（机械电子工程专业论文）基于windows+cenet的新型数控系统编程模型和蓝牙通信技术的研究.pdf

基于w i n d o w sc e n e t 的新型数控系统 编程模型和蓝牙通信技术的研究 摘要 网络环境下的数字化制造的成功与否不仅取决于企业上层管理的数字化和 信息化，也取决于车间底层的数字化和信息化。后者在一定意义上更加困难。 为解决传统数字车间采用有线网络与通信技术所带来的困扰，获得良好的人机 界面，本文提出了采用无线网络与移动通信技术，在智能手机( s m a r t p h o n e ) 支 持下架构基于w i n d o w sc e n e t 的新型数控系统。这种数控系统以基于 w i n d o w sc e n e t 的、适用于车间制造环境的蓝牙a d h o c 网络为基础，并分为 两部分：一部分是基于智能手机的移动控制器，另一部分是基于 w i n d o w s c e n e t 的嵌入式机床控制器，它们彼此通过蓝牙进行通信。本文详细 介绍了这种新型数控系统的体系结构，基于n e tc o m p a c tf r a m e w o r k 的编程模 型以及蓝牙通信机制及其实现，并给出了简单的结果。另外，本文还提出了基 于w e b 服务的新型数控系统的编程模型，它可以实现i n t e r n e t i n t r a n e t 上跨平台、 跨地域的无缝集成和快速重构，并对其实现在系统框架、软件结构、编程实现 上进行了初步的研究。 关键词：数控系统；移动控制器；w i n d o w sc e n e t ；蓝牙；w e b 服务 r e s e a r c ho np r o g r a m m i n gm o d u l ea n d b l u e t o o t hc o m m u n i c a t i o ni nn e wo p e n i n gc n cs y s t e m b a s e do nw i n d o w sc e n e t a b s t r a c t t h es u c c e s so fd i g i t a l i z i n gm a n u f a c t u r i n gi sn o to n l yd e t e r m i n e du p o nt h e d i g i t a l i z i n ga n di n f o m a t i o n i z i n go ft h eu pl a y e ro fe n t e r p r i s e sa d m i n i s t r a t i o n ，b u ti s a l s od e t e r m i n e du p o nt h ed i g i t a l i z i n ga n di n f o m a t i o n i z i n go ft h eb o t t o ms h o pf l o o r l a y e r i nc e r t a i na s p e c t s ，t h el a t t e ri sm o r ed i f f i c u l tt h a nt h ef o r m e r t os o l v et h e p r o b l e m sb r o u g h tb y t h ew i r ec o m m u n i c a t i o na n dn e t w o r kt e c h n o l o g yi n t r a d i t i o n a l s h o p s f l o o r 。t oo b t a i nt h ew e l lh u m a n m a c h i n ei n t e r f a e ea n d h u m a n m a c h i n ec o l l a b o r a t i v ew o r k i n g ，aw i r e l e s sa d h o cn e t w o r kb a s e do n b l u e t o o t ht e c h n o l o g ya n dw i n d o w sc e n e ti sp r e s e n t e d ，w h i c hi sd e s i g n e df o r s h o pf l o o rm a n u f a c t u r i n ge n v i r o n m e n t a si t sf o u n d a t i o n ，a ni n n o v a t i o nm o d e lo f c n c s y s t e mi sa l s op u tf o r w a r d t h i sn e wk i n do fc n c i sc o m p o s e do ft w op a r t s ： o n ei st h em o b i l ec o n t r o l l e rb a s e do ns m a r t p h o n e ，a n o t h e ri st h ee m b e d d e dc n c c o n t r o l l e rb a s e do nw i n d o w sc e n e t 。