郭義芬，顧靜鳴，唐厚君

(上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院，上海 200240)

0 引言

現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)往往離不開數(shù)控機(jī)床，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，數(shù)控機(jī)床也面臨著不斷優(yōu)化的需求。對于現(xiàn)有機(jī)床，根據(jù)新的工業(yè)生產(chǎn)要求，改造與優(yōu)化現(xiàn)有機(jī)床，提升機(jī)床的智能化和信息化是機(jī)床性能改進(jìn)的有效方法[1]。

工業(yè)生產(chǎn)中大型切割機(jī)的割槍遠(yuǎn)程操控定位(對中)是經(jīng)常使用的一項重要操作，由于控制器的操作部分遠(yuǎn)離割槍，故該“對中”操作難以由一個人來完成。傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)的控制部分都設(shè)置在機(jī)床邊，想要控制或發(fā)送指令必須近距離操作。考慮到現(xiàn)場操作的安全性與便捷性，在某些諸如大型鋼板切割場合中，“對中”操作時就會有諸多的不便，從而影響到機(jī)床的生產(chǎn)效率。而用遙控裝置控制的數(shù)控系統(tǒng)則可實現(xiàn)一定范圍內(nèi)的遠(yuǎn)距離控制操作，與此同時控制方可以自由移動，原本兩個人的活一個人就可以勝任，大大提高了生產(chǎn)的靈活性和工作效率。

1 無線遙控裝置總體設(shè)計方案

遙控器分為兩部分。一部分為發(fā)送端，用于用戶手持，采用電池供電，通過按鍵來傳達(dá)相應(yīng)的指令;另一部分為接收端，安裝于控制臺，采用固定電源供電，用于接收數(shù)據(jù)，通過串口與上位機(jī)(數(shù)控系統(tǒng))相連，將相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息所對應(yīng)的指令字符傳輸給上位機(jī)。上位機(jī)接收到信息后便驅(qū)動電機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的工作。

遙控器的發(fā)送端由底層單片機(jī)(發(fā)送板)、無線模塊和天線組成。發(fā)送板上按鍵按下后，相應(yīng)的數(shù)據(jù)通過無線數(shù)據(jù)鏈路，經(jīng)由無線模塊上的天線發(fā)送出去，發(fā)送端的原理如圖1所示。

圖1 遙控器發(fā)送端原理圖

遙控器的接收端由底層單片機(jī)(接收板)、無 線 模塊和天線組成，其通過天線接收到發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)的CRC校驗，如果校驗無誤，則將其通過串口線傳送至上位機(jī)，上位機(jī)根據(jù)接收的指令控制電機(jī)的動作。接收端的原理如圖2所示。

圖2中的雙箭頭表示數(shù)據(jù)可以雙向傳輸。發(fā)送端與接收端是雙工通訊，數(shù)據(jù)可以由接收端傳輸給上位機(jī)來傳達(dá)遙控指令，同時上位機(jī)也可以將指令信號的回復(fù)傳輸給接收端以便確認(rèn)其可靠地收到了數(shù)據(jù)。在傳送的數(shù)據(jù)方面，可以采用“起始位+數(shù)據(jù)”以及“停止位+數(shù)據(jù)”的格式用于傳輸，從而確保數(shù)據(jù)的可靠接收。

圖2 遙控器接收端原理圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

遙控裝置的硬件設(shè)計主要包括電源模塊、按鍵模塊、串口模塊、單片機(jī)模塊和無線模塊五個部分。設(shè)計時除了考慮所需的功能，將可靠性以及系統(tǒng)抗干擾能力的考慮作為系統(tǒng)設(shè)計的核心思想。本設(shè)計主要是通過芯片與器件的選擇、去耦電容、印刷電路板的綜合布線以及通道隔離等來提高系統(tǒng)的抗擾性和可靠性。元件大多使用貼片式以減少過孔數(shù)和PCB板的體積[2]。下面對主要模塊進(jìn)行分析。

2.1 電源模塊

電源模塊電路圖如圖3所示，通過AC/DC開關(guān)電源適配器輸入9 V～12 V的直流電壓，經(jīng)過AMS1117－5將電壓降至5 V，用于MAX232芯片供電。經(jīng)過 AMS1117－3.3將電壓降至3.3 V，用于單片機(jī)及LED等元件供電。本設(shè)計也可以引出導(dǎo)線，采用電池供電，方便移動與遙控。

