引言

    目前，制造業逐步向網絡化制造發展。然而，我國制造企業的數控車間有較大部分數控機床采用單機模式工作，數控機床整體運行效率低下，導致企業競爭力降低。為了解決這些問題，必須實現數控機床聯網與數據采集。

    在數控機床聯網方面，利用軟件進行協議轉換很好的解決協議轉換問題，基于“軟插件”思想構建“軟插件庫”較好的解決協議異構問題，但是目前主要基于有線構建通信網絡，移動性差，車間擴展性和重構性差，基于無線通信的研究很少。在數控機床數據采集方面，主要采用PC進行數據采集，利用嵌入式設備進行數據采集方面的研究較少，數據采集方式多樣，沒有一種具有通用性但又能針對特定應用進行擴展的數據采集模式，采集方式適應性差。

    針對上述不足，設計與開發嵌入式適配器實現數控機床聯網與數據采集。下面分為嵌入式適配器總體框架、嵌入式適配器關鍵技術、嵌入式適配器實現、實驗與分析和總結等五個部分進行介紹。

1 嵌入式適配器總體框架

    數控機床數據采集嵌入式適配器的主要功能包括：與數控機床和上位機通信、數控機床數據采集和語法異構數據處理。在通信方面，嵌入式適配器通過串口與數控機床相連，通過串口與數控機床通信；嵌入式適配器通過WiFi與無線AP相連，通過無線與上位機通信。在數控機床數據采集方面，實現數控機床參數、機床報警數據、偏置數據、數控機床主軸轉速、主軸進給速率、當前刀具號、加工的數控程序號、開始加工時間和結束加工時間的采集。在語法異構數據處理方面，將不同表達格式的數據轉化為統一的格式。

    基于上述功能考慮，數控機床數據采集嵌入式適配器由嵌入式適配器硬件系統、嵌入式適配器操作系統和嵌入式適配器數據采集與處理應用軟件三部分組成，其總體框架如圖1所示。嵌入式適配器硬件系統是嵌入式適配器操作系統和嵌入式適配器數據采集與處理應用軟件運行的基礎，也是嵌入式適配器的外在體現，主要由處理器、存儲器和外部接口三部分組成。嵌入式適配器操作系統進行任務調度和為應用程序提供接口，主要由硬件驅動、系統內核和應用程序接口組成。嵌入式適配器數據采集與處理應用軟件進行數控機床數據采集并將采集的異構數據同構化，其主要由基礎信息模塊、數據采集模塊和數據處理模塊組成。

圖1 數控機床數據采集嵌入式適配器總體框架圖

2 嵌入式適配器關鍵技術

    2.1嵌入式適配器操作系統定制技術

    嵌入式適配器操作系統主要有兩個方面的作用:管理系統中的各種資源，為使用者提供一定的接口。嵌入式適配器的資源有多種，如CPU、存儲器、輸入輸出等硬件資源，可執行程序和其他數據文件等軟件資源，來自網絡上的資源也可分屬到上面的兩個類型中。如何讓硬件資源被使用者合理使用，如何讓抽象的數據以良好的形式展現給使用者與應用程序，是嵌入式適配器操作系統需要解決的問題。資源已經被管理和分配，嵌入式適配器操作系統的另外一個作用就是組織良好的資料讓使用者能夠方便的使用，提供一些界面，比如GUI( Graphical UserInterface，圖形用戶界面)。嵌入式適配器操作系統定制通過搭建嵌入式適配器操作系統定制平臺，依據嵌入式適配器軟硬件方面的功能需求，在定制平臺提供的資源中選擇合適的組件，生成嵌入式適配器操作系統鏡像，燒寫到開發板，進行功能測試，修改直至滿足功能需求。

    2. 2嵌入式適配器異構數據處理技術

    嵌入式適配器采集多種類型數控機床的數據，這些數據存在語法和語義上的異構，為了便于統一組織和管理，首先需要將語法異構數據同構化。

    XML是World Wide Web聯盟(W3C)的一個開放標準，它是一組規則和準則的集合，具有良好的數據存儲格式、開放性、可擴展性、自描述性、高度的結構化、便于網絡傳輸等特性。XML所關心的主要是數據，而其它的因素像數據結構和數據類型、表現和操作都由其它的以XML為核心的相關技術來完成。

