（机械电子工程专业论文）嵌入式可重构远程测控系统的研究与设计.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 可重构制造是下一代制造模式。本文针对可重构制造系统中检测环节的重构问题 开展研究，从可重构测控系统总体结构、现场测控单元和上位机测控软件几个方面 入手开展工作。主要研究内容包括： 第一，分析了可重构测控系统的工作原理，给出了可重构的远程测控系统总体结 构，研究了测控卡( 数据采集号、数字i o 卡等) 可重构的实现方法、现场测控装置 系统级可重构的实现方法和上位机可重构测控软件的实现方法。 第二，针对可重构测控装置设计问题，在分析了几种常用的嵌入式装置可重构 设计方法后，借鉴组态软件设计思想，给出了基于脚本和进程函数的设计方法。然 后，设计出了基于p c i 0 4 的可重构测控装置，实现了测控卡的重构和测控装置的系 统级重构。 第三，针对上位机可重构测控软件设计问题，采用虚拟仪器技术设计上位机测 控软件，用l a b v i e w 的c i n 节点扩展了一系列测控功能子v i 。使用这些测控功能子 v i 用户可以根据具体的测控任务重构自己的测控应用软件。 最后，为了验证研究工作的效果，采用可重构的测控装置、运行可重构测控软 件的上位机以及分布式的测控网络设计了一个原型系统。实现了对制造系统中物料 传送过程的控制。实践证明该系统具有很好的柔性，能够满足可重构制造系统的需 求。 关键词：可重构制造测控系统虚拟仪器 软件总线 i 华中科技大学硕士学位论文 a 。b s t r a c t t h er e c o n f i g u r a b l em a n u f a c t u r i n gs y s t e mw i l lb et h en e x tg e n e r a t i o nm a n u f a c t u r i n g p a t t e m i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h er e c o n f i g u r a b l ep r o b l e m s o fm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ll i n k s i nr e c o n f i g u r a b l em a n u f a c t u r i n gs y s t e m sa r es t u d i e d 1 1 1 ep r o b l e m sa r e s t u d i e di nt h e f o l l o w i n g c o n t e n t s ：t h et o t a ls t r u c t u r eo ft h er e c o n f i g u r a b l em e a s u r e m e n ta n dc o n t r o l s y s t e m s ，l o c a l em e a s u r e m e n ta n d c o n t r o lu n i t sa n dh o s tm o n i t o r i n gs o f t w a r ei nt h e f o u o w i n gp a r t s t h ed e t a i l sa r ei n t r o d u c e d f i r s t l y , t h ew o r k i n gp r i n c i p l e so f t h er e c o n f i g u r a b l e m e a s u r e m e n tm a dc o n t r o ls y s t e m s a r ea n a l y s e da n dt h et o t a ls t r u c t u r e so fr e c o n f i g u r a b l er e m o t em e a s u r e m e n ta n dc o n t r o l s y s t e m s a r e p r o p o s e d a n dt h ef o l l o w i n gi m p l e m e n t i n gm e t h o d s a r e p r o p o s e d ：t h e m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o l c a r d s ( d a t aa c q u i s i t i o nc a r d s ，d i g i t a l i 0c a r d s e t c ) r e c o n f i g u r a t i o n ，t h el o c a l em e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ld e v i c e s r e c o n f i g u r a t i o no ns y s t e m l e v e la n dt h eh o s tr e c o n f i g