b o t hp a r t sc o m m u n i c a t ev i ab l u e t o o t h w i r e l e s st e c h n o l o g y t h ea r c h i t e c t u r ea n dt h ep r o g r a m m i n gm o d e lb a s e do n n e t c o m p a c tf r a m e w o r ka sw e l la st h eb l u e t o o t hc o m m u n i c a t i o nm e c h a n i s ma n d i m p l e m e n t a t i o no ft h i sn e wk i n do fc n c m o d e la r ed i s c u s s e di nd e t a i li nt h i sp a p e r s o m er u n n i n gr e s u l t sa r ea l s os h o w nb r i e f l y t h i sp a p e ra l s op r e s e n t sa n o t h e rn e w p r o g r a m m i n gm o d u l eo fn e wo p e n i n gc n cs y s t e mb a s e do nw e bs e r v i c e s ，w h i c h c a nr e a l i z et h es e a m l e s si n t e g r a t i o na c r o s st h ep l a t f o r ma n dt h er e g i o n ，a n dm a k e sa p r e l i m i n a r yr e s e a r c h o nt h i sn e wo p e n i n gc n cs y s t e mf r a m e w o r k ，s o f t w a r e a r c h i t e c t u r ea n dp r o g r a m m i n gr e a l i z a t i o n k e yw o r d s ：c n cs y s t e m ；m o b i l ec o n t r o l l e r ；w i n d o w sc e n e t ；b l u e t o o t h ；w e b s e r v i c e s 插图清单 图1 1车间数字化制造整体解决方案原理图7 图2 1 w i n d o w sc e 5 0 对蓝牙应用的支持1 1 图2 2新型数控系统体系结构1 2 图2 3 新型数控机床控制器主要硬件组成1 2 图2 4实验用多普达5 7 5 智能手机1 3 图2 5车间数字没备构成的蓝牙p a n 网1 5 图3 1 n e t 技术框架的总体描述一1 9 图3 2 n e tf r a m e w o r k 环境1 9 图4 1软件和硬件的功能界面2 6 图4 2 嵌入式机床控制器软件结构2 7 图4 t 3 w i n c ed l l 入口点查找3 0 图4 4新型数控系统通信协议3 l 图4 5 设置e v c 文件下载路径。3 4 图4 6修改后的d a t 文件3 5 图4 7机床控制器与移动控制器通信3 6 图5 1 w e b 服务体系结构3 9 图5 2基于w e b 服务的数控系统的框架构思4 l 图5 3 基于w e b 服务的数控系统软件结构构思4 2 图5 4 选择“添加w e b 引用”选项4 8 图5 5搜索并获取w e b 引用4 9 图5 6 w i n d o w sc e n e t 服务器上的数控w e b 页面一5 1 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得 盒壁王些太堂 或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示谢意。 日 学位论文作者签名：f 皂q 学位论文版权使用授权书 签字日期；武年f 真 7 本学位论文作者完全了解金胆王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授 权盒坦工些盔堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者躲昔之p 印 签字日期：扣碡年f 月j 7 日 导师签名 签字日期：矽菇年，月9 日 燕荔篇篇旬多麓：笛埘 工作单位：电话：，一，加九场一扩3 通讯地址：沙临t 疹采亭开电庀最人董嘣邮编：n 。