摘 要：將CAN總線網絡與Ethernet（車間以太網）、Internet結合，本文提出了基于CAN總線的DNC遠程診斷及監控系統，研究了該系統的體系結構、各部分的功能及相互關系，并探討了該系統實現過程中的一些關鍵技術。

關鍵詞：遠程診斷;CAN總線;ASP;Socket

0 引言

DNC（Distributed Numerical Control）是把車間內的數控機床與上位控制計算機集成，實現加工設備集中控制與管理的一種方式。這種方式雖然充分利用了設備的潛力，提高了企業生產效率，但是對設備的維護提出了更高的要求。流水線上關鍵設備的長時間停機，將會給生產帶來巨大的損失。為了使損失降到最低，應該在提高設備可靠性的同時，對加工設備進行狀態監控，以便在設備出現故障征兆時，能及時進行故障處理，縮短故障診斷和維修時間。但是從我國大部分企業的人員配備模式來看，企業內部用于設備維護的專業技術人員相對較少，不可能在全國各地設立售后服務中心，當設備出現故障時，由于地域的原因專家無法及時到達故障現場，也就無法了解設備當時的實際運行情況和現場的基本參數，這不僅給診斷帶來了困難也給用戶帶來了巨大的經濟損失。為此本文提出了基于CAN總線的DNC遠程診斷及監控系統，并對其體系結構及關鍵技術的實現作了介紹。

1 系統的總體結構

基于CAN總線（The Controller Area Net-work Fieldbus）的DNC遠程診斷及監控系統主要由DSP數據采集器、上位監控機、數據庫服務器、企業Web服務器、企業故障診斷中心及遠程故障診斷中心6部分組成，如圖1所示。

圖1 系統結構圖

DSP數據采集器從傳感器組中采集來自數控機床的信號（如來自刀具切削振動信號、機床主軸軸承振動信號、液壓系統的溫度等），并進行一系列的信號處理（如穩壓濾波、A/D轉換等）后，經CAN總線送入上位監控機（另有一備份冗余監控機）。上位監控機上的實時在線監控系統不僅能實現數據的實時顯示、實時數據的存儲，而且還能通過WinSocket控件與數據庫之間進行通信。此外，上位監控機還能根據設備的加工能力將加工程序經過CAN總線及RS232/CAN轉換模塊送入不同的數控機床完成零件的加工;數據庫服務器上安裝了Microsoft公司的SQL Server 2000。數據庫服務器應用程序的主要任務是接收和處理來自上位監控機的數據，并將接收的數據寫入原始數據緩沖區，在對數據進行分析處理后將其寫入SQL Server數據庫。當流水線上的某一機床出現故障時，將故障時刻的記錄寫入設備故障狀況表中;Web服務器是設立在Internet上的服務站點，企業故障診斷中心及遠程故障診斷中心與Web服務器之間采用B/S（瀏覽器/服務器）模式，所有監控、分析、診斷軟件都放在Web服務器上，并通過Web主頁進行管理。

2 遠程診斷及監控系統的實現

2.1 對實時數據的采集

本遠程診斷及監控系統中的在現場設備級的通信程序中設置了一些底層函數供上位監控機調用，以實現DSP采集器與監控機的通訊。現場實時數據采集的工作流程是：傳感器信號經過必要的穩壓濾波，送入ADC（模數轉換器），并根據系統對數據的不同需要，若是參考性、資料性信號，就把數據存貯起來適當的時候傳到上位機;若是比較緊急和實時的控制反饋數據，比如說機床報警信號，那就及時的傳送到上位機進行處理或用作控制。系統中，各DSP芯片獨自的完成相應的數據采集。并可通過上位機下傳數據表格的方式靈活的改變傳感器的定標系數，尤其適合于傳感器線性度不是很理想的系統。各DSP的工作狀態和工作模式由上位機靈活選擇，提高系統的適應能力。

數據采集器以DSP芯片-TMS320LF2407A芯片為核心，TMS320LF2407A的ADC模塊帶有內置采樣/保持電路的10位ADC，總共有16個模擬輸入通道，可用來實現采集信號的A/D轉換。頻率采集則利用DSP芯片所帶事件管理器的捕獲單元完成由于2407A芯片帶有六個捕獲單元，他們在相應的捕獲引腳上出現跳變時被觸發，產生捕獲中斷。TMS320L2407A芯片所帶的數據存儲空間只有64K，不能滿足數據存儲的容量，因此需要對2407A芯片進行存儲器擴展。考慮到數據量的大小和防止掉電數據丟失問題，因此選用256K×16位的FLASH芯片SST39VF400A作為片外擴展數據存儲器。

