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基於RCS庫實現跨平台遠程通信

2018-4-16 來源：轉載作者：桑冠林，王品，胡毅

摘要:數控係統的信息采集存在處理速（sù）度較慢、區域限製等問題，不能滿足快速多變的需求，因（yīn）此文章提出一種利用RCS庫實現安卓終端與數控係（xì）統間遠程連接和通（tōng）信的（de）方法，安卓終（zhōng）端（duān）成為數控係統信息顯示的載體。該（gāi）方法使用Java版RCS庫，先寫（xiě）配置文件，定義（yì）消息結構，然後使用RCS庫提供的方法建立遠程連接，讀取數控（kòng）係統的消息並顯（xiǎn）示在安卓終端。實驗結果表（biǎo）明了（le）方法的可行性，配合安卓終端的（de）優勢，可以提升（shēng）工作的靈活性。

關鍵詞:數（shù）控係統（tǒng）; RCS庫; 安卓終端（duān）; 遠程連接和通信

0、引言

數控機床伺服係統的（de）性（xìng）能不僅直（zhí）接影響著機床加工精度，也關乎數控加工能力能否（fǒu）充（chōng）分發揮，但是數控係統（tǒng）的信息采集終端基木停留在處理速度較慢且隻能針對特定係統操作（zuò）的階段。

謝（xiè）書童等提（tí）出基於仿真的數控加（jiā）工多目標參數優化，獲取機床一次完整工（gōng）序的位置數據，對此次參數進行整定和優化，並（bìng）調整至下次生產加工中，因為這種方法依照真實生產數據，故（gù）保（bǎo）證了參數優化的（de）精準性，但實時性較差。田軍鋒（fēng）等提出利用RCS庫實現模塊間的通信，通過網線將數（shù）控機床與（yǔ）PC連接，並實現通信，可（kě）以使（shǐ）得數據顯示的（de）樣式更（gèng）多樣化，但這種方式受（shòu）到（dào）距離的（de）限製（zhì），且PC的攜帶不便降低了便捷性。

為了解決上（shàng）述（shù）方法存在的弊端，本（běn）文提出（chū）一種新的信息采集方式，把移動通信技術嵌入到數控機床中。實現可以在手機上看到數控機床相關（guān）參數。解決（jué）空間局限性，具有通用性（xìng）好、擴展（zhǎn）性強、簡捷便利、處理速度快等特點，符合時代潮流，能更好的滿足用戶需（xū）求。

1、實驗條件

PC一台，Windows 8操作（zuò）係統，已安裝JDK，並裝有集成（chéng）ADT的Eclipse。二星Tab平板一台，安卓程序發布的載體。藍大NC-210數控係（xì）統（tǒng），作為平板遠程連接的對象。

androids是一（yī）種基於Linux的自由及開放源（yuán）代碼的操作係統（tǒng），顯著的開放性（xìng）可以使其擁有更多的開發者，並且擁有豐富的軟（ruǎn）件資（zī）源，一經推出就迅速占領了智能手機的大（dà）部分市場份額，受到了廣泛追捧（pěng）。An-droid平台提供了一個十分寬（kuān）泛、自由的開發環境因此（cǐ）實驗選擇安卓終端作為（wéi）連（lián）接端。選用Java版RCS庫。以Java而向對（duì）象的方法，將程序抽象，以（yǐ）類封裝代碼，易於理解和（hé）使（shǐ）用。

實（shí）驗將藍大係列產品“NC-210”作為（wéi）被連接（jiē）端，采用傳統（tǒng）編（biān）程標準。是在NC-200係統的（de）基礎上的改進型設計，采用了NC-110係統開放性的特點，提高（gāo）了插件之間的（de）互換性，使係統的結構（gòu）更加緊湊，便於調試和維護。NC-210係（xì）統（tǒng）經過了嚴（yán）格的國內外電磁兼容測試和環境試驗、測試。選擇這（zhè）款可靠（kào）性很（hěn）高的（de）產品作為被連接端無（wú）疑能更好的提高實驗的成功率。

2、RCS庫簡介

RCS (Realime control system)庫是由美（měi）國國家（jiā）標準與技術研究院(KIST)研（yán）究開發（fā）的軟件（jiàn）庫，可以用來輔助構建多（duō）模塊的控製係（xì）統軟件。 RCS庫是基於RCS方法（fǎ）論和參考模型結構RMA (Reference model ar-chitecture)發展起來的。它代（dài）碼（mǎ）開放，可自由的（de）使用（yòng）、擴展和裁剪，不僅提供了Java版木，還提供了C++版和（hé）Ada版的源碼。