1 l ；坟i 蛳) 铲之1 0o 度 致谢 在王治森导师的亲切关怀和悉一t l , 指导下完成的，论文的每一步进展都凝聚 着导师的心血。导师渊博的知识、严谨的治学态度、求实的工作作风、平易近 人的待人方式使我终身受益，必将激励我在科学的道路上奋力拼搏，在此向王 治森导师表示衷心的感谢! 感谢合肥工业大学c i m s 研究所的韩江老师、夏链老师、何高清老师、余 道洋老师。他们丰富的实践经验、以及忘我的工作精神给我留下了深刻的印象， 令我敬佩与叹服! 感谢我的同学周明发、姜峥蝾、程治、姜晓林、成勇、潘斌、王建兵、郭 建强，使得我能够在平时的学习过程中与他们互相交流、互相帮助、不断提高。 感谢博士师兄蒋克荣、高荣、董伯麟给予的帮助和支持，他们独到的见解 和丰富的知识使我得到许多宝贵的经验和启发。 感谢师妹陈为伟，师弟黄晓峰、王向阳、孙芒、张栋栋、苏志远、张国 权、刘向前等给我的帮助，衷心祝他们各位前程似锦! 感谢何晓军、崔伟、郝理想、于婷、毛小丽，和他们一起度过了愉快的研 究生生活，衷心祝他们各位前程似锦! 特别要感谢父母和妹妹，他们一如既往地期待与支持，使我得以完成学业。 对他们的感激之情无法言表，我只有在今后工作、生活和学习中用辉煌成就来 汇报他们的殷殷之情。 向论文中引用过文献的作者们，向所有关心和帮助过我的老师、同学和朋 友表示感谢! 最后，再次向我的导师王治森教授表示感谢1 章建科 2 0 0 6 5 于合肥工业大学 1 1 课题研究背景和意义 第一章绪论 制造产业是指所有与制造相关企业机构的总体，是国民经济的支柱产业， 任何国家都把注意力放在了制造产业的发展和技术改进上。许多国家不仅认为 制造是一个国家的国民经济支柱，而且是国力强弱的象征，对其在世界上的政 治和经济地位都有着决定性的影响【1 “。 经济的全球化，市场的国际化、贸易和投资的自由化，以及服务的世界化， 促进了竞争、鼓励了革新，加快了经济增长速度，使得制造业、制造技术和产 品逐步走向国际化，导致制造业在全球范围内重新分布和组合。世界制造业正 面临着一个不确定性的、急剧变化的、竞争日趋激烈的国际化市场，制造业所 处环境已经发生了重大变化。正是这种国际化的市场竞争促进了制造业的变革 和发展。 近几年来计算机、通讯、网络、信息、自动化等科学技术迅猛发展，制造 业正发生着一场深刻的变革。大量的先进制造理念和先进制造技术不断引入到 制造业胁7 1 ，这些先进制造理念和先进制造技术【4 8 1 不仅成为了制造业的决定因 素，而且还是最活跃的驱动因素。先进制造技术正向着柔性化、智能化、网络 化、协同化等方向发展： 1 柔性制造( f l e x i b m a n u f a c t u r i n g ，f m ) 要求制造系统具备开放的模块化 结构，能够随着加工条件的变化来动态调整，能够满足分式计算和控制 的要求。通俗的说，柔性制造系统是能够加工各种零件的自动化生产系 统，它由自动物料搬运系统连接一组机床和( 或) 生产设备组成，由分 布式多级计算机综合管理与控制，协调机床加工和物流搬运系统的功 能，以适应多品种、中小批量生产。柔性制造系统具有以下优点：在 计算机直接控制下实现产品的自动化制造，大大提高了加工精度和生成 过程的可靠性。使生产过程的控制和流程连续，并且达到最佳化，有 效的提高了生产效率。实现系统内材料、刀具、机床、贮运、夹具以 及测量检查站的理想配置，具有良好的柔性。可直接调整物流( 即工 作流、工具流) 和制造中的各项工序，制造不同各种的产品，大大提高 了设备的利用率。 2 智能制造( i n t e l l i g e n tm a n u f a c t u r i n g ，i m ) 要求工业控制设备能够实时 监测自身状态和现场环境的变化，准确预测、正确识别和及时处理控制 过程中的各种故障，自适应的调整控制方式和保证系统的安全性。智能 制造系统可以看作是由一种智能机器和人类专家共同组成的人机一体 化的智能系统，在制造过程中能进行诸如分析、推理、判断、构思、决 策等智能活动。智能制造系统具有以下特征：自律能力。能够分析、 判断和规划自身行为，具有一定的独立性和自主性。人机一体化，即 实现“人的智能”和“机器的智能”进行有机结合 8 - 9 1 4 , 4 9 。人机协同是在 早期人们过分追求制造系统的自动化和无人化，忽略了人在系统中的作 用和组织管理机制，使许多高度自动化的制造系统在运行过程中遭到意 想不到的失败和损失后的深刻总结。我国学者路甬祥等提出了人机一体 化系统科学与技术的基本概念及理论体系，并对“人机一体化系统” ( h u m a n m a c h i n es y s t e m ) 进行了定义：采取以人为中心，人、机械一 体的技术路线，人与机器处在平等合作的地位，人与机械共同组成个 系统，各自执行自己最擅长的工作，入与机器共同认识、共同感知、共 同决策、共同工作，从而达到甚至超过人的能力乃至智力的“超智 能”( s u p e rh u m a ni n t e l l i g e n c e ) 系统。虚拟制造。自组织。根据任务 需要自主组织制造结果，具有很强的柔性。学习和优化能力。自修 复。 