基于STR-30的數控機床狀態實時監控系統設計
摘 要：本文設計了基于無線數據傳輸模塊STR-30型的數控機床狀態實時監控系統的硬件結構，介紹了數據傳輸所采用的時分多址通信協議和實時接收、處理數據的方法，完成了基于多線程技術的無線數據傳輸模塊軟件設計。
關鍵詞：數控機床;無線通信;時分多址;多線程
在傳統的CIMS（計算機集成制造系統）中，數據流的采集、傳輸涉及大量的電纜鋪設等問題，限制了分布式工業制造系統整體控制性能的提高。基于STR-30型的無線傳輸模塊能滿足對于數控機床實時監控數據的穩定高效的傳輸要求。本文介紹了在此基礎上設計的數控機床無線傳輸的硬件結構和軟件設計，并對所采用的通信協議進行了詳細分析。
系統結構和通信原理
通信模塊特點
上海桑博科技有限公司開發的STR-30型微功率無線傳輸模塊提供了標準RS-232、RS-485和RART/TTL電平這3種接口方式，可直接與計算機COM1（或COM2）相連，利用計算機的USB接口供電。STR-30的通信信道是半雙工的（或者直接用STR-30USB），最適合點對多點的通信方式，用戶無需編制多余的程序，只要完成從接口收發數據即可，其它如空中收/發轉換、控制操作等，STR-30無線通信模塊能夠自動完成。
系統硬件結構
系統的結構圖如圖1所示，整個系統由若干臺高性能PC組成，分別為遠程監控端（主機）、現場監控中心（從機）和現場監控單元，其中現場監控中心和遠程監控端分別配置了STR-30無線通信模塊。主機和從機通過RS-232串口與STR-30無線通信模塊相連，兩個STR-30無線通信模塊（配置天線為30×7×1mm）之間進行通信。上行鏈路發送指令用于主機對從機以及現場監控單元進行控制，下行鏈路發送狀態數據用于向主機傳遞數控機床當前的運行參數，如主軸轉動和切削力等。STR-30無線通信模塊提供0～7個信道（最多可以提供256個信道，完全可以滿足客戶的需要了），如果需要增加系統容量，可以設置多個頻點，每個頻點供多臺數控機床使用，這樣，通過增加系統頻段資源的方法，可使系統容量成倍的增加。
圖1 數控機床狀態監控系統硬件結構
時分多址通信協議
本系統采用TDMA時分多址通信協議。把時間軸劃分成一定長的時元（EPOCH），每個時元又劃分為若干個幀，每一個幀內部又劃分為若干個時隙。幀的重復周期為幀周期， 在每個幀中給主機/從機分配一定數量的時隙以發射信號，而在不發射信號的時隙中則接收從機/主機所發射的信號。主機以準確的時鐘為基準，從機時鐘則與之同步，形成統一的系統時鐘。 網內各個成員的發射時隙是彼此不同的，不存在相互干擾問題，但必須有準確的時隙同步，使每一次發射都以統一的時隙起點作定時基準。本系統測控容量為30臺數傳機床，數傳模塊的無線傳輸速率設置為9600bps，每個時隙的基本信息傳輸量為225bit，所以，設計為每個時隙35ms，每個時幀為3.5s，共有100個 時隙，每個時元35s，共10個幀。
通信模塊的軟件實現
程序的整體框架
無線傳輸模塊作為實時監控系統的一部分，在設計時就考慮要把它設計成一個獨立的模塊，使對它的應用類似函數的應用，本文采用Visual C + + 語言進行設計，在終端的無線通信模塊程序中包括時戳類、編碼類、網絡通信類（或傳輸類） 。時戳類主要完成整個系統的同步，編碼類主要實現數據的R-S編碼功能。 網絡通信類主要是負責編碼后數據流的發送和接收。數據鏈終端模塊主要包含如下線程：
1 主線程
主線程的主要任務是對系統進行初始化，創建子線程和結束子線程，并響應菜單和鼠標操作。
2 編解碼線程
從主機/從機獲得數據，進行編碼，并將編碼后的數據送入發送緩沖等待發送;從接收緩沖取得數據進行解碼，得到有效信息。
3 傳輸線程
負責把發送緩沖的數據送入數傳模塊調制解調器;從調制解調器讀入數據流，并存入接收緩沖區。
Windows下精確定時的實現
