0 引言

　　當前嵌入型數控系統接收由CAD／CAM軟件生成的G加工代碼通過串口或以太網口傳送。但使用串口傳送通常需在數控系統旁再配備1臺主機，而利用以太網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，網絡容量大，安全可靠，無需注冊公共頻段2．4G等優點，尤其是其低功耗的優勢突出，適合數控系統的代碼傳輸。故基于ARM技術和ZigBee技術實現嵌入型數控系統的無線組網，由ARM網關負責網絡管理和數據分發，并提供Intemet接口，可遠程登陸傳輸代碼和進行控制。

1 系統網絡的組建結構

　　網絡結構拓撲采用星形結構，如圖1。結構中心是基于ARM處理器設計的系統網關，接收來自局域網或者外部Intemet網絡傳來的數據包，然后根據包頭信息分發到各個數控系統。其中網關到數控系統之間的數據格式要求有一定協議默契，以保證數據的正確處理。

圖1系統網絡組建結構圖

2 無線系統軟硬件設計

　　2.1 無線節點的硬件設計

　　無線節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低功耗和低成本上。無線節點的硬件主要包括微控制器、無線收發芯片和天線3部分構成，如圖2。

圖2 無線節點硬件結構圖

　　無線收發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，性能穩定且功耗極低，而且其選擇性和敏感性指數均超過了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，節約了成本。

　　微控制器由數控系統的ARM7處理器LPC2292擔當，其片內具有256K的Flash存儲器，可用來存儲程序代碼，同時還具有16K的片內RAM，用來存儲臨時數據。該芯片為工業級控制芯片，具有速度快、抗干擾能力強、易于調試等特點。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收發器相連，微處理器充當SPI主器件，而RF收發器作為從器件進行數據傳輸。

　　2.2 網關主結點設計

　　ARM網關的設計基于LPC2292處理器。本網絡設計基于星型網絡結構，將主節點嵌入在網關內部實現。主節點是無線網絡的管理員，負責網絡的建立，地址的分配，成員的加入，節點設備數據、數據轉發表、設備關聯表的維護，并能根據網絡的狀況更新。軟件設計上首先要編寫sPI驅動程序。當系統網關獲得網絡上的數據后，可根據IP地址將網絡的數據解析出來，然后將內部網絡地址和數據封裝成幀，將數據以廣播的形式發送給接收器。在通訊前，主節點必須先把網絡建立起來；當主節點工作時，還要掃描有沒有新的子網加入，如有新的子網加入，要對其分配ID；當主節點與終端節點進行數據傳輸時，為保證傳輸數據的可靠性，采用應答式。系統網關程序流程見圖3。

圖3 系統網關程序流程圖

　2.3 無線節點軟件設計

　　MCl3192數據傳輸模式：數據包模式和流模式。對應地，SPI提供單傳輸、迭代傳輸2種傳輸協議。SPI單傳輸協議主要使用于流數據傳輸模式和對MCl3192內部寄存器進行讀寫以實現控制。該協議中每次傳輸的是1個8位的協議頭和16位數據，如表1。每次進行SPI傳輸時，先發送8位協議頭，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位的數據傳輸，SPI單傳輸協議定義如表2。SPI迭代傳輸協議主要用于包數據傳輸模式和對MCl3192快速初始化中。無線節點系統軟件流程如圖4。

　　無線節點上電初始化系統設備后等待發送節點的數據，當接受節點接收到數據后，對數據格式進行判斷解析，取出傳送的G代碼數據，并將其傳送到ARM數控系統存儲，等待ARM數控系統處理。

3 無線節點的實驗與測試結果

　　通過對系統的數據傳輸速率測試表明，近距離(空曠，40m以內)點對點傳輸時節點的丟包率小于12％，傳輸速率最高為213 kb／s，離標稱值250kb／s略有差距，但用于數控系統的G加工代碼傳輸是足夠的。當有外界強電磁波干擾時，傳輸的丟包率會加大。這時需發送設備，反復發送數據以確保數據的準確。

　　在通訊距離測試中，系統在有鋼筋混凝土結構墻壁隔離的室內環境中，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，既能保證數控系統的加工效率，又能獲得滿意的數據傳輸準確率和數據傳輸速率。zigBee以其協議簡單、成本低、功耗小、組網方式靈活等特點，在工業監控、家用系統控制、樓宇自動化等領域會有更廣闊的前景。