3 网络制造( n e t w o r k e dm a n u f a c t u r i n g ) 则为广泛分布的设备资源、人力 资源和数据资源提供了共享和交互的载体和手段，为建立网络化的制造 体系、服务体系和商务体系提供了技术支持【4 ”4 ”。浙江大学顾新建、祁 国宁教授等给出的网络制造的相关定义为：“网络化制造是制造业利用 网络技术开展的产品开发和设计、制造、销售、采购、管理等一系列活 动的总称。”、“网络化制造系统是基于i n t e r n e t i n t r a n e t 的制造系统模 式。”、“网络化制造技术是支持网络化制造的、将网络技术与其它技术 事例在一起的技术总称。”。网络制造的实施有如下重要意义：增强 企业内部或合作企业之间的协同能力。拓展企业内部或合作企业之间 的创新能力。优化整合企业内部或合作企业之间的资源。提高企业 或合作企业之间的竞争力。提高企业或合作企业之间的影响力。 4 协同制造( c o l l a b o r a t i v em a n u f a c t u r i n g ) 则是在网络化的支持下，实现 企业间协同。在网络化制造环境下，企业协同技术的研究【53 】，包括网络化 制造的协同战略、模式、体系结构、产品协同开发原理和实施方法，信 息系统协同化，协同质量管理，供应商协同评价系统以及分布式协同建 模等内容。基于协同的制造策略，网络化制造使得中小企业需要加强与 其他企业的协同合作，以应对新的机遇和挑战。 十六大报告提出走新型工业化道路，以信息化带动工业化。以信息化带动 工业化主要将从三个层面上展开。其中第一层次首先就是设备的信息化，即机 电一体化的数控设备的应用，这是信息化的基础。数控设备的使用将大大提高 产品的质量、档次以及稳定性和可靠性，由此企业特别是在传统产业领域内的 企业将大大增强自身的竞争优势，取得超常规的发展速度1 1 0 1 。而且，“高档数 控机床与基础制造技术”已被列为我国国家中长期科学和技术发展规划纲要 ( 2 0 0 6 m 2 0 2 0 年) 的重大专项。因此，如何将先进的制造理念和先进的制造 技术运用到设备的信息化中，开发出适用于企业信息化的数控系统，是我们当 前和以后的主要任务。我们的研究工作就是在这种背景下进行的。 1 - i 1当前生产车间现状 车间是企业生产成本的主要发生地、物化与利润的产生中心和产品质量的 主要形成场所，同时也是先进制造技术实施的主要场所。因此，网络环境下的 数字化制造的成功与否不仅取决于企业上层管理的数字化和信息化，也取决于 车间底层的数字化和信息化。 美国国家标准技术研究所( n i s t ) 提出了c i m s 体系结构的5 层参考模型， 即工厂级、车间级、单元级、工作站级和设备级。简化的c i m s 则分为3 层， 即工厂级、车间级和设备级。设备级与车间级自动化监控及信息集成系统主要 完成底层设备单机控制、连机控制、通信连网、在线设备状态监测及现场设备 运行、生产数据的采集、存储、统计等功能，保证现场设备高质量完成生产任 务，并将现场设备生产及运行数据信息传送到工厂管理层，向工厂级制造信息 系统( m a n u f a c t u r i n gi n f o r m a t i o ns y s t e m ，m i s ) 数据库提供数据。同时也可接 受工厂管理层下达的生产管理及调度命令并执行之。设备是车间的最小单元， 是车间任务的执行主体，因此，设备的数字化、信息化程度决定了设备级与车 间级监控及信息集成系统。 但是，目前设备级与车间级监控及信息集成系统的实现存在很多困难，主 要表现在以下几个方面【1 1 ，5o j ： 1 车间的数字化和信息化要涉及机床和其它制造设备的数字化和信息化。 但现实的情况是无论大小企业，车间中除了少数的数控机床，大部分还 是与数字化无缘的普通设备。因此难于及时收集数据，造成车间信息化 的盲区。 2 除非重新设计和建造车间，否则在现有的车间中实现设备的布线连网较 之在管理和设计部门要困难得多， 3 企业上层网络的终端或客户机大多都是功能强大的个人计算机，而车间 的数控设备，目前除了执行单机控制任务之外，其数据处理和联网功能 还远远比不上个人计算机。尽管现在已有不少数控系统采用了p c 机的 开放式体系结构，但实现信息化所需的相应软件( 如数据采集、工艺数 据库、支持t c p i p 和适合于车间制造的会话层及应用层协议等高层通 信协议等) 还未在这些数控系统上真正实现。 4 传统的f m s 是一种无人化的全自动化生产模式，不仅耗资巨大，而且 由于它是建立在确定型系统概念之上的，一切依赖于计算机控制，排斥 了人的参与，不能充分发挥人的智能优势，因而灵活性和可靠性都不易 保证。 在这种车间环境中，实现车间技术人员的现场检修、更改产品设计、讨论 工程方案，在车间任何地方查阅技术档案、发出技术指令、请求技术支援，甚 至和厂外专家讨论问题将会产生很大的困难，甚至是不可能实现的。因此，单 纯的依靠现有的有线网络的车间网络布线格局存在很多缺陷：而且，我国现有 的车间大部分还缺乏有线网络的支持。