利用RCS庫構建的控（kòng）製係統軟件往往（wǎng）具有多模（mó）塊、分層次結構（gòu），如圖1所示。每個模塊都有（yǒu）一個命令緩（huǎn）衝區和一個狀態緩衝區。頂層模塊負責接收操作指令，並（bìng）寫命令到命令緩衝區，經過任務分析、分解，把它轉發為具有（yǒu）內部（bù）形式的控製任務信息，傳遞給中間層相關模塊。中間（jiān）層模塊會將任務細分成（chéng）更（gèng）小的任務，分配給下層模塊執行，並協（xié）調它們的動作（zuò）。下（xià）層的模塊還要不斷更新自身的狀態，子模塊通過（guò）狀態通（tōng）道將狀態緩衝區裏的狀態信息反饋給父（fù）模塊。在實際係統中，會有更多（duō）的層次關係，但是它們的原理是一樣。

圖1 RCS多模（mó）塊分層結構

RCS各模塊(進程)之間是利用RCS庫提供的CMS/NML例程，通過共享內存緩衝（chōng）區傳遞信息。CMS和NML負責對數據信息進行（háng）編發和解碼，實現跨平台通信。

CMS (Communication Management System)是RCS軟件中的底層（céng）通信管理係統，提供（gòng）了（le）非常全（quán）麵且統一（yī）的通信接口。CMS提供的方（fāng）法將所有數據類型編碼成與平台無關的格式，這使得RCS進程可以在不（bú）同的操作係（xì）統（tǒng）上（shàng）通信。

NML ( Neutral Message Language，中性消息語言)提供了更高層次封（fēng）裝，簡化了CMS的編程接口。所以開發人員不必了（le）解底層CMS的（de）工作過程，不必處理與特殊平台相關的問題圖。NML提供類似“mail-box”，的（de）通信方式，每（měi）個通信緩衝區可以看作一個郵箱，可以從緩衝區中讀（dú）取消息，或者向某個緩（huǎn）衝區中寫入消息;緩衝區內可以包含一個消（xiāo）息隊列，否則每次寫入信息將覆蓋原有的（de）消息。對於NML通信中的每個消息，被（bèi）稱為一個NMLmsg。 RCS庫中提供了一（yī）個NMLmsg的（de）基類，提供了信息類型定義、信息大小和數據格式轉換等基本功能（néng）。編程（chéng）時通過繼承NMLmsg進而定（dìng）義實際所需的通信數據（jù），需要（yào）注意的是數據（jù）必須在編（biān）譯（yì）時定義而不能在運行時動態生成不同（tóng）的數據（jù）結構。

3、實驗過程

3.1 寫配（pèi）置文件

NML的配置信息不保（bǎo）存（cún）在中心服務器或數據庫中，而保存在文本（běn）文（wén）件裏。要實現安卓終端和數控係統間跨平台遠程連接，必（bì）須保證安卓程序和NC端程（chéng）序使用相同的（de）配置文件。配置文件主要定義兩類信息，緩衝區和線程。

NML緩衝區用於存（cún）儲消息，實現（xiàn）內存共享。在（zài）配置文件中，每個緩衝區定義占用一整（zhěng）列，以B開頭，主要包含的參數有，Name(緩衝區名);Type(緩衝區（qū）類型)，包括 SHMEM(共享內存)、GLOBMEM(全局)、LOCMEM(本地),FILEMEM(文本)，Hos“主機地址)，標識緩衝區所在主機的IP地址，特別要（yào）注意的是遠（yuǎn）程（chéng）訪（fǎng）問時，Host應寫NML Server的地址。

NML進程創建和（hé）連接一個（gè）或多個NML緩衝區（qū），用於讀寫（xiě）消息。每個進程定義占用一整列，以P開（kāi）頭，主（zhǔ）要包含的因素有，Name(進程名);Buffer(進程所連（lián）接（jiē）的緩衝（chōng）區名)，匹配緩衝區定義的某列，Type(進程類（lèi）型)等。

本實驗所使用的（de）配置文件如圖2,圖3所（suǒ）示

圖（tú）2 緩衝區配置

圖3 線程配置

需要注意的配置項是，緩衝區（qū）所屬主機的（de）地址，即NMLServer的地址，數控係統必須開啟NMLServer進程，否則無法遠程訪問（wèn）。另外，線程配置中線程類型必須為REMOTE類型，因為RCS庫的官方文檔裏提到:Java applicationsmust use REMOTE。

3. 2 消息定義

建立連接前（qián）需要定義通信消息結（jié）構，先了解Java版RCS庫的幾個重要基類:

通道基類:基類NML是建立NML通道的基礎，通過基類NML派生出（chū）RCS_ STAT_ CHANNEL和RCSCMD_ CHANNEL。它們分別用來創建狀態（tài）通道和命令通道，從而讓關聯模塊之間（jiān）可以傳遞狀態消息和命令消息回。

