一、前言
数字量的通讯是数控机床控制的关键技术之一，直接影响到数控机床的速度与精度。目前的数控系统中，主控机与机床端采用有线现场总线进行数据通讯。由于数控各运动轴需要实现反复的复杂运动，往往使得有线连接变得很不可靠。另外目前数控所用的现场总线需要专用的控制卡进行控制，安装、连接都相对复杂，加大了数控操作工的操作难度。面对这些问题，比较好的解决方案是选用连接方便、通用的总线作为主控机数据输出总线；运用无线技术，用电磁波来传递主控机与机床端的通讯数据，使数控系统摆脱电缆的束缚。
因此，我们提出了无线USB的数控通讯方案，选用USB作为主控机的数据输出总线，采用高性能的无线IC芯片来传递通讯数据。
二、无线USB通讯方案的总体结构
无线USB通讯方案的主要目的是尝试取代现有的有线现场总线的设备端通讯方式，所实现的主要功能为：
1、实时传输数控精插补所得数据（主要是插补所得的插补周期内脉冲数）
2、快速传输PLC信号和开关量信号
3、传输电机端的反馈信号
4、对USB总线进行控制，完成主控PC机和无线通讯模块之间的通讯。
整个基于USB无线通讯的数控系统结构如图1所示。虚线框中为无线通讯的独立模块系统，包括主控机端的无线收/发及USB总线控制器，和机床端的无线收/发控制器及脉冲产生器。
如图2所示，系统使用了4块无线通讯芯片，两两一组完成接收/发送全双工通讯。数控主控机将要传送给机床端的数据通过USB总线传入控制器，由控制器控制无线芯片将数据发出。机床端接收到数据后进行分析，如为精插补所得小直线段长度，则图1基于USB无线通讯数控系统总体结构图进行脉冲转换，经放大后送入伺服系统驱动机床的运动轴；如为PLC信号则直接转入PLC系统；伺服的反馈信号经前置放大和A/D变换后由机床端的无线发送器发出，送入主控机进行处理。
三、无线USB通讯方案的硬件实现
1、器件选择
无线USB通讯方案的核心控制器件选用了Motorola公司的DSP型MCU56F807。该芯片内有16位高速CPU，40MIPS的运算速度；×10片内锁相环时钟产生器使DSP工作频率为最高80MHz时，外部时钟频率只需8MHz，从而避免了高频晶振引起的干扰；＋3.3VI/O电源，＋1.8V内核电源的低电压供电方式，可以降低56F807的功耗；独特的哈佛结构，程序空间与数据空间分开更有利于程序的高速运行。
USB接口器件选用了Philips公司的ISP1181b。该芯片符合通用串行总线2.0规范（全速）和大多数器件的分类规范；具有高速的并行端口，实现高速、实时数据吞吐；端点的双缓冲配置增加了数据吞吐量并轻松实现实时数据传输；集成锁相环，外部时钟频率只需6MHz，可以有效避免高频干扰。
无线通讯器件选用了nordic公司的nRF2401，采用2.4GHz频段，具有1Mbps的通讯速率，并且支持双通道接收，更符合数控实时要求；自动添加地址校验和CRC校验；有125个频道可以选择，允许用户根据编程实现跳频，大大增加了无线传输的可靠性。
2、通讯控制器的最小系统
时钟电路、复位电路、USB接口电路、无线收发器接口电路组成了通讯器的最小系统。
时钟电路中，采用了外部8M晶振作为时钟源。通过56F807的时钟锁相环设定，选用×10PLL方式，使DSP工作频率为80MHz。
复位电路包括上电复位、外部复位和看门狗复位3部分。其中外部复位和上电复位通过逻辑“与”后产生硬件复位信号；看门狗复位信号通过设置看门狗控制寄存器来控制复位信号，在DSP控制过程出现死机现象时产生复位信号。
主控机端的通讯控制器56F807与ISP1181b以及nRF2401的接口电路见图3。ISP1181b在通讯模块中相当于56F807的一个外部存储器，其数据接口与56F807的16位数据接口相接，两芯片、管脚分别相接，56F807的管脚接ISP1181b的A0管脚来控制ISP1181b的控制模式或数据模式。ISP1181b的重置、挂起、唤醒、中断接口则由56F807的GPIOB口通过固件编程进行控制。nRF2401由CE、CS、PWR_UP这3个管脚来控制芯片的工作模式，见表1。DATA和CLK1管脚是nRF2401与DSP之间的数据通讯管脚，其作用是通过DSP控制，串行的将数据读入或读出nRF2401。DR管脚只在nRF2401在接受模式中用到，当DR管脚置高则通知DSP已收到无线数据，可以进行数据接收。
3、系统射频单元设计
nRF2401收/发芯片的天线输入/输出为平衡差分方式，其输入阻抗为400W，设计中可通过设计阻抗匹配电路使输出匹配50W的微带天线或SMA天线，输出功率达0dBm。天线的输出引脚需提供直流偏置，通过两电感将DC加到偶极子天线的中心点来实现。