在这种形势下，迫切需要研究一种适合 于车间网络化制造的新的模式及其切实可行的实现方法。这种实现方法应该是 在充分利用现有技术，对现有车间环境( 车间布局) 改变最小，能最大化满足 设备级与车间级监控及信息集成系统的要求，并且容易实施。 1 1 2 嵌入式技术与数控技术 开放式数控是数控发展的趋势，国内外对此都做了深入的研究【5 “5 5 - 5 6 。 目前，基于p c 的数控系统多采用d o s 和w i n d o w s 等通用操作系统作为软 件平台 1 7 - 1 8 。d o s 环境下界面不友好，开发周期长，难度大，尤其d o s 不是 网络操作系统，故d o s 不适合作为开发式数控软件平台。而基于w i n d o w s 系 列平台的数控系统一般采用两种形式。 n c + p c 嵌入的结构。这种形式具有p c 的人机界面，但传统的n c 内核 保持了原有的封闭性，故只能提供人机接口开发。 p c + 运动控制卡结构。这种形式能充分保证系统的性能，软件通用性强， 编程灵活，但实时控制主要依靠外加运动控制卡实现。后者目前尚无统一的标 准。因而，还不能很好的满足开放式数控系统对开发平台的要求。 以上情况表明，如何在获得最广泛支持的标准的基础之上建立数控系统的 智能化和开放的平台，作为构建网络化制造体系和现场监控体系的基础，已成 为当前开放式数控系统研究中的迫切课题。 由于嵌入式技术( 硬件和软件) 的不断进步，如今各种各样的新型嵌入式 系统设备在应用数量上己经远远超过了通用计算机。在工业和服务领域中，使 用嵌入式技术的数控机床、智能工具、工业机器人、服务机器人、柔性制造系 统正在逐渐改变着传统工业生产和服务方式。 嵌入式系统是集软硬件于一体的、可独立工作的计算机系统。与通用计算 机系统相比，具有以下特点：专用性强，可裁剪性好，实时性与可靠性好，功 耗低。包括硬件部分和软件部分。 嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低和可靠性高的优点，是嵌入 式系统的核心。自从2 0 世界7 0 年代初提出嵌入式系统的概念以来，嵌入式系 统以其高性能、低功耗的特点高速发展。随着嵌入式设备与i n t e r n e t 的广泛结 合，以3 2 位为处理器作为高性能嵌入式系统开发的核心已是嵌入式技术发展的 必然趋势【“4 。 近年来，由于网络与通讯技术的迅猛发展，嵌入式设备芯片集成了更多的 功能，提供了更多的有效软件支持： 1 为了满足应用功能方面的升级，一般采用3 2 位、6 4 位r i s c 芯片或数 字信号处理器d s p 来增强处理，同时增加如u s b 等功能接口，c a n 等 扩展总线类型，加强对多媒体、图形图像等的处理能力。 2 软件支持方面，采用实时多任务编程技术和交叉开发工具技术来控制功 能复杂性，简化应用程序设计，保障软件质量和缩短开发周期。为了满 足网络发展的要求，硬件上提供各种网络通信接口及相应的通信组网协 议软件和物理层驱动软件；同时系统内核支持网络模块，甚至可以在嵌 入式设备上嵌入w e b 浏览器，真正实现随时随地可以用各种设备的上 网。 嵌入式实时操作系统是一种用途广泛的系统软件。实时系统的定义是：能 够在确定的时间内执行计算或处理功能并对外部事件作出反应的计算机系统。 具有如下特点：微型化，可裁剪性，实时性，高可靠性和易移植性。常见的嵌 入式实时操作系统有w i n d o w sc e 、v x w o r k s 、l _ t c l i n u x 和g c o s 。 由于嵌入式技术的飞跃发展，越来越多的研究人员将目光聚集在用嵌入式 技术实现开放式数控系统1 5 “。 1 1 3 无线移动通讯与车间网络化 生产车间建设网络链路可以采用两种方式：有线和无线。有线网络技术最 大的优势是高速，而且技术成熟，因此经常被应用于主干网络建设。但是由于 局域网的地理限制以及用户应用的灵活性，有线局域网表现出了很多的缺点。 主要表现在： 1 建设周期长，费用高，因为有线通信必须架设电缆，或挖掘电缆沟或架 设架空明线； 2 容易受地势影响，不能任意铺设； 3 链路维护困难，很难及时查找故障点。 生产车间就是有线局域网缺点表现突出的地方：往往不能铺设连到计算机 的电缆，在加固混凝土的地板下面也无法铺设电缆，空中起重机使人很难在空 中布线，零备件及货运通道也不便在地面布线。 无线局域网绝不是用来取代有线局域网，而是用来弥补有线局域网的不足， 以达到网络延伸的目的。无线网络技术的优点是：有标准作基础，功能强，容 易安装，组网灵活，即插即用的网络连接，可移动性，因而提供了不受限制的 应用。 随着射频技术、集成电路技术的发展，无线通信功能的实现越来越容易， 数据传输速度也越来越快，并且逐渐达到可以和有线网络相媲美的水平。而有 线网络布线麻烦，线路故障难以检查，设备重新布局就要重新布线，且不能随 意移动等缺点越发突出。在向往自由和希望随时随地进行通信的今天，人们把 目光转向了无线通信方式，尤其是一些机动性要求较强的设备，或人们不方便 随时到达现场的条件下。 