TDMA網絡是一種同步網絡，要求整個網絡的所有用戶都采用統一的時基，并且各自能維持一個高精度的時鐘。眾所周知，Windows是基于消息機制的系統，任何事件的執行都是通過發送和接收消息來完成的。 這樣就帶來了一些問題，如一旦計算機的CPU被某個進程占用，或系統資源緊張時，發送到消息隊列中的消息就暫時被掛起，得不到實時處理。因此，不能簡單地通過Windows消息引發一個對定時要求嚴格的事件。由于在Windows中已封裝了計算機底層硬件的訪問，所以，要想通過直接訪問硬件來完成精確定時也比較困難。基于本系統定時到毫秒級的要求，采用QueryPerformanceFrequency（）和 QueryPerformanceCounter（）函數。在進行定時之前，先調用QueryPerformanceFrequency（）函數獲得機器內部定時器的時鐘頻率， 然后在需要嚴格定時的事件發生之前和發生之后分別調用QueryPerformanceCounter（）函數，利用兩次獲得的計數之差及時鐘頻率，計算出事件經歷的精確時間。
傳輸線程的實現
STR-30與PC之間采用串口連接，在Microsoft Visual C++ 6.0環境下通過對Active X控件的編程來實現串口的通信簡單方便，可以節省很多時間。首先實例化控件類MSComm，然后通過調用MSComm的函數對串口進行初始化操作，設置其串口號、波特率、奇偶校驗、數據位數、停止位數以及接收觸發方式等。MSComm類的讀寫通過調用函數GetInput（）和SetOutput（）實現。主機周期性地發送入網消息，從機偵聽鏈路35s，以便獲取整個網絡的時隙分配使用情況，接收到入網消息后，立刻進行精同步過程，發送同步申請消息給主機，主機接收到同步申請消息則發送同步應答消息。精同步后網絡進入連續運行階段，在發送時隙發送消息，接收時隙接收有用消息。因為時鐘的漂移性，所以精同步過程要周期性地進行。從機用戶程序流程如圖2所示，主機用戶程序流程圖與之相似，所以不再贅述。
圖2 從機成員流程圖
編解碼線程和傳輸線程的同步
當編解碼線程工作的時候，要把數據送入發送緩沖區并從緩沖讀出數據進行解碼，而傳輸線程要從發送緩沖區提取數據發送出去、從調制解調器接收數據存入緩沖區，需要設置精確的同步來保證它們之間不發生沖突。以編碼線程和發送線程的同步為例進行說明，首先在傳輸類里定義2個大小相同的發送緩沖區E1、E2，并定義4個事件，分別對應緩沖區E1空事件、緩沖區E1滿事件、緩沖區E2空事件、緩沖區E2滿事件。在主線程中首先對這4個事件進行初始化，由于開始時刻2個緩沖區應是空的，所以在初始化時緩沖區E1、E2的空事件為信號狀態，而緩沖區E1、E2滿為非信號狀態，這時啟動編碼線程和發送線程。由于用2個發送緩沖進行工作，所以在線程啟動之前必須有一個為當前發送緩沖區和當前編碼緩沖區，把E1初始化作為它們的初值。當程序開始工作時，緩沖區空事件處于信號狀態，所以編碼線程進行編碼工作，把壓縮數據流存入當前緩沖區，而發送緩沖監測不到緩沖區滿事件處于信號狀態，所以等待。當前編碼緩沖區變滿時，編碼線程置該緩沖滿為信號狀態，置該緩沖空為非信號狀態，并交換當前編碼緩沖區，同時，該線程進入等待狀態;此時處于等待狀態的發送線程監聽到緩沖區滿事件處于信號狀態，便開始工作，發送當前緩沖的數據到調制解調器或局域網直至完畢。 然后該線程置當前發送緩沖空為信號狀態，而當前緩沖滿為非信號狀態，并交換當前發送緩沖區，這樣，等待緩沖區空的編碼線程又可以占據該緩沖區，如此反復直至編碼線程結束。
結語
實驗表明，利用STR-30通信模塊設計的無線數據傳輸模塊，數據傳送及時、安全可靠、誤碼率很低，而且體積小、功耗低，距離遠，可以方便地嵌入到數控機床監測系統中，降低了監控系統的開發成本和開發周期，提高了設備應用的靈活性。
本系統也存在一定的局限性，它的開發基于Windows操作平臺，尚不具備跨平臺的兼容性。如擴展其應用，還需進一步的工作
對于STR-30可以提供多種借口，如RS232,RS485,TTL,USB等接口。
