ZigBee技术在ARM数控系统组网中的应用 网络管理, 处理器, 嵌入式, 以太网, 技术

yuyang911220

0 引言
　　当前嵌入型数控系统接收由CAD／CAM软件生成的G加工代码通过串口或以太网口传送。但使用串口传送通常需在数控系统旁再配备1台主机，而利用以太网口传送又会增加嵌入式处理器的运算压力。在目前常用的无线通信中，ZigBee具有低功耗，成本低，时延短，网络容量大，安全可靠，无需注册公共频段2．4G等优点，尤其是其低功耗的优势突出，适合数控系统的代码传输。故基于ARM技术和ZigBee技术实现嵌入型数控系统的无线组网，由ARM网关负责网络管理和数据分发，并提供Intemet接口，可远程登陆传输代码和进行控制。
1 系统网络的组建结构
　　网络结构拓扑采用星形结构，如图1。结构中心是基于ARM处理器设计的系统网关，接收来自局域网或者外部Intemet网络传来的数据包，然后根据包头信息分发到各个数控系统。其中网关到数控系统之间的数据格式要求有一定协议默契，以保证数据的正确处理。

图1系统网络组建结构图

2 无线系统软硬件设计
　　2.1 无线节点的硬件设计
　　无线节点的通讯耗电量较大，需要足够大的电流供应，因此设计的重难点在实现低功耗和低成本上。无线节点的硬件主要包括微控制器、无线收发芯片和天线3部分构成，如图2。

图2 无线节点硬件结构图

　　无线收发芯片选用了飞思卡尔的ZigBee2Ready芯片MCl3192，其工作电路只需极少外部元器件，性能稳定且功耗极低，而且其选择性和敏感性指数均超过了IEEE802.15.4标准的要求，可确保短距离通信的有效性和可靠性。MCl3192芯片支持2～3.4v供电电压，可直接使用干电池作为供电电源。天线采用PCB布线平衡方式实现，节约了成本。
　　微控制器由数控系统的ARM7处理器LPC2292担当，其片内具有256K的Flash存储器，可用来存储程序代码，同时还具有16K的片内RAM，用来存储临时数据。该芯片为工业级控制芯片，具有速度快、抗干扰能力强、易于调试等特点。将LPC2292的4个I／O设置为SPI功能，作为SPI总线的SCK、SDO、SDI、nSS四根信号线与RF收发器相连，微处理器充当SPI主器件，而RF收发器作为从器件进行数据传输。
　　2.2 网关主结点设计
　　ARM网关的设计基于LPC2292处理器。本网络设计基于星型网络结构，将主节点嵌入在网关内部实现。主节点是无线网络的管理员，负责网络的建立，地址的分配，成员的加入，节点设备数据、数据转发表、设备关联表的维护，并能根据网络的状况更新。软件设计上首先要编写sPI驱动程序。当系统网关获得网络上的数据后，可根据IP地址将网络的数据解析出来，然后将内部网络地址和数据封装成帧，将数据以广播的形式发送给接收器。在通讯前，主节点必须先把网络建立起来；当主节点工作时，还要扫描有没有新的子网加入，如有新的子网加入，要对其分配ID；当主节点与终端节点进行数据传输时，为保证传输数据的可靠性，采用应答式。系统网关程序流程见图3。

图3 系统网关程序流程图

　2.3 无线节点软件设计

　　MCl3192数据传输模式：数据包模式和流模式。对应地，SPI提供单传输、迭代传输2种传输协议。SPI单传输协议主要使用于流数据传输模式和对MCl3192内部寄存器进行读写以实现控制。该协议中每次传输的是1个8位的协议头和16位数据，如表1。每次进行SPI传输时，先发送8位协议头，R／W位指明该次操作对寄存器读还是写，6位地址给出要访问的具体寄存器，然后进行2次8位的数据传输，SPI单传输协议定义如表2。SPI迭代传输协议主要用于包数据传输模式和对MCl3192快速初始化中。无线节点系统软件流程如图4。

　　无线节点上电初始化系统设备后等待发送节点的数据，当接受节点接收到数据后，对数据格式进行判断解析，取出传送的G代码数据，并将其传送到ARM数控系统存储，等待ARM数控系统处理。
3 无线节点的实验与测试结果
　　通过对系统的数据传输速率测试表明，近距离(空旷，40m以内)点对点传输时节点的丢包率小于12％，传输速率最高为213 kb／s，离标称值250kb／s略有差距，但用于数控系统的G加工代码传输是足够的。当有外界强电磁波干扰时，传输的丢包率会加大。这时需发送设备，反复发送数据以确保数据的准确。
　　在通讯距离测试中，系统在有钢筋混凝土结构墙壁隔离的室内环境中，丢包率小于50％的情况下，达到了30m左右。在其它如木制或砖结构的房屋中，改用专用天线提高天线的发射功率后，通讯距离将会更远，效果会更好。