通过上面的分析我们可以看出：无线技术在网络接入技术与局域网技术方 面优势是非常明显的，车间网络的布线形式和车间数字化设备显然是实现车间 网络化的关键，同时也是数字化制造的关键，而将无线移动通讯技术和嵌入式 设备相结合必然能促进车间网络化的实现。 于是，我们提出车间数字化制造的无线技术解决方案“基于无线通信的 人机协同的车问数字化制造i l i j ”( 见图1 1 ) 。它是在“信息化带动工业化，工业 化促进信息化”的战略方针指导下，在车间制造系统中，充分利用新一代有线和 无线、i n t e r n e “i n t r a n e t 网络等信息技术，提高车间生产现场的信息化水平，同 时，在制造过程中，充分利用人的知识、经验、技能、技巧和主观能动性，实 现人机协同的产品制造，以尽可能的低成本提升车间的自动化水平和市场竞争 能力。由车间计划管理层、现场调度层和设备层三个层面组成。 车间管理层配置车间数据库服务器，w e b 服务器，c a d c a p p c a m 工作 站和计划调度工作站。车间管理层以台式p c 机为主，在其内部可保持原有的 有线网络结构，但应当配备无线网关、网桥、路由器等，通过无线通信对现场 调度层和加工设备层提供技术支持。 现场调度层和设备层主要由采用无线网络与移动通信技术，在移动控制器 ( 由智能手机充当) 支持下架构基于w i n d o w sc e n e t 的新型数控系统【”】组成。 这种新型数控系统通过蓝牙来构建短距离无线与移动通信的蓝牙个域网 ( p e r s o n a la r e an e t w o r k ，p a n ) ，实现车间内数控设备的移动控制，从而创建 一种能够随时随地获取信息，充分发挥“人的智能”和“机器智能”的人机协同工 作模式： 1 新型数控系统将原数控系统的部分功能转移到移动控制器( 智能手机) 上；通过无线技术实现智能手机与机床控制器之间的信息交换，从而实 现真正的分布式与可移动。 2 在车间数据库和服务器支持下，移动控制器协助调度员实时采集现场数 据，及时获取车间数据库和服务器的支持，快速灵活地做出决策。 3 由于移动控制器( m o b i l ec o n t r o l l e r ，由智能手机担当) 的引入，有效 的解决了车间制造中的技术支持问题：通过智能手机( s m a r t p h o n e ) 上 网( i n t r a n e t i n t e r n e t ) ，实现车间技术人员的现场检修、更改产品设计、 讨论工程方案，在车间任何地方查阅技术档案、发出技术指令、请求技 术支援，甚至和厂外专家讨论问题。 第二制造单元b l u e t 。t hp n 一一1 j 一一一j 图1 1车间数字化制造整体解决方案原理图 在这种模式下，人能随时随地获取信息并根据形象思维、直觉和经验做出 判断，并与基于长期存储、精确推理与快速数据处理的机器智能无缝地结合起 来，实现灵活快捷的最佳决策。这是一个长期的课题，现在需要先从底层做起。 1 2 课题来源、主要内容 1 2 1课题来源 本课题来源于合肥工业大学c i m s 研究所的国家自然基金项目“人机协同 的车间数字化制造模式一基于移动通信的车间数字助理和掌上数控研究”。该基 金的研究内容主要有以下五个方面： 1 基于移动通信技术的新型数控系统专用操作系统研究； 2 基于w i n d o w sc e n e t 平台的数控系统专用系统研究： 3 ，运行于上述平台的嵌入式数控系统的实时性和多线程并行机制研究； 4 蓝牙无线通信技术在数控系统中的应用研究； 5 数控p d a 的人机工程学设计研究。 1 2 2 课题研究的主要内容 针对基于w i n d o w sc e n e t 和移动通信技术的新型数控系统的研究开发， 本学位论文以新型数控系统中的嵌入式机床控制器为主要研究对象，研究了以 下内容： 1 软件编程技术。研究了微软的n e t 平台和新的编程技术n e t 编程。 并介绍了与课题研究开发相关的v i s u a ls t u d i o n e t 中的编程模板。 2 研究了基于w i n d o w sc e n e t 的新型数控系统的框架结构及其组成，并 总结了新型数控系统的特点。 3 重点研究了基于w i n d o w sc e n e t 的机床控制器的关键技术：基于 w i n d o w sc e n e t 的机床控制器( c n cc o n t r o l l e r ) 的软件框架结构及其 多语言编程的实现；基于w i n d o w sc e n e t 的机床控制器在n e t c o m p a c tf r a m e w o r k 上的蓝牙高层通信协议的定义及其实现；w i n d o w s c e n e t 和应用程序在机床控制器上的部署。 4 研究了数控系统新的编程模型一一基于w e b 服务的编程。