0 引言

　　當前嵌入型數(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臺主機，而利用以太網(wǎng)口傳送又會增加嵌入式處理器的運算壓力。在目前常用的無線通信中，ZigBee具有低功耗，成本低，時延短，網(wǎng)絡容量大，安全可靠，無需注冊公共頻段2．4G等優(yōu)點，尤其是其低功耗的優(yōu)勢突出，適合數(shù)控系統(tǒng)的代碼傳輸。故基于ARM技術和ZigBee技術實現(xiàn)嵌入型數(shù)控系統(tǒng)的無線組網(wǎng)，由ARM網(wǎng)關負責網(wǎng)絡管理和數(shù)據(jù)分發(fā)，并提供Intemet接口，可遠程登陸傳輸代碼和進行控制。

1 系統(tǒng)網(wǎng)絡的組建結構

　　網(wǎng)絡結構拓撲采用星形結構，如圖1。結構中心是基于ARM處理器設計的系統(tǒng)網(wǎng)關，接收來自局域網(wǎng)或者外部Intemet網(wǎng)絡傳來的數(shù)據(jù)包，然后根據(jù)包頭信息分發(fā)到各個數(shù)控系統(tǒng)。其中網(wǎng)關到數(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)絡組建結構圖

2 無線系統(tǒng)軟硬件設計

　　2.1 無線節(jié)點的硬件設計

　　無線節(jié)點的通訊耗電量較大，需要足夠大的電流供應，因此設計的重難點在實現(xiàn)低功耗和低成本上。無線節(jié)點的硬件主要包括微控制器、無線收發(fā)芯片和天線3部分構成，如圖2。

圖2 無線節(jié)點硬件結構圖

　　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標準的要求，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擔當，其片內(nèi)具有256K的Flash存儲器，可用來存儲程序代碼，同時還具有16K的片內(nèi)RAM，用來存儲臨時數(shù)據(jù)。該芯片為工業(yè)級控制芯片，具有速度快、抗干擾能力強、易于調(diào)試等特點。將LPC2292的4個I／O設置為SPI功能，作為SPI總線的SCK、SDO、SDI、nSS四根信號線與RF收發(fā)器相連，微處理器充當SPI主器件，而RF收發(fā)器作為從器件進行數(shù)據(jù)傳輸。

　　2.2 網(wǎng)關主結點設計

　　ARM網(wǎng)關的設計基于LPC2292處理器。本網(wǎng)絡設計基于星型網(wǎng)絡結構，將主節(jié)點嵌入在網(wǎng)關內(nèi)部實現(xiàn)。主節(jié)點是無線網(wǎng)絡的管理員，負責網(wǎng)絡的建立，地址的分配，成員的加入，節(jié)點設備數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)轉發(fā)表、設備關聯(lián)表的維護，并能根據(jù)網(wǎng)絡的狀況更新。軟件設計上首先要編寫sPI驅動程序。當系統(tǒng)網(wǎng)關獲得網(wǎng)絡上的數(shù)據(jù)后，可根據(jù)IP地址將網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)解析出來，然后將內(nèi)部網(wǎng)絡地址和數(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)點必須先把網(wǎng)絡建立起來；當主節(jié)點工作時，還要掃描有沒有新的子網(wǎng)加入，如有新的子網(wǎng)加入，要對其分配ID；當主節(jié)點與終端節(jié)點進行數(shù)據(jù)傳輸時，為保證傳輸數(shù)據(jù)的可靠性，采用應答式。系統(tǒng)網(wǎng)關程序流程見圖3。

圖3 系統(tǒng)網(wǎng)關程序流程圖

　2.3 無線節(jié)點軟件設計

　　MCl3192數(shù)據(jù)傳輸模式：數(shù)據(jù)包模式和流模式。對應地，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MCl3192內(nèi)部寄存器進行讀寫以實現(xiàn)控制。該協(xié)議中每次傳輸?shù)氖?個8位的協(xié)議頭和16位數(shù)據(jù)，如表1。每次進行SPI傳輸時，先發(fā)送8位協(xié)議頭，R／W位指明該次操作對寄存器讀還是寫，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MCl3192快速初始化中。無線節(jié)點系統(tǒng)軟件流程如圖4。

　　無線節(jié)點上電初始化系統(tǒng)設備后等待發(fā)送節(jié)點的數(shù)據(jù)，當接受節(jié)點接收到數(shù)據(jù)后，對數(shù)據(jù)格式進行判斷解析，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，等待ARM數(shù)控系統(tǒng)處理。

3 無線節(jié)點的實驗與測試結果

　　通過對系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率測試表明，近距離(空曠，40m以內(nèi))點對點傳輸時節(jié)點的丟包率小于12％，傳輸速率最高為213 kb／s，離標稱值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。當有外界強電磁波干擾時，傳輸?shù)膩G包率會加大。這時需發(fā)送設備，反復發(fā)送數(shù)據(jù)以確保數(shù)據(jù)的準確。

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

4 結束語

　　實驗證明，該方法簡單易行，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)傳輸準確率和數(shù)據(jù)傳輸速率。zigBee以其協(xié)議簡單、成本低、功耗小、組網(wǎng)方式靈活等特點，在工業(yè)監(jiān)控、家用系統(tǒng)控制、樓宇自動化等領域會有更廣闊的前景。