u r a b l em o n i t o r i n gs o f t w a r e s e c o n d l y , i n o r d e rt os o l v et h e r e c o n f i g u r a b l e l o c a l em e a s u r e m e n ta n dc o n t r o l d e v i c e s d e s i g n i n gp r o b l e m s ，s e v e r a lk i n d so f c o m m o ne m b e d d e dd e v i c e s r e e o n f i g u r a b l e d e s i g n i n g m e t h o d sa r ea n a l y z e d ，a n dt h e nt h i sd i s s e r t a t i o np r o p o s e st h ed e s i g n i n gm e t h o d s b a s e do ns c r i p ta n dp r o c e s sf u n c t i o n sa c c o r d i n gt oc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ed e s i g n i n g p r i n c i p l e s o nt h eb a s i so f t h ea b o v em e t h o d s t h el o c a l er e c o n f i g u r a b l em e a s u r e m e n ta n d c o n t r 0 1d e v i c ei sd e s i g n e db a s e do np c i 0 4t op u tr e c o n f i g u r a t i o no f t h em e a s u r e m e n ta n d c o n t r 0 1c a r d sa n ds y s t e m1 e v e lr e c o n f i g u r a t i o no ft h el o c a l em e a s u r e m e n ta n dc o n t r o l e q u i p m e n t d e v i c e si n t or e a l i t y t h i r d l y , i no r d e r t os o l v et h er e c o n f i g u r a b l em o n i t o r i n gs o f t w a r e d e s i g n i n g p r o b l e m s ， t h em e t h o d si n u s i n gv i r t u a l i n s t r u m e n tt e c h n i q u et o d e s i g nm o n i t o r i n gs o f t w a r ea r e p r o p o s e da n d t h e nas e r i e so f m o n i t o r i n gs u bv i sa r ee x t e n d e db yt h el a b v i e w sc i n n o d e s t h eu s e r sc a n r e c o n f i g u r e d t h e i r o w n m e a s u r i n g a n dc o n t r o l l i n gs o f t w a r e a c c o r d i n g t op r e s e n tt a s k s b yu s i n gs u c hs u bf u n c t i o n s f i n a l l y , i no r d e r t op r o v et h ee f f e c to ft h er e s e a r c h i n gw o r k s ，ap r o t o t y p i n gs y s t e mi s d e s i g n e db yu s i n gt h er e c o n f i g u r a b l el o c a l em e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ld e v i c e s ，t h eh o s t c o m p u t e rr u n n i n g t h er e c o n f i g u r a b l em o n i t o r i n gs o f t w a r ea n dt h ed i s 仃i b u t e dm e a s u r e m e n t a n dc o n t r o ln e t w o r kt oc o n t r o lt h em a t e r i a l sc o n v e y i n g p r o c e s si nm a n u