消息基類:RCS_ STAT_ MSG和RCS_ CMD_ MSGo它們都是通過繼承NMLmsg類派（pài）生出來的，分別是狀態消息基類和命令消息基類。命令消息通常是由父（fù）模塊傳遞給子模塊（kuài）;而（ér）狀態消息則是由子模塊傳（chuán）遞給父模塊，並（bìng）帶有子模塊的狀態信息。結合NC-210數控係（xì）統內部的消息（xī）結構，安卓端（duān）消息結構如圖4所示。

圖4 狀態（tài）消息類結構圖

3. 3 建立連接及讀取消息

NML隱藏了繁瑣的進程間通（tōng）信與同步的實現細（xì）節，給（gěi）程序員提供了方（fāng）便的API。在開發代碼中使（shǐ）用NMLConnection)方法建立遠程（chéng）連接，獲得NML通道。並提供了4種封裝好的讀消息（xī）方法和2種（zhǒng）寫消息方法。本實（shí）驗使（shǐ）用（yòng）的是read方法，讀一個NMLmsg的同時更新was_ read，標明為已讀（dú）。遠程讀（dú）操作流程如圖5所示。

圖5 Remote Read Operation

1遠（yuǎn）程（chéng）訪（fǎng）問者(移動終端（duān）)發送讀指定緩衝區的請求到NMLServer，這個動（dòng）作由NML自動完成。

(2)下級模塊將狀態消息寫入Server的狀態緩（huǎn）衝（chōng）區。

(3) Server從狀態緩衝區(本地)中讀取狀態消息（xī）。

(4) Server通（tōng）過無線網絡（luò）將請求結果發送給讀（dú）請求者。完成一（yī）次遠程讀操作。

實現安卓終端遠（yuǎn）程讀取數控係統數據消息，需要保證:

(1)硬件層而，雙方IP位於同一局域網段內，數控係統通過網線與（yǔ）無線路由器相連，安卓（zhuó）手機連（lián）接該無線路由的無線信號。

(2)軟件層麵，要保（bǎo）證通信雙方配置文件相同（tóng）且消息結構定（dìng）義的一致。

4、實驗（yàn）結果演示

作者將實驗結果打印在（zài）Eclipse控製台（tái），方便測試（shì）和查看（kàn）。下麵將（jiāng）根據打印結果分析不同的（de）情況及原因。

(1)連接失敗，如圖6所示。

圖6 連接失敗

分析原因:配置文件錯誤，如緩衝區所在主機(NMLServer)地址配置錯（cuò）誤，或（huò）協議和端口號配置錯誤。拋出NMLException，顯（xiǎn）示連接不到指定主機的指定端口。

解決方（fāng）法（fǎ）:

①確保通信雙方位（wèi）於（yú）同一局域網網段內。 ②安卓端和數控係統端配置文（wén）件必須保（bǎo）持一（yī）致。 ③確定數控係統端NMLServer已（yǐ）開啟。

(2)讀取消息為（wéi）空，如圖7所示。

圖7 讀不到消息

分析原因:①安卓端和數控係統端消息結構定義不一致。② NMLServer的狀態緩衝區（qū）中沒有消息。

解決方法:①安卓端消息的結構必須和數控係統端（duān）消息結構一（yī）致。②檢查NML進程所讀取的緩衝區裏是否有消（xiāo）息。③最好通信雙方使用的RCS庫具有相同的版本號。

(3)正確的（de）實驗結果，如圖8所示。

圖8 正確的實驗結果

本次實驗分別打印出了軸編程位（wèi）置和軸位置（zhì）實際值。其他位置（zhì）參數，命令消息，NML錯誤（wù）消息的獲得與（yǔ）狀（zhuàng）態（tài）消（xiāo）息獲得類似。

5、結論

本文提出基於RCS庫實現安卓終端與數控係統間遠程連接和通信，通信過（guò）程（chéng）的處理交給（gěi）通信管理係統CMS，直（zhí）接調用中性消息語言NML封裝（zhuāng）好的（de）方法實現（xiàn）。實驗結果證實了安卓終端遠程連接並訪問（wèn）數控係統的可（kě）行性，所以配合移（yí）動終端具備的通用性（xìng）好，計算速度快，攜（xié）帶方便等優勢，將移動通信（xìn）技術嵌入到數（shù）控機床中，必將成為趨勢。遠程機床（chuáng）監（jiān）控，遠程機床（chuáng）操控，遠程機電參數優化，遠程故障排除（chú）等都將在不遠的未來實現。

來源：1.中國科學院大學 2. 中國科學院沈陽計（jì）算技術研究所高（gāo）檔數控國家（jiā）土程研究中（zhōng）心 3.沈陽高精數控技術有限公司

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