2.2 上位監控機與數控機床之間的通信實現

為了減輕現場設備管理層的網絡負擔，本系統在監控機與數控機床之間采用雙層CAN網絡結構，一層用于加工過程及機床的狀態監測，主要用于DSP采集器中實時數據的傳輸;另一層用于DNC操作，DNC操作子層的主要任務實現NC程序的上傳和下載、NC程序的編輯及加工工藝信息的讀取等，它通過CAN總線及RS232/CAN轉換模塊送入不同的數控機床完成零件的加工。

（1）采集器中實時數據的傳輸

TMS320LF2407A帶有標準的CAN控制器，可以很方便的組成現場級設備網。TMS320LF2407A上的CAN控制器完全支持CAN2.0B協議，其數據幀格式有：標準幀和擴展幀兩種不同的幀格式，前者為11位標識符，后者有29位標識符。由于在實際控制中DSP控制器的上傳數據僅為32位數據（包括控制器標志符等信息），因此本系統數據格式采用標準幀格式。在實際調試中發現下層的控制器向上位機的傳遞數據量遠大于上位機下傳的數據量，因此在數據編碼時將控制信息、采樣數據編號信息和控制量、采集量均加載在數據字節里。由此CAN總線通訊協議的形式為：“ID號+數據+校驗”，其中ID號為各DSP采集器編號，采用11位標識符的前4位。為了保證通訊的可靠性，在數據接受后，都由一個返回幀來表示確認，其校驗位（占一個字節）為發送端的固定代碼。

CAN通訊系統軟件設計中，對于接受采用中斷的方式，要求系統對于接受到的數據必須馬上處理，以提高系統的實時響應特性，其程序流程圖見圖2。DSP上傳實時采集數據的發送采用定時查詢的方式，查詢ADC采樣是否結束并且進行了相應的數據處理后，立即將數據通過CAN控制器裝載并發送到CAN總線上。

圖2 CAN中斷接受程序流程圖

（2）CAN總線及RS232/CAN轉換模塊

在DNC操作中，由于數控機床所提供的程序傳送接口是標準的RS232串行口，因此存在CAN協議與RS232之間的轉換問題。由于CAN232B轉換器完全支持CAN2.0B協議，并且利用它所組成的CAN控制網絡具有組網靈活、數據傳輸可靠性高、通訊速率高、總線利用率高等優點，故本系統使用CAN232B轉換器。對于上位監控機（RS232主控設備）而言，需要它具備尋址各數控機床（多個RS232設備）的能力。此時，按照CAN232B轉換器的配置協議，對監控機的RS232程序進行補充、修改，使監控機可向所連接的CAN232B轉換器發送命令幀”，以設置CAN幀格式，動態配置CAN232B發送的CAN幀信息。這樣，監控機就可以通過CAN232B發送具有不同ID的CAN報文幀，來尋址不同地址的數控機床，從而實現在對DNC的操作。

2.3 基于Web的數據庫服務的搭建

要實現數控機床的遠程故障診斷，企業故障診斷中心或遠程故障診斷中心的專家必須通過Internet（或Intranet）獲得系統的故障和狀態信息，同時又能夠讓故障診斷中心的專家通過Internet（或Intranet）查詢數據庫中的數據。

ASP（Active Server Pages）內含于IIS 3.0之后的版本中，ASP本身并不是一種腳本語言，其實是一套微軟開發的服務器端腳本環境，即它只是提供了一種使鑲嵌在HTMI頁面中的腳本程序得以運行的環境。它具有使用簡單，并且有強大的后臺支持。本系統的工作環境為Windows 2000 Server，開發系統為VC++，在此選用Microsoft的ASP，它既簡單好用，又有強大的功能和強有力的技術支持。通過ASP可以結合HTML網頁、VBScript和JavaScript. ASP指令和ActiveX元件建立動態、交互且高效的Web服務器應用程序。而且ASP與ADO（ActiveX Data Objects）結合很容易實現對數據庫的訪問，訪問模型如圖3所示。當瀏覽器發出一個HTTP請求時，Web服務器響應這一請求，調用ASP引擎解釋被申請的ASP文件，若遇到的是Active X控件，則啟動相應的Active X控件。借助于ADO及SQL語言訪問數據庫，并將其運行結果生成相應的HTML語法成份，與文件中原有的文本和HTML標記一起組成標準的HTML頁面返回至客戶端瀏覽器。

