引言
目前，制造业逐步向网络化制造发展。然而，我国制造企业的数控车间有较大部分数控机床采用单机模式工作，数控机床整体运行效率低下，导致企业竞争力降低。为了解决这些问题，必须实现数控机床联网与数据采集。
在数控机床联网方面，利用软件进行协议转换很好的解决协议转换问题，基于“软插件”思想构建“软插件库”较好的解决协议异构问题，但是目前主要基于有线构建通信网络，移动性差，车间扩展性和重构性差，基于无线通信的研究很少。在数控机床数据采集方面，主要采用PC进行数据采集，利用嵌入式设备进行数据采集方面的研究较少，数据采集方式多样，没有一种具有通用性但又能针对特定应用进行扩展的数据采集模式，采集方式适应性差。
针对上述不足，设计与开发嵌入式适配器实现数控机床联网与数据采集。下面分为嵌入式适配器总体框架、嵌入式适配器关键技术、嵌入式适配器实现、实验与分析和总结等五个部分进行介绍。
1 嵌入式适配器总体框架
数控机床数据采集嵌入式适配器的主要功能包括：与数控机床和上位机通信、数控机床数据采集和语法异构数据处理。在通信方面，嵌入式适配器通过串口与数控机床相连，通过串口与数控机床通信；嵌入式适配器通过WiFi与无线AP相连，通过无线与上位机通信。在数控机床数据采集方面，实现数控机床参数、机床报警数据、偏置数据、数控机床主轴转速、主轴进给速率、当前刀具号、加工的数控程序号、开始加工时间和结束加工时间的采集。在语法异构数据处理方面，将不同表达格式的数据转化为统一的格式。
基于上述功能考虑，数控机床数据采集嵌入式适配器由嵌入式适配器硬件系统、嵌入式适配器操作系统和嵌入式适配器数据采集与处理应用软件三部分组成，其总体框架如图1所示。嵌入式适配器硬件系统是嵌入式适配器操作系统和嵌入式适配器数据采集与处理应用软件运行的基础，也是嵌入式适配器的外在体现，主要由处理器、存储器和外部接口三部分组成。嵌入式适配器操作系统进行任务调度和为应用程序提供接口，主要由硬件驱动、系统内核和应用程序接口组成。嵌入式适配器数据采集与处理应用软件进行数控机床数据采集并将采集的异构数据同构化，其主要由基础信息模块、数据采集模块和数据处理模块组成。
图1 数控机床数据采集嵌入式适配器总体框架图
2 嵌入式适配器关键技术
2.1嵌入式适配器操作系统定制技术
嵌入式适配器操作系统主要有两个方面的作用:管理系统中的各种资源，为使用者提供一定的接口。嵌入式适配器的资源有多种，如CPU、存储器、输入输出等硬件资源，可执行程序和其他数据文件等软件资源，来自网络上的资源也可分属到上面的两个类型中。如何让硬件资源被使用者合理使用，如何让抽象的数据以良好的形式展现给使用者与应用程序，是嵌入式适配器操作系统需要解决的问题。资源已经被管理和分配，嵌入式适配器操作系统的另外一个作用就是组织良好的资料让使用者能够方便的使用，提供一些界面，比如GUI( Graphical UserInterface，图形用户界面)。嵌入式适配器操作系统定制通过搭建嵌入式适配器操作系统定制平台，依据嵌入式适配器软硬件方面的功能需求，在定制平台提供的资源中选择合适的组件，生成嵌入式适配器操作系统镜像，烧写到开发板，进行功能测试，修改直至满足功能需求。
2. 2嵌入式适配器异构数据处理技术
嵌入式适配器采集多种类型数控机床的数据，这些数据存在语法和语义上的异构，为了便于统一组织和管理，首先需要将语法异构数据同构化。
XML是World Wide Web联盟(W3C)的一个开放标准，它是一组规则和准则的集合，具有良好的数据存储格式、开放性、可扩展性、自描述性、高度的结构化、便于网络传输等特性。XML所关心的主要是数据，而其它的因素像数据结构和数据类型、表现和操作都由其它的以XML为核心的相关技术来完成。