在设计PCB时，所有铜箔走线都要采用微带传输线的设计原理，以减少反射引起的传输损耗，获得比较大的输出功率和较高的接收灵敏度。本系统的PCB采用厚1.6mm的FR-4板，2.4GHz时电介质常数er=4.6~4.9，铜箔线的厚度为d>50mm，匹配阻抗为50Ω时，通过微带线的计算公式[1]:
式中，Z0是微带线的特性阻抗（Ω），是印制导线宽度（英寸），t是印制导线厚度（英寸）,h是电介质厚度（英寸），er是印制电路板电介质的相对介电常数。来算出铜箔线宽度。天线的设计可采用50W的SMA天线。考虑到尺寸和成本因素且射频波长短，本系统选用50W的1/4波长偶极子微带印制板天线，改变铜箔线长度即可调节天线性能。为使其在2.4GHz更容易谐振，需将导线长度加长4～6mm。印制板上微带天线的形状就是一铜箔线长约为24mm的导线。
四、无线USB通讯方案的软件实现
1、USB固件设计
USB协议层的操作由ISP1181b芯片的串行接口引擎（PSIE）完成。可以通过控制器56F807直接对ISP1181b的数据口发送指令对器件进行操作（A0设置为命令模式）。
USB控制固件的主要内容是前台对接收到的PC机发来的数据进行处理，如：分析数据，向端口提供待发送数据，协调USB通信与用户程序的工作。后台为中断服务程序，它响应USB通信中断，通过读中断寄存器辨别中断源，根据不同的中断请求调用相应的中断处理程序。现主要介绍USB固件程序是如何实现插补数据传输的。
考虑到需要传输的插补数据量较大，而且要求数据传输可靠性强，因此不能使用中断传输和同步传输方式。我们的解决方案是使用批量传输并在主机端的DSP56F807加8K字节的SRAM设置双4K字节数据缓冲。根据表2设计插补数据传输格式，一个周期内的插补数据为4个字节，可缓冲1000段插补数据，如插补周期为0.3ms，那么可缓冲300ms。由于没有使用其他传输方式，批量传输方式占用了USB的主要带宽，速度一般在60kB/s以上，传输4000字节只需不到70ms，加上数据请求及无线传输的延时，还有足够的时间余量，因此，能够完全满足实时性要求。
2、无线固件设计
(1)程序流程
nRF2401固件在主机端以中断服务子程序形式存在，当USB总线获取了主控机数据并置相应中断位通知56F807后开始执行nRF2401中断子程序；机床端的固件由nRF2401的DR管脚引发中断，执行相应程序。
首先对nRF2401的工作模式进行初始化并定义数据帧格式。本系统使用nRF2401自带的ShockBurst模式进行无线传输，在该模式下nRF2401可以自行添加地址以及CRC校验码，简化固件程序的编制。数据帧格式如表3所示，其中标志字1字节，地址字5字节，数据字24字节，校验字1字节。接收/发送固件流程见图4和图5。
由于，每次无线传输需要0.3ms的时间来接收握手信号，为保证系统实时性，在机床端的56F807控制器中设置双80字节的缓冲SRAM。一个插补周期的数据占4个字节，机床端可以缓冲20段的数控插补数据，相当于6ms。而一次无线传输的有效数据为24字节，加上数据在空中滞留时间，20段的数控程序传输时间仅为1.5ms左右，足够满足实时性要求。
表2插补数据传输格式
(2)可靠性设计
为了加强无线传输的可靠性，我们采用了固定跳频机制。采用频点躲避方式降低同频干扰的影响，不同于普通跳频方式的是该系统频率跳变不是由伪随机码控制的，而是采用固定跳变规律方式。通过芯片内频率合成器可产生125个频率间隔为1MHz的收发频道，频率范围为2400～2527MHz，其可发射的频率点为[2]：ChannelRf=2400MHz+RF_CH×1.0MHz。在此基础上设计的简单跳频模式，当发送端发送无线信号却收不到接收端返回的应答信号时，发送端可断定某信道被占用或被其他设备干扰，此时发送端将改变其发射频率，跳变至另一个频点。这些频点预先写入DSP的片内Flash存储器中，排列顺序随机抽取，各相邻频点的间隔至少8M以防止其旁瓣谱的干扰。
表3数据帧格式
需要注意的是系统通信频率的改变必须是双方同步进行的，接收端在某段时间内收不到发送端的无线信号而超时操作时，将采取频率扫描的方式以确定系统的工作频率，直到双方建立了良好的同步并可以进行双工通信为止。
四、结束语
通过4块两组nRF2401芯片构建的全双工通讯通道，并通过双缓冲技术，本系统达到了一般数控的实时性要求。
基于无线USB的通讯方式相对于现在大多数数控系统所用的有线现场总线通讯方式而言，具有通用性强、组合安装灵活、受地域限制小等优点。随着无线技术和USB技术的发展，这种通讯方式将展现出越来越大的优势，为数控设备端的通讯开拓一片新的天地。