圖3 電源模塊硬件原理圖

AMS1117系列內(nèi)部集成過熱保護(hù)和限流電路，是電池供電和便攜式計算機(jī)的最佳選擇。此外，兩個穩(wěn)壓器的兩端都有0.1 uF的鉭電容和10 uF的極性電容并聯(lián)，0.1 uF的鉭電容的作用是濾波，10 uF的極性電容的作用是穩(wěn)壓，從而保證穩(wěn)壓器的穩(wěn)定工作。

圖4 串口模塊硬件原理圖

2.2 串口模塊

串口模塊由兩部分組成。一部分是MA X232 電平轉(zhuǎn)換芯片，另一部分是 RS－232串口，其硬件原理如圖4所示。

MAX232是專門為電腦的RS－232標(biāo)準(zhǔn)串口設(shè)計的單電源電平轉(zhuǎn)換芯片，使用+5 V單電源供電。MAX232芯片內(nèi)部包含四個部分:雙路電荷泵DC－DC電壓轉(zhuǎn)換器、RS－232驅(qū)動器、RS－232接收器以及接收器與發(fā)送器使能控制輸入。

串口部分采用的是9針的RS－232串口母接頭，其2號管腳與MAX232的T1OUT相連，3號管腳與MAX232的R1IN相連，用于數(shù)據(jù)傳輸。

2.3 主控模塊

主控芯片為宏晶科技生產(chǎn)的STC10L08XE單片機(jī)，工作電壓為2.4 V－3.6 V，片上資源包括8 K的 Flash程序存儲器，512字節(jié)的 SRAM，兩個定時器(T0、T1)，UART串口，5 K字節(jié) EEPROM，40個I/O口，看門狗，內(nèi)部低壓中斷功能，封裝形式為LQFP44。圖5為左前門主控芯片的硬件原理簡圖。

圖5 主控芯片的硬件原理簡圖

單片機(jī)的電源管理電路包括上電復(fù)位模塊、晶振和濾波穩(wěn)壓模塊三個部分。晶振頻率為11.059 2 MHz，旁置兩個22 pF的鉭電容;濾波穩(wěn)壓模塊采用一個104的鉭電容濾波、10 uF的極性電容穩(wěn)壓。矩陣鍵盤采用4×4格式，共計16個按鍵，用于傳達(dá)數(shù)控系統(tǒng)不同的控制指令。LED控制用于系統(tǒng)上電和數(shù)據(jù)傳輸成功與否的識別。無線模塊通過4線 SPI兼容接口(SI，SO，SCLK和CSn)，這個接口同時用作寫和讀緩存數(shù)據(jù)，SPI接口上所有的地址和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換被最先在重要的位上處理。串口模塊實現(xiàn)遙控裝置與上位機(jī)的通信。

2.4 無線模塊

由于無線模塊電路涉及高頻信號，因此將低頻和高頻部分分開制板，通過插槽的方式將CC1100模塊插在底層板上，同時引出6個主要管腳的信號。

CC1100模塊的電路如圖6所示，主要外部元件為偏阻器、平衡轉(zhuǎn)換器、RF匹配和晶振。偏阻器R171用來設(shè)置一個精確的偏電流。C131，C121，L121和 L131形成一個平衡轉(zhuǎn)換器，用以將CC1100上的微分RF端口轉(zhuǎn)換成單端RF信號。平衡轉(zhuǎn)換器元件也將阻抗轉(zhuǎn)換以匹配50歐的天線(或電纜)。晶體振蕩器使用外部晶體。對應(yīng)于不同的收發(fā)頻率，各電阻、電容與電感有不同的取值范圍，收發(fā)頻率為常用的433 MHz，各元件取值可參考圖6。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件部分編程實現(xiàn)了軟件的看門狗、開機(jī)自檢、按鍵控制、遙控器配對、與上位機(jī)雙向通訊以及無線模塊CC1100間的可靠通訊程序。此外遙控裝置具有低功耗，長時間不使用就自動進(jìn)入掉電狀態(tài)。

CC1100收發(fā)芯片支持恒定長度數(shù)據(jù)包協(xié)議和可變長度協(xié)議。可變或固定數(shù)據(jù)包長度模式能支持的長度可達(dá)255字節(jié)，最小數(shù)據(jù)包長度(不包括可選長度字節(jié)和CRC)為一字節(jié)的有效載荷數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)包的結(jié)構(gòu)示意圖如圖7所示。