    為實現語法異構數據同構化，首先，利用XMLSchema描述一類XML文檔的數據結構和數據類型，然后，利用XSLT ( Extensible  Stylesheet  LanguageTransformations)建立該類異構文檔與同構化文檔之間的映射關系，最后，組合利用XML Schema和XMLXSLT實現語法異構數據同構化處理，將異構的數據轉化為同構的數據。

3 嵌入式適配器實現

    3.1嵌入式適配器硬件系統實現

    基于嵌入式適配器在計算、存儲、通信和調試方面的需求設計嵌入式適配器硬件系統。主要考慮處理器、存儲器和外部接口三部分。目前常見的嵌入式處理器包括ARM， MIPS， PowerPC和X86系列，其中，ARM處理器功耗和性能平衡最好而且應用最廣泛，選擇ARM11作為嵌入式適配器的處理器。選擇應用廣泛的SDRAM作為內存，選擇價格相對低廉的FLASH作為外存。目前，絕大多數數控機床提供串行通訊接口，添加UART串行通訊接口;嵌入式適配器與上位機通過無線通信，在WiFi、藍牙和紅外等幾種常見的無線通信方式中，WiFi在速率、穩定性和距離方面最優，添加GPIO WiFi接口;考慮程序調試和后續擴展需求，添加USB和以太網接口。嵌入式適配器硬件系統如圖2所示。

圖2 數控機床數據采集嵌入式適配器硬件系統圖

    3. 2嵌入式適配器操作系統實現

    選擇Windows Embedded CE6.0作為嵌入式適配器操作系統，搭建嵌入式適配器操作系統定制平臺，按順序安裝Visual Studio 2005，  Visual Studio2005 SP1，Windows Embedded CE6. 0，Windows Embedded CE6.0 Platform Builder SP1，Windows CE6.0SP2 ， Windows 6. 0 Updates， Windows CE6. 0 SP3和Windows CE6.0 SP3 Update-Rollup。

    整個定制分為4步，如圖3所示。首先選擇模板創建初始的操作系統，在此選擇“Industrial Device”模板，接著第二步進行修改，主要進行數據庫、通信組件、驅動程序的添加和刪除操作，第三步生成操作系統，利用SD卡燒寫到開發板，第四步利用測試程序對操作系統進行測試，主要包括串口通信和文檔編輯測試，根據測試結果進行反饋、修改直至滿足需求，最后發布系統。

圖3 數控機床數據采集嵌入式適配器操作系統定制流程圖

    3. 3嵌入式適配器數據采集處理軟件實現

    嵌入式適配器數據采集與處理軟件的主要功能包括兩點:采集數控機床數據，將采集的異構數據同構化。

    數據采集與處理軟件主要由基礎信息模塊、數據采集模塊和數據處理模塊組成，如圖4所示。其中，基礎信息模塊保存嵌入式適配器采集通道的配置信息、采集數據類型的XML Schema信息和數據映射對應的XML XSLT信息;數據采集模塊依據請求類型解析模塊解析的數據類型或者配置的數據類型建立對應的數據采集通道，依據采集通道的運行流程采集數控機床數據并將采集的數據發送到數據處理模塊，數據采集通道可以根據數據類型進行擴展;數據處理模塊將數據采集模塊采集的語法異構數據轉化為統一的XML文檔，發送到DNC服務器的嵌入式適配器接口。

圖4 嵌入式適配器數據采集與處理軟件框架圖

整個數據采集與處理軟件在訂閱/發布模式下的主要運行流程如圖5所示。首先，數據采集模塊從基礎信息模塊獲取需要采集的數據類型，依據采集數據類型確定數據采集方式并建立數據采集通道采集數控機床數據，然后將采集的數據發送到數據處理模塊，數據處理模塊從基礎信息模塊獲取采集數據類型對應的XML Schema信息和XML XSLT信息，依據數據類型對應的XML Schema信息和XMLXSLT信息，將數據采集模塊采集的語法異構數據轉化為統一格式的XML文檔信息，最后，發送到DNC服務器適配器接口模塊。

    嵌入式適配器數據采集模塊的運行流程如圖6所示。首先，數據采集模塊獲取需要采集的數據類型，依據數據類型建立數據采集通道。對應不同的類型，建立不同的數據采集通道，數據采集通道可以根據采集類型進行擴展。以串口數據采集通道為例，其具體流程如下:創建串口，依據數據采集通道配置信息配置串口參數;打開串口;讀/寫串口數據;讀寫完畢后關閉串口。最后將采集的數據發送到數據處理模塊。

圖5 嵌入式適配器傲據采集與處理軟件運行流程圖