圖3 基于ASP的數據庫訪問示意圖

2.4 監控機與企業數據庫服務器之間的通信

數據庫與企業監控診斷中心（或遠程診斷中心）監控機的實時數據通信采用 Windows Sockets通信機制，Socket通信是一種特殊的I/O，Socket實際上是TCP/IP網絡上提供的一個通信端口，借助于它，用戶所開發的應用程序可以通過網絡與其它應用程序進行通信。Socket提供的一整套原語可供用戶編程調用和訪問系統資源，并可用來開發一些與網絡有關的、有實時性要求的應用軟件。在應用軟件的開發中主要使用兩種類型的Socket（套接字）：

1.流式套接字。它定義了一種可靠的、面向連接的服務，實現了無差錯、無重復的順序數據傳輸。適用于處理大量數據，流式套接字使用的是TCP協議，TCP協議是以連接為基礎的，即必須先建立連接，才能相互通信。如HTTP， FTP， Telnet等使用的都是流式套接字。

2.據報套接字。它定義了一種無連接的服務，數據通過相互獨立的報文進行傳輸，是無序的，并且不保證可靠、無差錯。數據報套接字雖然也使用IP，但是它不使用TCP，而是UDP（User Datagram Protocol）。

UDP不像流式套接字那樣維護一個打開的連接，用戶只需要把數據打成一個包，把遠程的IP貼上去，然后就把這個包發出去。如TFTP（Trivial File Transfer Protocol）就使用UDP。

為了保證數據傳輸的可靠性，該系統采用基于可靠連接的流式套接字，其協議為TCP/IP協議。由于Windows server 2000是多任務操作系統，不同的任務對應著不同的進程。為了實現數據的正常傳輸，必須通過端口號明確監控機是與數據庫的哪一個進程相連，可供各監控機使用的端口號范圍為：1024～4999，本系統中選用3000。此外，由于同時與數據庫相連的監控機可以多于一個，為了使各個進程之間的數據通信不會發生沖突，數據庫應用程序應首先創建一個偵聽Sockets，用于接收監控機的連接請求。當數據庫接受了監控機的連接請求后，會返回一個新Sockets的描述符，這個新Sockets將用來處理新的連接。原來的Sockets將繼續偵聽新的連接請求。整個數據通信過程的流程圖如圖4所示。

圖4 數據庫服務器與監控機之間的實時數據通信流程圖

3 結論

基于實時數據采集、CAN總線、數據庫服務和Internet的遠程故障診斷技術解決了DNC數控機床關鍵部位的實時監控及故障診斷問題。本文所提出的現場設備級、車間監控級、企業監控級、遠程監控級的四級系統結構將有助于提高遠程故障診斷的可實現性和準確率，并最終達到提高企業效率的目的。隨著網絡通信技術和現場設備自動化應用的深入，以及成熟可用的專家系統將逐漸出現，遠程故障診斷也必將成為未來企業的一種主要診斷服務方式。

本文作者創新點:提出了基于CAN總線的DNC遠程診斷及監控系統;提出了由DSP、多傳感器組成的實時數據采集系統;將CAN總線網絡與Ethernet、Internet結合，實現了現場設備級、車間監控級、企業監控級、遠程監控級的四級系統結構;探討了基于Web的數據庫服務技術。

參考文獻：

[1]周霖.DSP控制工程技術應用.國防工業出版社.

[2]王金娥.孫慶鴻.基于CAN總線的數控機床遠程診斷及服務系統[J].制造業自動化,2003（3）.

[3]宋寶華.徐小力.孫志永.基于網絡環境的機電設備遠程監測原型系統的實現[J].制造業自動化,2005（12）.

[4]趙永生.王國峰.董曉永.軸承試驗中心分布式監控管理系統[J].微計算機信息,2003（5）,pp10-11.