摘要：数控设备集成控制系统的构建过程中，成功开发了嵌入式的用以数控设备与工业以太网间之间相互通信的接口；在LPC2210芯片为平台的基础上，建立了实时操作系统；并通过消息工作机制成功开发了协议的转换程序，确定了车间数字设备通信信息产生的概率分布；设计了嵌入式通信接口性能的试验分析方法及相应的测试软件，并构建试验平台验证了该方法的可行性。通过试验对接口的性能进行测试，结果表明了接口性能的可靠性。
关键词：数控设备；集成控制网络；工业以太网；嵌入式技术；通讯接口
数控设备集成控制包括垂直集成（生产管理信息集成）和水平集成（生产过程自动控制系统集成）。评价企业生产自动化系统的性能，除开放性、一致性和透明性等方面以外，集成性已成为衡量其控制系统综合性能的重要指标。
1 接口硬件设计
作为微处理器行业的一家众所周知的企业，一家知名企业，ARM（AdvancedRISCMachines）设计了大量的诸多类型的处理器以及相关的技术软件，LPC2210便是其中之一。这一软件的微控制器以是一个实时仿真为基础的32位的CPU。由于内置了宽范围的串行通信接口，它们也非常适合于通信网关、协议转换器、嵌入式软MODEM以及其他各种类型的应用。基于此，文章以LPC2210为系统的处理器，展开了相关的叙述。嵌入式接口实现数控设备与工业以太网间各种信息转换的工作过程如下：串口监控程序一旦发现串口有数据到达，发送一个消息给协议转换程序，将数据转换为工业以太网数据包，然后通过智能交换机发给管理层计算机。
2 接口软件设计
通讯接口的软件设计类型繁多，具体来说，主要有各种功能模块的设计、协议转换的实现以及操作系统移植等。文章以μC/OS-Ⅱ这种型号的操作系统展开了论述。
这种操作系统的移植过程包括主要包括以下方面：首先确定不需要编译的数据的具体类型，同时并不需要所调用函数的具体位置，以保证处理器的状态和底层接口函数直接没有确定的关系，在不同的功能分区中，应当采用不同功能的函数加以区分；随后，使用结构常量OS_STK_GROWTH指定堆栈的增长方向；使用宏OS_ENTER_CRITICAL（）和OS_EXIT_CRITICAL（）分别关中断和开中断；使用SWI0x00代替OS_TASK_SW（）；OSTaskCreate（）和OSTaskCreateExt（）通过调用OSTaskStkInit（）来初始化任务的堆栈结构。
为使保证嵌入式系统中网络功能的正常使用，TCP/IP协议是必不可少的。具体到各个层次采用的协议如下所述：传输层UDP，网络层IP/ICMP，数据链路层ARP/Ethernet。串口数据包与EPA数据包间的协议转换主要依靠具备网络通信的基础（LPC2210+μC/OS-II+TCP/IP），以及SOCKETAPI函数编写UDP通信来实现为改进系统通信的实时性，在网络层与数据链路层增加了实时通信调度接口，EPA通过设置以太网帧的长度/类型（LENGTH/TYPE）字段，针对不同的数据类型选择不同的传输协议，实现通信的实时调度。
3 接口性能分析
实时控制系统是以EPA为基础的车间数字设备集成控制系统。这整个控制系统中，时间这一系统资源的重要性是无可替代的，对任何外部事件的响应以及任务的执行过程，都有着严格的时间规定；不仅如此，接口输出的结构的正确性在依靠计算的同时，也必须考虑产生结果所需要的时间。基于此，系统对外部事件的实时性响应是这种通讯接口的一个重要的性能，这就要求整个系统必须在规定的时间内对于特定的外部事件给予及时的响应。通常来说，嵌入式通信接口的可靠性主要包括硬件和软件两个方面，在日常的工作过程中，相应的开发板已经选定，因此，文章主要考虑的是系统中软件的可靠性。软件可靠性指程序能否在已选定硬件的基础上实现预期的功能，即串口与网络接口能否实现数据的正确转发。下面将通过试验来验证所设计的嵌入式通信接口的实时性与可靠性。
4 接口性能试验及结果分析
4.1试验环境
接口性能的试验环境主要包括硬件和软件两个方面，在本文中，试验的硬件环境主要指的是广州周立功公司的EASYARM2200试验台及JTAG仿真器。JTAG仿真器接PC的并行口，试验板的UART0接PC机的COM1。其中，车间数字设备控制系统的集成器采用的是工控机，文章主要以嵌入式通讯接口部分性能为出发点，因此，对于网络设备间的交互、系统控制策略等诸多因素的影响并多么多加考虑。所以，采用双机互联网线连接试验板的网口和工控机的以太网口。
试验的软件环境软件环境主要如下所示，操作系统采用的是WindowsXP，开饭工具选用的是ARMDeveloperSuite1.2（ADS1.2），C++Builder6.0。ADS1.2是ARM公司推出的新一代ARM集成开发工具的最新版本，它提供了CodeWarriorIDE的集成开发环境，为管理和开发项目提供了简单多样化的图形用户界面。用户可以使用CodeWarriorIDE为ARM和Thumb处理器开发用C、C++、或ARM汇编语言编写的程序代码。CodeWarriorIDE能够让用户将源代码文件、库文件、其他相关的文件及配置设置等放在一个工程中。测试软件用C++Builder6.0开发，主要包括以下功能：设置远程主机（此处指试验板）的IP地址及端口号；选择传输协议、是否连续发送等；数据发送功能；文本发送功能。
4.3 性能测试与分析
1）实时性测试与分析
为了与实时操作系统的平台保持一致，试验过程中也才用了以μC/OS-II为基础的操作平台。此次试验的主要方法是通过调用μC/OS-II中的OSTimeGet（）函数来获得相对应的时钟节拍计数器的当前值。其基本理论为，首先分别测得一个任务执行前后所调用的OSTimeGet（）函数的值，然后求出2次返回的数据值的差，即为此任务执行过程的时钟节拍数；随后，将每个每个时钟节拍数的时间通过操作系统中的时钟频率计算出来，即可得出一个任务的执行时间。计算出来的时间应当考虑系统执行任务过程中任务调度切换的时间消耗以及消息传输的时间。
2）可靠性测试与分析
文章在C++Builder6.0环境下，基于数控设备集成控制系统的所反映的信息特征，设计了相应的通讯测试程序对系统进行测试。在程序运行的过程中，通过模拟生产现场信息的产生规律来对嵌入式通讯接口进行测试。利用该通讯测试程序及串口调试助手，对嵌入式通讯接口的数据传输丢失率进行测试，由测试数据可知：串口速率越大，发送周期越大，每次发送的数据越少，数据传输越可靠。
5 结语
文章以我国第1个具有自主知识产权的工业以太网国际标准EPA构建了石油装备制造企业的集成控制网络，可以实现管理层信息、制造执行层信息和现场设备控制层信息的无缝集成，即“E网到底”；开发了数控设备与工业以太网间的嵌入式通信接口，并通过试验验证了其性能。该通讯接口可以实现具有RS232、RS485或以太网接口的各种数控设备与工业以太网的通讯，并能实现数控设备间的通讯与交互功能。
参考文献：
[1]罗蕾.嵌入式实时操作系统及应用开发[M].北京：航空航天大学出版社，2005.
[2]李琼.嵌入式TCP/IP协议在ARM上的实现及其应用[J].微计算机应用，2005，26（11）：755～756.
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