基于zigBee和以太网的数控机床网络通信系统研究

4 数控机床通信网络系统硬件设计

　　数控机床无线通信系统网关设计框图如下图3所示。

图3 ZigBee一以太网网关硬件设计结构图

　　它以MsP430F149单片机和zigBee射频芯片CC2430为核心，其中，MSP430 F149芯片为控制核心，CC2430为发送/接收机床数据包核心，配备了无线网络通信接口和以太网控制器，并增加了大容量存储功能的SRAM等基本的系统外围设备。M口夭捎盟Mcu模式设计，其中MSP430F149单片机为主控制芯片，CC2430为辅助作用，支持主控制器的功能。

　　机床无线通信网络系统的zigBee路由节点与协调器节点硬件设计差不多，不一一介绍。机床终端节点的硬件电路采用模块化设计，以提高它的抗干扰能力。它主要由电源模块组成、zigBee无线收发模块、网络信号状态指示灯、RS-232串口通信电路、JTAG接口等电路模块组成。RS-232串口通信电路与机床的串口相连，发送机床数据包由机床MCU控制器决定。数控机床终端节点的电源由数控机床通过串口电路供电。

5 数控机床通信网络系统软件设计

　　数控机床无线通信网关系统软件部分由三个关键模块组成：

　　zigBee z-stack协议栈无线通信协议标准实现机床通信网络系统中的协调器建网组网模块功能、以太网实现精简和裁剪TCP/IP协议的功能模块以及zigBee报文数据帧格式转为以太网报文数据帧格式模块。在机床无线通信系统中，机床发送数据包经过zigBee网络中的采集机床信息终端节点设备、信息中转路由器设备以及机床无线通信网络建立协调器设备，之后经过以太网网络发送给数控机床监控中心。整个机床无线通信协议的层次体系结构如图4所示。

图4机床通信网关系统分层协议模型

6 系统测试和实验结果

　　在机床无线通信中，主要通过测试无线传感器网络zigBee发送与接收数据包个数为参照。zigBee网络发起者协调器、信息中转路由节点、数控机床终端节点程序下载完成后，上电初始化后就可以组网了，我们用串口调试助手可以观看到zigBee无线通信网络网关协调节点设备新建的网络物理地址和ID号、PAN参数信息以及路由节点、机床终端节点加入zigBee无线网络是否成功等信息。除了能在串口和zigBee开发部自带的显示器看到zigBee组网过程外，还能通过smartRF Packet Sniffer软件侦听它们发送的数据包。SmanRF Packet Sniffer侦听数据包情况如下图5所示。

图5 Packet Sniffer侦测的ZigBee数据包

　　虚拟仪器技术是新兴的仿真技术，它能够模仿各类工具、元器件、各种设备的功能，实现在线仿真与测试，大大地减少了项目开发成本。LabVIEW软件利用高性能可靠性高的模块式设计，并结合灵活方便高效易于二次开发的应用软件完成各种各样测试仿真及其自动化控制应用领域。采用虚拟技术LabVIEw软件模仿数控机床实时显示数控机床的工作状态、组网状态以及机床加工程序传输过程。具体界面如图6和图7所示。

图6 数控机床无线通信监控系统程序传送界面 

图7 数控机床无线通信监控系统机床监控界面 

　　具体工作流程：点击程序传送设置按钮后就会进入设置界面，系统就打开串口，接收以太网上协调器节点下传的机床工作程序信息，经过zigBee网络发送给终端节点数控机床，机床响应信息，开始按下传程序开始工作，经过LabVIEw软件进行数据解析实时显示机床组网状态，发送/接收机床程序运行状态等信息，按下关闭系统按钮则系统自动关闭串口，停止在线实时查看功能。

7 结束语

　　本文把无线传感器网络技术zigBee应用到数控机床通信系统中去，数控机床通信系统基本上可以达到动态调试和监控机床，为数控机床监控、调试、精密加工提供了有效的手段。由于机床工作环境存在设备众多，电磁环境比较复杂，所以系统抗干扰问题还待下一步解决。随着无线通信技术和信息处理技术的发展，相信机床通信系统会实现无线化、高效化和信息化，从而提高机床工作效率，提高企业的经济效益。