考慮到生產(chǎn)中多組機(jī)床同時工作的場合，因此采用“一機(jī)床一遙控”原則，給每臺機(jī)床及其配套的遙控器設(shè)置唯一的ID號，從而保證遠(yuǎn)程控制的一一對應(yīng)。ID號可通過EEPROM在線設(shè)定，實現(xiàn)批量生產(chǎn)的便利性，收發(fā)部分的邏輯流程框圖如圖8所示。

圖6 無線模塊硬件原理圖

為實現(xiàn)可靠通訊，一方面采用主控芯片本身所具有的CRC校驗功能，對收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗;另一方面實行重發(fā)機(jī)制，接收方在收到數(shù)據(jù)后會回發(fā)給發(fā)送方一個字節(jié)的 ACK位，數(shù)值為0xEE，若發(fā)送方成功接收到了該 ACK位，則表示雙方的一次數(shù)據(jù)傳遞通訊成功，否則，發(fā)送方會不斷地重復(fù)發(fā)送之前的數(shù)據(jù)以確保數(shù)據(jù)最終成功發(fā)送，可靠通信流程圖如圖9所示。

圖7 數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)示意圖

圖8 收發(fā)邏輯流程框圖

圖9 收發(fā)端可靠通訊流程圖

4 系統(tǒng)實驗

本設(shè)計的樣機(jī)與數(shù)控系統(tǒng)相連接進(jìn)行了相關(guān)功能的測試，從數(shù)控系統(tǒng)中引出三根線:UART的2，3和5腳分別連接遙控裝置接收端串口的3、2和5腳以實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

采用了遙控裝置后的數(shù)控系統(tǒng)可以通過發(fā)送端的按鍵來實現(xiàn)操作界面上的按鍵的作用，包括切割氧、XY軸方向運(yùn)動、加減速等。生產(chǎn)環(huán)境測試表明16個按鍵的功能都得以實現(xiàn)，且具有如下特點和擴(kuò)展性:數(shù)據(jù)傳輸速率高，反應(yīng)迅速;收發(fā)模塊采用半雙工通信方式，發(fā)送端與接收端可互換，數(shù)據(jù)流為雙向，通訊可靠性高;手持端可加入液晶屏，顯示電機(jī)的運(yùn)動軌跡，實現(xiàn)電機(jī)運(yùn)動的實時監(jiān)測，更加智能化與人性化。

5 結(jié)束語

硬件設(shè)計采用STC10L08XE作為主控芯片，CC1100作為無線收發(fā)芯片;軟件設(shè)計采用數(shù)據(jù)的CRC校驗和數(shù)據(jù)的自動重發(fā)機(jī)制，實現(xiàn)了無線模塊間的可靠通訊，以較低的成本實現(xiàn)了數(shù)控系統(tǒng)的遙控裝置開發(fā)。該裝置已在實驗室開發(fā)完畢，并在生產(chǎn)環(huán)境中的數(shù)控機(jī)床上得到實際驗證。實驗表明該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，用戶操作便利，大大減少了人力并提高了生產(chǎn)效率。此外，今后的設(shè)計可以考慮實現(xiàn)一個控制點同時對應(yīng)多個受控點，通過撥碼開關(guān)或其他的技術(shù)得以實現(xiàn)多路控制，大大減少人力需求并且提高生產(chǎn)效率。通過與網(wǎng)絡(luò)連接還可以實現(xiàn)實時信息匯報，遠(yuǎn)程調(diào)用信息[3]。因此，該設(shè)計在工業(yè)生產(chǎn)中有著較好的應(yīng)用前景和擴(kuò)展空間。

[1]易剛.對國內(nèi)機(jī)床行業(yè)發(fā)展的幾點思考[J].金屬加工(冷加工)，2011，62(6):43－44.

[2]潘旭兵，林中.基于CC1100的無線手持終端的設(shè)計[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2007，33(10):29－33.

[3]Lihui Wang，Peter Orban，Andrew Cunninghanm，Sherman Lang.Remote real-time CNC machining for web-based manufacturing[J].Robotics and Computer-Integrated Manufacturing，2004，20(6):563－571.