PCB设备通讯协议语义规范设计概述

陈振康 翟学涛

（大族数控科技有限公司，广东 深圳 518057）

陆晓杰

（南京品微智能科技有限公司，江苏 南京 210012）

1 引言

为紧密围绕“中国制造2025”战略指导思想，印制电路板（PCB）行业也应进行自动化、智能化制造，开展信息技术与制造装备融合的集成创新和工程应用，因此，有必要制定统一的、拥有自主知识产权的通讯协议规范PCBECS（PCB Equipment Communication Standard）。在PCB制造业中，目前国内外暂无通用标准，我国台湾协会TPCA基于SEMI（半导体通讯协议）已提出相关PCBECI（PCB Equipment Communication Interface）通讯协议，国外也有在推动OPC UA 作为PCB设备通信协议标准的工作[1][2]。PCBECS主要用来统一PCB制造业各个生产设备之间以及生产设备和控制设备之间的通讯规范，旨在提升PCB制造业的智能化水平，协助集成包括设备供应商、软件供应商、工厂生产等环节，从而快速集成车间制造设备，实现标准化和智能化的高效发展。

2 语义规范总体设计

2.1 基本框架

PCBECS基于PCB产业自动化功能需求的调研及梳理，专注通讯语义层面，设计采用直通式通讯方案（JSON/XML），建立简单有效的通讯协议语义规范内容。当前，PCB制造商及设备商均进行一定程度上设备通讯方案设计与实施，建立一个全新的通讯协议不利于统一通讯协议规范的推广与使用，因PCBECS聚焦通讯语义层定义，简化协议约束范围，使本规范能够适用于目前使用较多的各种通讯协议，扩大本规范兼容范围，降低协议使用的成本。

本规范基本框架依据团体标准撰写，设计了以下五个部分内容：（1）定义范围；（2）规范性引用文件；（3）术语和定义；（4）报文通用规范技术内容；（5）典型通讯协议使用语义规范实例。

2.2 语义规范的定义范围

PCBECS规定了PCB制造业的设备通信接口协议语义规范，本规范目前未限定使用的PCB设备类型，以PCB制造业几个重要工序设备特点为基础，建立基本的设备与设备管理系统通讯接口，并通过不断使用加盟形式，扩大协议的适用工序、设备范围。

本规范主要适用于统一PCB制造业各个生产设备和控制设备系统之间的通讯规范，建立具有高度灵活性和效率的自动化通讯标准协议语义参考规范。协议使用场景（见图1）。

图1 通讯协议使用场景

通讯协议有多个功能层次，本规范的技术内容主要描述通讯协议语义层，在PCB设备通讯中设计设备的基本通讯模型及通讯功能，不对通讯会话使用的物理硬件、传输链路进行明确限制，同时针对会话的开始结束直接从设备模型实现约束，通过对语义层限定实现会话管理，不再对简单的会话开始、保持、结束、长短连接等进行明确规定，这样可使常用的如Http、TCP/IP Socket、Web Service、Web API 等接口协议均可以使用本规范进行通讯实现。本规范针对数据的表示进行简单描述，目前协议推荐使用明文字符集进行表示，使用JSON、XML等进行传输（下文将以XML格式分装进行示意）（见图2）。

图2 通讯协议功能层次

2.3 规范性引用文件

规范主张使用JSON、XML等进行消息明文进行封装，主要引用了ECMA-262 标准化的脚本程序设计语言、GB/Z 21025-2007 XML使用指南、GB/T 34145-2017 JSON数据交换格式基本的规范文件。

2.4 语义规范的术语定义

语义规范定义了几个基本术语，包括：JSON、XML、设备事件、设备报警。

（1）JSON（JavaScript Object Notation，JS对象简谱），是一种轻量级的数据交换格式。简洁和清晰的层次结构使得 JSON 成为理想的数据交换语言。

（2）XML，是可扩展标记语言，标准通用标记语言的子集。是一种用于标记电子文件使其具有结构性的标记语言。

（3）设备事件，为了准确了解设备运行进度及状态，按照设备运行过程进度（如 设备开机、设备进料、设备出料、设备物料消耗、设备状态切换等统称为设备事件），规范设备事件并输出实现自动化主机实时了解设备运行情况，作为设备自动化控制命令发送依据。