提出了基于 w e b 服务的数控系统软件框架构思，并对编程实现方法和技术难点做了 初步的研究和概括：初步研究了数控系统中数据结构的x m l 实现方式； 初步研究了p c + 运动控制器模式的数控系统的x m lw e b 服务的应用程 序开发；初步研究了如何将基于w i n d o w sc e n e t 的嵌入式数控系统配 置成w e b 服务器，并给出了简单的例子。 第二章基于w i n d o w sc e n e t 的新型数控系统框架结构及 其特点 我们研究的新型数控系统采用的是全软件模式：使用的是w i n d o w s c e n e t 嵌入式操作系统，并通过蓝牙实现个各组成部分的通信。 2 1w i n d o w sc e n e t 与蓝牙 2 1 1w i n d o w sc e n e t 简介1 1 6 。1 9 w i n d o w sc e 是微软公司专门为智能设备、移动产品、嵌入式应用等非桌 面设备而设计的操作系统，是一个3 2 位的抢先式多任务操作系统。2 0 0 2 年1 月，微软发布了w i n d o w sc e n e t ，即w i n d o w sc e n e t4 0 版本。新推出的 w i n d o w sc e n e t 构建于微软统一的战略平台n e t 之上。 实时能力是嵌入式操作系统在工业控制领域应用的一个重要指标。 w i n d o w sc e 有很好的实时性：它l m s 定时周期的误差约为1 0 0 1 a s ，在2 0 0 m h z 的x 8 6 系统下可望达到5 0 i - t s ；当采用在中断服务例程( i n t e r r u p ts e r v i c er o u t i n e ， i s r ) 中直接处理时，中断延时非常短；较长的延时通常发生在采用中断服务 线程( i n t e r r u p ts e r v i c et h r e a d ，i s t ) 方式处理中断事务的情况下，但既使在这 种情况下系统仍能保证延时不超过1 0 0 i - t s 1 6 】。 w i n d o w sc e 上所推出的。n e t 技术又名为“n e t c o m p a c t f r a m e w o r k ”。n e tc o m p a c tf r a m e w o r k 【j 州体现了w i n d o w sc e 装置的n e t f r a m e w o r k 技术，继承了n e tf r a m e w o r k 的架构重新设计，提供了包括公共语 言运行时( c o m m o nl a n g u a g er u n t i m e ，c l r ) 和托管代码运行( m a n a g e dc o d e e x e c u t i o n ) 、内存管理和资源回收( g a r b a g ec o l l e c t i o n ) 等功能；同时提供了多种 开发工具语言，并提供x m l 网页服务( x m lw e bs e r v i c e s ) 、m i c r o s o f ta d o n e t 数据存取、窗口窗体( w i n d o w sf o r m s ) 和网络通信等应用程序开发功能。 w i n d o w sc e n e t 的这些特点使w i n d o w sc e n e t 的应用开发能力大大增强。 2 1 2 蓝牙简介1 9 。2 3 蓝牙( b l u e t o o t h ) 是由东芝、爱立信、i b m 、i n t e l 和诺基亚于1 9 9 8 年5 月 共同提出的近距离无线数字通信的技术标准。它最初的目标是取代现有的掌上 电脑、移动电话等各种数字设备上的有线电缆连接。从目前的应用来看，由于 蓝牙体积小功耗低，其应用已不局限于计算机外设，几乎可以被集成到任何数 字设备之中，特别是那些对数据传输速率要求不高的移动设备和便携设备。蓝 9 牙技术的特点可归纳为如下几点： 1 全球范围适用：蓝牙工作在2 4 g h z 的工业、科学和医学( i n d u s t r i a l ， s c i e n t i f i ca n dm e d i c a l ，i s m ) 频段，全球大多数国家i s m 频段的范围是 2 4 - - 2 4 8 3 5 g h z ，使用该频段无须向各国的无线电资源管理部门申请许 可证。 2 可传输语音和数据：蓝牙采用电路交换和分组交换技术，支持异步数据 信道、三路语音信道以及异步数据与同步语音同时传输的信道。 3 可以建立临时性对等连接( a dh o cc o n n e c t i o n ) ，构建无线移动网络： 根据蓝牙设备在网络中的角色，可以分为主设备( m a s t e r ) 与从设备 ( s l a v e r ) 。主设备是组网连接主动发起请求的蓝牙设备，而连接响应方 则为从设备。几个蓝牙设备连接成一个微微网( p i - c o n e t ) 时，其中只 有一个主设备，其余的均为从设备。微微网是蓝牙最基本的一种网络形 式，最简单的微微网是一个主设备和一个从设备组成的点对点的通信连 接。