为实现语法异构数据同构化，首先，利用XMLSchema描述一类XML文档的数据结构和数据类型，然后，利用XSLT ( Extensible Stylesheet LanguageTransformations)建立该类异构文档与同构化文档之间的映射关系，最后，组合利用XML Schema和XMLXSLT实现语法异构数据同构化处理，将异构的数据转化为同构的数据。
3 嵌入式适配器实现
3.1嵌入式适配器硬件系统实现
基于嵌入式适配器在计算、存储、通信和调试方面的需求设计嵌入式适配器硬件系统。主要考虑处理器、存储器和外部接口三部分。目前常见的嵌入式处理器包括ARM， MIPS， PowerPC和X86系列，其中，ARM处理器功耗和性能平衡最好而且应用最广泛，选择ARM11作为嵌入式适配器的处理器。选择应用广泛的SDRAM作为内存，选择价格相对低廉的FLASH作为外存。目前，绝大多数数控机床提供串行通讯接口，添加UART串行通讯接口;嵌入式适配器与上位机通过无线通信，在WiFi、蓝牙和红外等几种常见的无线通信方式中，WiFi在速率、稳定性和距离方面最优，添加GPIO WiFi接口;考虑程序调试和后续扩展需求，添加USB和以太网接口。嵌入式适配器硬件系统如图2所示。
图2 数控机床数据采集嵌入式适配器硬件系统图
3. 2嵌入式适配器操作系统实现
选择Windows Embedded CE6.0作为嵌入式适配器操作系统，搭建嵌入式适配器操作系统定制平台，按顺序安装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。
整个定制分为4步，如图3所示。首先选择模板创建初始的操作系统，在此选择“Industrial Device”模板，接着第二步进行修改，主要进行数据库、通信组件、驱动程序的添加和删除操作，第三步生成操作系统，利用SD卡烧写到开发板，第四步利用测试程序对操作系统进行测试，主要包括串口通信和文档编辑测试，根据测试结果进行反馈、修改直至满足需求，最后发布系统。
图3 数控机床数据采集嵌入式适配器操作系统定制流程图
3. 3嵌入式适配器数据采集处理软件实现
嵌入式适配器数据采集与处理软件的主要功能包括两点:采集数控机床数据，将采集的异构数据同构化。
数据采集与处理软件主要由基础信息模块、数据采集模块和数据处理模块组成，如图4所示。其中，基础信息模块保存嵌入式适配器采集通道的配置信息、采集数据类型的XML Schema信息和数据映射对应的XML XSLT信息;数据采集模块依据请求类型解析模块解析的数据类型或者配置的数据类型建立对应的数据采集通道，依据采集通道的运行流程采集数控机床数据并将采集的数据发送到数据处理模块，数据采集通道可以根据数据类型进行扩展;数据处理模块将数据采集模块采集的语法异构数据转化为统一的XML文档，发送到DNC服务器的嵌入式适配器接口。
图4 嵌入式适配器数据采集与处理软件框架图
整个数据采集与处理软件在订阅/发布模式下的主要运行流程如图5所示。首先，数据采集模块从基础信息模块获取需要采集的数据类型，依据采集数据类型确定数据采集方式并建立数据采集通道采集数控机床数据，然后将采集的数据发送到数据处理模块，数据处理模块从基础信息模块获取采集数据类型对应的XML Schema信息和XML XSLT信息，依据数据类型对应的XML Schema信息和XMLXSLT信息，将数据采集模块采集的语法异构数据转化为统一格式的XML文档信息，最后，发送到DNC服务器适配器接口模块。
嵌入式适配器数据采集模块的运行流程如图6所示。首先，数据采集模块获取需要采集的数据类型，依据数据类型建立数据采集通道。对应不同的类型，建立不同的数据采集通道，数据采集通道可以根据采集类型进行扩展。以串口数据采集通道为例，其具体流程如下:创建串口，依据数据采集通道配置信息配置串口参数;打开串口;读/写串口数据;读写完毕后关闭串口。最后将采集的数据发送到数据处理模块。
图5 嵌入式适配器傲据采集与处理软件运行流程图
(审核编辑: 智汇小新)