f a c t u r i n gs y s t e m s i ti sp r o v e d 也a tt h es y s t e mi sw e l lf l e x i b l ea n dc a r lm e e tw i t ht h er e q u i r e m e n t so ft h e m a n u f a c t u r i n gs y s t e m s k e y w o r d s ：r e c o n f t g u r a t i o nm a n u f a c t u r em e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e m v i r t u a li n s t r u m e n t s o f t w a r eb u s i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他 个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集 体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：青办 日期： ) 。吁 年午月2 7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密面。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：方强 日期：瑚叶年牛月日 指导教师签名：彳i 马，毒聋? 日期：加咿相7 日 华中科技大学硕士学位论文 1 1 课题概述 1 绪论 1 1 1 课题来源 本课题来源于华中科技大学网络化测试实验室承担的国家自然科学基金委员会 资助项目“面向制造业的可重构测式系统理论研究”( 课题编号：5 0 2 7 5 0 6 1 ) 。 1 1 2 课题的提出 本学位论文申请人参加并承担了国家自然科学基金委员会资助项目“面向制造 业的可重构测式系统理论研究”的部分研究工作。“面向制造业的可重构测试系统理 论研究”项目针对网络经济时代动态制造环境对制造系统提出的可重构、进化与升 级的要求，研究基于软件总线的、在运行环境下功能可以变更和扩展的动态可重构 测试系统。给出了动态可重构测试系统模型和设计理论，研制出了软件原型系统。 该项目的主要研究内容有： 1 ) 可重构、进化与升级的测试系统理论方法学 2 ) 基于软件总线的可重构测试系统模型 3 ) 信号流驱动的测试系统总线控制结构模型 4 ) 软件总线环境下的测试系统功能模块软件芯片模型 5 ) 基于数据的带初始化和连线能力的软件芯片模型 6 ) 可重构测试系统组态编程语言模型 7 ) 测试系统软件芯片集成、进化理论研究 8 ) 嵌入式、可重构现场测控装置研究 9 ) 可重构测试系统开发平台原型系统实现 本学位论文承担其中的嵌入式、可重构现场测控装置研究和可重构测控原型系 统实现两个部分的工作。 下面是项目产品的结构框图： l 华中科技大学硕士学位论文 图1 - 1 可重构测试系统结构图 1 , 1 3 课题研究的目的和意义 本课题的研究目的在于研究一种适于可重构制造需求的测控系统。可重构制造系 统与传统制造系统的主要差别在于制造系统的结构设计在系统级和设备级都是可调 节( 可重新配置) 的；制造系统的设计是针对零件族的，并具有用户化的柔性特征以生产 出该零件族中用户所需求的全部零件。检测系统作为可重构制造系统的子系统，在结 构设计上应该是可调节的，因此测控系统作为检测系统的核心控制单元也应该是可重 新配置的。而传统的测控系统是一种刚性系统，其结构和功能是固定的，用户难以改 变，因此研究一种可重构的远程测控系统对于可重构制造系统具有如下意义： 1 ) 采用开放式的体系结构，测控装置的结构和功自 都是可变化的，而且匕位机 可以对测控系统的软硬件资源集中管理，因此可重构的测控系统使得检测系统能够 适应制造系统变形后产生的新的测控任务； 2 ) 测控系统可由用户重构、测控任务完全由用户分配，体现出了可重构制造系 统用户化的柔性特征： 3 ) 测控系统的网络通讯模块也是可重构的，用户可以根据制造系统的规模、技 术现状、生产成本等选择合适的测控网络； 4 ) 铡控装置采用嵌入式系统结构，具有设计灵活、结构紧凑、可靠性高、市场 生命周期长等特点，减少了可重构制造系统的维护费用； 5 ) 网络化测量、网络化仪器能实现设备信息和测量信息的上网，便于实现企业 生产过程各环节的数字化管理，提高企业的生产管理水平： 2 华中科技大学硕士学位论文 1 2 相关技术的国内外现状和发展趋势 1 2 1 可重构制造系统 制造系统与新产品开发、商务实践构成了制造的三个基本要素。制造系统中的 关键问题是：如何快速设计与建立新产品生产的系统，使企业及时抓住商机。8 0 年 代以来，不断全球化和呈快速多变的制造货物市场上，传统制造系统( 如：刚性制 造系统、r m s 等) 均不能满足市场变化的需求。为了解决这一问题1 9 9 6 年美国 m i c h i g a n 大学k o r e n 通过对目前典型制造系统的分析提出了可重构制造系统的概念 ( r m s ，r e c o n f i g u r a t i o nm a n u f a c t u r i n gs y s t e m ) 。 ( 1 ) 国内外r m s 的研究情况。美国m i c h i g a n 大学主要针对缩短r m s 设计建造 时间、可重组机床与控制器设计、压缩系统重组后达到正常运行的过渡时间斜 升时间三方面进行研究。美国国家自然科学基金对这一为期5 年的项目给予了极大 的资助，项目总拨款接近7 0 0 万美元。与此同时美国依阿华大学和麻省理工学院的研 究人员也对这类系统的设计进行了研究旧，3 。 在欧洲，欧洲委员会在欧洲机床工业的现状与未来中明确提出按自治功能 单元划分模块进行模块化机床设计与制造，并开展模块生产的专业化协作。此外汉 诺威大学领衔开展了先进机床模块化综合项目研究，明确按顾客规定的模块进 行机床的重组。斯图加特大学等还对加工系统重组、机床模块应用的接口设计及机 床坐标轴模块进行了研究【4 r 1 。 1 9 9 8 年我国国家自然科学基金委员会资助开展r m s 重点项目的研究。清华大学 在r m s 方面作了较多的研究，主要研究内容包括：制造系统重组的系统设计理论， 它主要是基于s u hn r 的公理设计理论和并行工程的可重组制造及其判别定理和 d f m ；可诊断陛设计( d f d ) ；基于随机过程理论的系统运行与布置理论；零件工艺 驱动的系统规划布置理论；产品创新设计的研究，以及支持产品过程驱动的r m s 的 设计与规划。 综上所述，各国均对可重构制造技术和可重构制造系统进行了研究和探索。可 以预见，建立在科学基础上的可重构制造系统( r m s ) 技术将成为支持新世纪制造 业发展的重大技术。 ( 2 ) r m s 的发展趋势。目前对r m s 的研究主要集中在以下几个方面：机床可移 动性与性能测试评价的研究；建立r m s 技术平台；开发自主版权的计算机化与智能 化技术和软件；开发基于经济可承受性的投资分析系统及支持软件；开发r m s 技术 实施的系统管理与t e a m 组织管理及其评价体系；在企业进行应用示范。根据现有成 3 华中科技大学硕士学位论文 果来看，r m s 发展的主要趋势为【6 ： 在基础研究和应用研究的基础上开发实用技术和支持系统工具，改变个别摸 索或经验型为科学化、标准化技术与作业： 在先进制造战略指导下，逐步建立完整的r m s 理论、设计与规划方法、测 试和评价方法，使之与其它先进制造技术形成融合的第三技术群； 深入研究系统分解与集成的理论，将其与集成制造和c i m s 等技术一起形成 能建立和发挥系统“乘积效果”的科学重构理论技术； 在模块化理论指导下研究开发模块化的装置、机床装备和产品； 研究和开发支持r m s 的系统集成管理、订货化商务和生产运作管理，以及 r m s 小组组织与管理。 1 2 2 可重构技术 可重构技术除了应用于制造领域外，在其它领域( 如：电子信息领域、医疗领 域等) 也得到了广泛的应用。可重构技术在目前的应用中主要包括硬件可重构技术 和软件可重构技术。 ( 1 ) 硬件可重构技术。硬件可重构技术是一种在信息处理领域中应用非常广泛 的技术。2 0 世纪7 0 年代末，前苏联科学家s t u d l a n ae k a r t a s h e v 和s t e v e ni k a r t a s h e v 博士提出了动态可重构的系统结构概念；8 0 年代，可重构技术得到了较大的笈展， 在容错计算、并行处理、集成电路等方面得到了广泛应用；进入9 0 年代，随着具有可 重构能力芯片f p g a 的出现和发展，硬件可重构研究成为新的研究热点。硬件可重构 技术在电子信息领域的发展尤为突出，1 9 8 4 年x i l i n x 公司发明了现场可编程门阵列 f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t e a r r a y ) 随后出现了复杂可编程逻辑器件( c p l d ) 。这 些器件由于具有用户可编程的特性，设计人员利用与器件相应的c a d 软件可以很容 易设计自己的a s i c ( a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci n t e g r a t e dc i r c u i t ) 器件，实现用户规定的各种 专门用途p “。f p g a 和c p l d 的出现使得硬件可重构技术达到了门级可重构的水平 【9 ，l 0 1 。 ( 2 ) 软件可重构技术。软件可重构技术是现代软件设计工程中重要的一种设计 方法，这种设计方法的对象是传代软件系统，所谓传代软件系统是指那些经过长时 间运行的软件系统。随着时间的推进，各种软件新技术不断出现，形成了对这些传 代软件系统的巨大冲击，传代软件系统面临着如何适应新需求的问题。软件可重构 技术的提出就是为了解决这个难题。目前软件可重构技术的典范是虚拟仪器技术和 组态软件技术。 虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t a t i o n ，v i ) 最早是为了适应p c 卡式仪器于1 9 8 6 年 d 华中科技大学硕士学位论文 由美国国家仪器( n a t i o n a li n s t r u m e n t s ) 公司提出的。