多个微微网在时间和空间上相互重叠而构成更加复杂的网络拓扑结 构称为散射网( s c a t t e r n e t ) 。 4 具有很好的抗干扰能力：工作在1 s m 频段的无线电设备有很多种，如家 用微波炉、无线局域网( w i r e l e s sl o c a l a r e a n e t w o r k ，w l a n ) 和h o m e r f 等产品，为很好地抵抗来自这些设备地干扰，蓝牙采取了调频( f r e q u e n c y h o p p i n g ) 方式来扩展频谱( s p r e a ds p e c t r u m ) ，将2 4 0 2 2 4 8 g h z 频 段分成7 9 个频点发送，而频点地排列顺序则是伪随机地，每秒钟频率 改变1 6 0 0 次，每个频率持续6 2 5 i t s 。 5 蓝牙模块体积很小，可以方便地集成到各种设备中，以适应嵌入式设备 一般体积较小地特点，如爱立信公司的蓝牙模块r o k l 0 4 0 0 1 的外形尺 寸仅为1 5 5 m i n x l 0 5 m m 2 1 m m 。 6 低功耗：蓝牙设备在通信连接( c o n n e c t i o n ) 状态下，有四种工作模式 一激活( a c t i v e ) 模式、呼吸( s n i f f ) 模式、保持( h o l d ) 模式和休眠 ( p a r k ) 模式。激活模式是正常的工作状态，另外三种模式是为了节能 所规定的低功耗模式。 7 开放的接口标准：s 1 g 为了推广蓝牙技术的使用，将蓝牙的技术标准全 部公开，全世界的任何单位和个人都可以进行蓝牙产品的开发，只要最 终通过s i g 的蓝牙产品兼容性测试，就可以推向市场。 车间条件普遍比较复杂，所以要求我们选用的无线通信技术应具有可靠性 高、数据分组透明、传输时间短、功耗低、耐温强度大等特点，而蓝牙技术较 好地符合了这些要求：具有成本低、体积小、安全性高等优势，更重要的是蓝 牙比i e e e s 0 2 1 1 x 更具有移动性，更适合车间的移动控制 23 1 。因此，蓝牙技术 为人机协同工作模式提供了一种更加轻便和灵活的解决方案。 1 0 2 1 3w i n d o w sc e n e t 对蓝牙的支持简介1 1 9 由于蓝牙是一种新生的无线通讯技术，各个大的软件公司的现有成熟产品 对蓝牙的支持力度并不大，微软公司也不例外。从w i n d o w sc e n e t ( 4 0 ) 版 本开始，微软公司才逐渐在其嵌入式操作系统产品中支持蓝牙。目前，最新版 本w i n d o w sc e5 0 是该系列产品中对蓝牙较为完善的一个版本。因此，我们以 w i n d o w sc e5 0 为主要平台仔细研究了其对蓝牙的支持：支持4 个应用剖面和 4 个设备驱动驱动( 如图2 1 所示) 。 器圆c o m m u n i c a t i o ns e w i c e sa n dn e t w o r k i n g 皤盘n e t w o r k i n g l o c a la r e an e t w o r kf l a n i 嶙盥n e t w o r k i n g p e r s o n a la r e an e t w o r ki p a n l 融氆lb l u e t o o t h 国姻b l u e t o o 恤h i dd e v i c es u p p o r t i ib l u e t o o t hh i d k e y b o a r d i ib l u e t o o t hh i d m o o s e ：薅圈b l u e t o o t hp r o f i l e ss u p p o r t ： i ib l u e t o o t hd u ng a t e w a y b l u e t o o t hh s i h fa n da u d i og a t e w a ys e w i c e b l u e t o o t hl pa n dc o n f i g u r a t i o nu t i l l t y 日i u e t o a t hp n u e t o o t hp r o t o c o is 髓c kw i t ht r a n s p o r td r i v e rs u p p o r t b l u e t o o t hs t a c kw i t hi n t e g r a t e dc s r c h i p s e td r i v e r b l u e t o o t hs t a c kw i t hi n t e g r a t e ds d i od r i v e r b l u e t o o t hs t a c kw i t hi n t e g r a t e du j 黼d r i v e r b l u e t o o t hs t a c kw i t hi n t e g r a t e du s bd r i v e r b l u e t o o t