng)系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)獲得網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)后，可根據(jù)IP地址將網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)解析出來，然后將內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)地址和數(shù)據(jù)封裝成幀，將數(shù)據(jù)以廣播的形式發(fā)送給接收器。在通訊前，主節(jié)點(diǎn)必須先把網(wǎng)絡(luò)建立起來；當(dāng)主節(jié)點(diǎn)工作時(shí)，還要掃描有沒有新的子網(wǎng)加入，如有新的子網(wǎng)加入，要對(duì)其分配ID；當(dāng)主節(jié)點(diǎn)與終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，為保證傳輸數(shù)據(jù)的可靠性，采用應(yīng)答式。系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)程序流程見圖3。

圖3 系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)程序流程圖

　2.3 無線節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

　　MCl3192數(shù)據(jù)傳輸模式：數(shù)據(jù)包模式和流模式。對(duì)應(yīng)地，SPI提供單傳輸、迭代傳輸2種傳輸協(xié)議。SPI單傳輸協(xié)議主要使用于流數(shù)據(jù)傳輸模式和對(duì)MCl3192內(nèi)部寄存器進(jìn)行讀寫以實(shí)現(xiàn)控制。該協(xié)議中每次傳輸?shù)氖?個(gè)8位的協(xié)議頭和16位數(shù)據(jù)，如表1。每次進(jìn)行SPI傳輸時(shí)，先發(fā)送8位協(xié)議頭，R／W位指明該次操作對(duì)寄存器讀還是寫，6位地址給出要訪問的具體寄存器，然后進(jìn)行2次8位的數(shù)據(jù)傳輸，SPI單傳輸協(xié)議定義如表2。SPI迭代傳輸協(xié)議主要用于包數(shù)據(jù)傳輸模式和對(duì)MCl3192快速初始化中。無線節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)軟件流程如圖4。

　　無線節(jié)點(diǎn)上電初始化系統(tǒng)設(shè)備后等待發(fā)送節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，當(dāng)接受節(jié)點(diǎn)接收到數(shù)據(jù)后，對(duì)數(shù)據(jù)格式進(jìn)行判斷解析，取出傳送的G代碼數(shù)據(jù)，并將其傳送到ARM數(shù)控系統(tǒng)存儲(chǔ)，等待ARM數(shù)控系統(tǒng)處理。

3 無線節(jié)點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)與測(cè)試結(jié)果

　　通過對(duì)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率測(cè)試表明，近距離(空曠，40m以內(nèi))點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸時(shí)節(jié)點(diǎn)的丟包率小于12％，傳輸速率最高為213 kb／s，離標(biāo)稱值250kb／s略有差距，但用于數(shù)控系統(tǒng)的G加工代碼傳輸是足夠的。當(dāng)有外界強(qiáng)電磁波干擾時(shí)，傳輸?shù)膩G包率會(huì)加大。這時(shí)需發(fā)送設(shè)備，反復(fù)發(fā)送數(shù)據(jù)以確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確。

　　在通訊距離測(cè)試中，系統(tǒng)在有鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)墻壁隔離的室內(nèi)環(huán)境中，丟包率小于50％的情況下，達(dá)到了30m左右。在其它如木制或磚結(jié)構(gòu)的房屋中，改用專用天線提高天線的發(fā)射功率后，通訊距離將會(huì)更遠(yuǎn)，效果會(huì)更好。

4 結(jié)束語(yǔ)

　　實(shí)驗(yàn)證明，該方法簡(jiǎn)單易行，既能保證數(shù)控系統(tǒng)的加工效率，又能獲得滿意的數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確率和數(shù)據(jù)傳輸速率。zigBee以其協(xié)議簡(jiǎn)單、成本低、功耗小、組網(wǎng)方式靈活等特點(diǎn)，在工業(yè)監(jiān)控、家用系統(tǒng)控制、樓宇自動(dòng)化等領(lǐng)域會(huì)有更廣闊的前景。