（4）设备报警，为了准确分析设备生产过程产生的报警详细信息，设备本身定义报警ID及报警描述列表，通过实时采集设备报警ID，获取设备报警详细信息，准确分析设备故障情况。

3 语义规范技术内容

本语义规范通过抽象出设备自动化通讯及控制模型，设计了通讯消息参数项定义、通讯消息定义、通讯功能定义三个标准协议模块，实现消息格式规范化并可配置，适合后期需求功能扩展。

3.1 消息分类

PCBECS将设备模型抽象为数据信息、事件信息、设备控制及设备连接，针对PCB制造设备特点及当前实际使用的需求，可进一步细化。将通讯协议消息功能设计为以下几大部分[3][4]：通讯连接、数据采集、设备运行事件、设备报警管理、远程控制、程序管理、异常消息提醒（见表1）。

消息功能细分有助于系统性的规划设备通讯内容，实际使用中可依据各个设备特点、使用需求选择所需的消息功能，通过提交设备支持的消息功能，可以缩短设备开发周期，降低开发成本，同时也能极大的简化设备接入设备管理系统工作内容，减少设备调试接入时间。

3.2 消息结构项定义

PCBECS消息参数项主要定义通讯消息参数的结构项格式以及结构项命名规范，从通讯消息的表示层实现了主机与设备间通讯的标准定义，规范消息结构体的基础结构。不同的消息功能将使用不同的消息结构，添加特定的参数项目，每一个消息功能通过消息结构项的填充架构组成一个特定的完整的消息结构体。消息结构项参数定义（见表2）。

以消息提醒功能为例，展示消息结构项在消息中的含义：

协议规定了在发送消息提醒功能项时，Header为消息分类块，List为消息包体内容，内容中消息提醒功能以TEXT封装内容，获取结构项TEXT的具体值RecipeA，即为一个消息提醒功能的完整消息结构体。

3.3 消息会话定义

细化了消息功能后，PCBECS也对消息会话收发协议、消息会话语法、消息会话时效进行定义。

（1）消息会话收发协议主要包括：定义每个消息回复机制、定义会话任务中需要包含的消息内容；（2）消息会话语法格式定义消息基本格式及规范：定义主机与设备之间会话的消息格式与规范；（3）消息会话时效性为通讯协议的基本特点，时效主要包括：消息回复超时、连接超时等；

表1 消息功能分类

表2 参数定义

PCBECS为每一个消息功能项均进行定义，以建立通讯为例，Host通过发送消息至设备，建立通讯连接，以XML数据封装为例：

（1）Host请求设备消息：

（2）设备回复Host消息：

其中，定义基本的消息会话结构内容，定义消息的格式明确消息的封装解析过程，形成完整的会话流程。不同的设备在不同的消息功能上可能会有或大或小的差异，因此，协议规范目前仅从必须的内容上进行限定约束，保证规范的可读性。同时，协议规范所定义的消息会话结构也支持自主扩展，使用者根据设备特点进行增减，保证规范的适用性（见图3）。

图3 通讯流程

本规范针对特殊功能也进行规定，包括设备报警、设备事件、设备参数变量以及设备常量。设备变量和设备常量主要使用于数据采集，用于指证设备当前的状态属性及配方材料信息等，指定基本的设备变量和设备常量，有助于规范最基本的设备信息交互，监控设备状态。设备事件和设备报警为设备实时行为数据，指证设备行为动作状态，本规范针对PCB制造设备的基本特点抽象出了一些基本的事件项目，并进行约束。同样，使用者可以根据设备需求进行扩展（见表3～表5）。

3.4 典型通讯协议使用语义规范实例

本规范最后内容选择常用的通讯协议，如 TCP/IP Socket、Web API等常用网络接口协议，使用XML格式分装，展示使用语义规范的实例，对表1中11项消息功能如会话建立、数据采集等等进行描述，因内容繁多，并与前面内容类似，不再复述。

4 总结

PCBECS从语义层出发为行业内设备厂商建立标准通讯协议，建立可靠的自动化通信参考规范，加快设备通讯统一，减少设备通讯软件的调整，为不同的工艺/设备上实现标准化的自动化解决方案，最大限度的提高标准通讯功能的配置灵活性和可扩展性。这些是我们正在编制PCBECS的意图和设想。

表3 设备参数SVID定义示例

表4 设备事件定义示例

表5 设备报警定义示例