随后美国惠普、泰克( t e k t r o n i x ) 、 雷卡等公司相继提出了基于p c 总线的虚拟仪器。随着一些新的p c 技术和数据采集 技术逐渐应用到v i 中，虚拟仪器技术取得了一些新的进展，出现了基于w e b 的虚拟 仪器、虚拟硬件( v i r t u a lh a r d w a r e ) 、可互换虚拟仪器( i v i ) 等。从1 9 9 5 年开始， 国内的一些大学和高科技公司相继开展了基于p c 总线的虚拟仪器技术的研究和开 发工作，研究和开发了一些虚拟仪器产品，如：深圳蓝津信息技术有限公司推出了 快速可重组虚拟实验平台( d r v i ) 【1 1 i 。 在组态软件技术方面，9 0 年代，随着微软的w i n d o w s 3 0 风靡全球，以w o n d e r w a r e 公司的i n t o u c h 为代表的人机界面软件开创了w i n d o w s 下运行工控软件的先河，使 该公司迅速在不长的时间内成为全球最大的独立组态软件厂商。组态软件分为人机 界面软件( h m i ) ，如i n t o u c h i 、f i x 、组态王等；基于p c 的控制软件，统称软p l c 或软逻辑，如亚控的k i n g a c t 、西门子的w i n a c 等；生产执行管理软件，如i n t e l l u t i o n 公司的i b a t c h 、w o n d e r w a r e 公司的i n t r a c k 等。目前，全球知名的组态软件厂商不足 2 0 家，前6 家占据了整个市场7 5 左右的份额它们分别是w o n d e r w a r e 、s i e m e n s 、 i n t e l l u t i o n 、r o c k w e l l 、g e f a n u c 、c i t e c h 1 3 , 1 4 。 目前对软件可重构技术的研究已深入到很多领域，例如：在数控系统的软件重 构方面，美国密西根大学提出了一种有限状态机( f i n i t e s t a t em a c h i n e ) 模型，采用这种模 型构造数控单元模块，不同模块之问可以相互通信，当重构数控系统时，只需重构状态 表和行为集即可。国内前华中理工大学提出了基于软件芯片的开放式数控系统的实 现模式，它利用面向对象技术将数控系统的功能进行抽象，封装为可重用的软件芯片 通过组装芯片来集成数控系统。浙江大学提出了基于组件对象模型f c o m p o r i e n t o b j e c tm o d e l ，c o m ) 的开放式数控系统，将数控系统的功能进行抽象，封装为可重用的 组件，通过组件的集成来构建数控系统【1 。 1 2 3 可重构系统的特点 基于软硬件可重构技术的可重构系统在设计思路上完全不同于传统的系统设 计。从上面对可重构制造系统的研究现状以及可重构技术在其它领域的研究现状的 介绍来看，可重构系统应具备以下特点 3 0 , 3 1 ： 模块化：可重构系统中的所有部件必须是模块化的，包括所有的硬件、软件都 采用模块化设计。若有必要，各部件可以更换而不必改动整个系统。从而使得系统 易于维护并降低了成本。 集成性：为了使整个系统结构清晰，便于使用和维护，有必要建立起一系列系 统集成方法和原则，这些方法和原则应包括整个系统以及部分控制单元。 5 华中科技大学硕士学位论文 可转换性：系统的可重构性要求可以利用已有的软硬件资源来实现不同的功能产 品，同时，在改变功能时应尽量缩短时间。因此要求系统的软硬件模块必须具有快 速转换的能力。 具体化：为降低成本，可重构系统应该设置成适用于系列化的功能产品，而不 是面向各种各样的广泛功能产品。 1 3 本文的主要研究工作 本学位论文针对可重构制造系统中检测系统的可重构设计，将系统可重构技术 引入测控系统中研究嵌入式、可重构远程测控系统的具体实现。内容涉及测控装置 上开放式测控软件的设计；上位机上可重构测控软件的设计；测控装置和上位机上 硬件扩展模块的设计等。具体研究工作主要体现在以下几个方面： ( 1 ) 测控装置上测控卡可重构实现。通过分析可重构制造系统对检测系统的设计 要求，给出了嵌入式、可重构远程测控系统的概念以及系统的特点和设计要求。采 用基于脚本和进程函数的软件重构设计方法实现了测控卡的重构。包括：测控卡基 本配置信息管理模块设计、测控指令参数辨认模块设计、为测控卡驱动程序提供的 软件接口设计等。 ( 2 ) 测控网络中测控装置可重构实现。采用基于脚本和进程函数的软件重构设计 方法从实现网络通讯模块的可重构，达到测控装置可重构的目的。主要涉及以下内 容：应用层网络通讯协议实现、底层网络通讯接口设计、测控指令处理模块设计等。 ( 3 ) 上位机可重构的测控软件实现。为了适应远程测控系统的可重构、测控任务 的灵活多变，采用了基于虚拟仪器软件平台的上位机测控软件设计方案。主要包括 以下功能子v i 的设计：测控指令产生节点( c i n 节点) 设计、网络通讯子v i 设计、 回应消息处理节点( c i n 节点) 设计、具体测控功能子v i 的设计包括提取测控 卡操作指令功能码模块、提取测控卡操作指令模块和执行测控卡操作指令模块的设 计。 ( 4 ) 嵌入式、可重构远程测控原型系统的具体实现。在完成了嵌入式、可重构远 程测控系统主要功能单元的设计后，设计了一个原型系统用于制造系统中物料传送 带的控制。 本文内容组织如下： 第一章绪论，介绍了课题的相关背景知识。第二章嵌入式、可重构远程测控系统 概述，从可重构制造系统( r m s ) 对检测系统的设计要求出发，给出了实现检测系 统可重构的嵌入式、可重构远程测控系统的概念，然后着重讨论了远程测控系统的 6 华中科技大学硕士学位论文 可重构实现方法，最后给出了嵌入式、可重构远程测控系统的总体设计方案。第三 章测控装置上开放式测控软件的设计，完成了适于软件模块可重构的测控软件平台 设计，解决了测控装置的可重构设计问题。第四章基于l a b v i e w 的上位机可重构测 控软件设计，扩展了一系列测控功能子v i ，供用户组合使用。第五章嵌入式、可重 构远程测控原型系统设计，基于r s 4 8 5 网络实现了远程测控系统的具体应用。第六 章全文总结和展望，给出了本文的主要结论和对下一步工作的展望。 7 华中科技大学硕士学位论文 2 1 引言 2 嵌入式、可重构远程测控系统概述 随着对可重构制造系统( r m s ) 的深入研究，人们为了实现r m s 各个构成单元 的可重新配置作了各种有效的尝试。目前对测控系统的研究不断向低成本、高速、 高性能、开放式等方向迈进，取得了一定的进展，但是计算机测控系统的设计过程 中仍然面临不少的难题u 。 下面将简要介绍可重构制造系统( r m s ) ，在明确了可重构制造系统的特点以及 可重构制造系统对其生产要素单元的设计要求的基础上，针对检测系统的可重新配 置要求给出嵌入式、可重构远程测控系统的概念。着重分析嵌入式、可重构远程测 控系统的可重构设计方法，最后给出系统的总体设计方案。 2 2 嵌入式、可重构远程测控系统的概念 测控系统是可重构制造系统的一个重要子系统。下面对可重构制造系统作简要 的介绍，在此基础上给出嵌入式、可重构远程测控系统的概念。 2 2 1 可重构制造系统( i t m s ) ( 1 ) r m s 的概念和构成。r m s 是为适应新的生产环境需要而设计的生产制造系 统，可以通过重新安排或改变其生产部件，而达到快速调节生产能力和生产功能的 目的。新的生产环境是指产品需求变化、产品更新或生产工艺改进等；生产部件是 指包括整个生产线上的所有器件，如机床、机构件、传送线、控制器、传感器或软件 等h 6 j 。r m s 的关键因素是模块化的可重构硬件和可重构软件。r m s 着重强调产品 的生产制造过程，而不是开发新产品，其目的是增强企业的快速响应能力，以生产 出低成本高质量的产品。 ( 2 ) r m s 的设计和配置过程。r m s 的生产部件是可以被重排的，故设计出来的 制造系统本身应是柔性的，一方面可以被升级或更新，而不是简单被替换；另一方 面可以制造多样性的产品，而且生产线也是可以改变的。因此r m s 开发的关键是： 在开始设计阶段，系统及其部件就必须具有柔性和可重构性，同时还要满足功能和 性能的要求。下图为欧共体欧洲信息技术研究发展战略计划e s p r i t i i i g ) 究计划中自 动化控制系统的开放系统( o s a c a ) 体系结构图。 8 华中科技大学硕士学位论文 一= = = ；= = = = = = = = = ；= = = = = = = ；= = = = = = ；= = 一 图2 1o s a c a 体系结构 在完成了制造系统各生产单元的可重构设计后就是如何根据生产环境的变化 实现这些单元的系统级重构。实现r m s 的系统级重构应以所要实现的基本任务为依 据，这些基本任务包括【7 ，8 j ： 确定系统所要加工的零件或零件族； 确定生产批量和混合比； 确定模块库，包括：一套给定的机器模块，每一模块通过形状、接口、运动学 和刚度等来描述；模块装配的约束描述；套给定的机械装置，每一机械装置通过 一组运动学、加工过程等来描述；同机器模块或机械装置相适应的控制模块或系统。 零件加工处理顺序的约束描述。 为了保证配置后的制造系统的质量，还应检测出给定的机器模块或机械装置的 不可实现性。r m s 系统的重构过程如图2 - 2 所示： 9 华中科技大学硕士学位论文 ! = = = = = = = = = = = = ；= = = = ；g = j = _ 图2 - 2r m s 的重构过程示意图 ( 3 ) r m s 的特点。r m s 作为一个可重构系统必然具有1 2 3 节所述的所有特点。 其中可转换性表现在利用已有的生产线快速转换后生产出所需要的新产品。r m s 除 了具备上述特点外还具备可诊断性：系统应具有对重新布置好的系统进行相应的修 正和微调的能力，以确保产品的质量。产品质量检测系统必须和整个系统有机的结 合，这样可有助于快速找到影响质量的原因，并借助统计分析、信号处理和模式谚 别等技术来保证高质量产品。 2 2 2 嵌入式、可重构远程测控系统 ( 1 ) 检测系统在r m s 中的莺要地位。主要体现在以下两个方面：在生产线快速 可变形方面，生产线改变后需要有先进的传感、检测系统完成自动监控和标定。例 如：在美国克莱斯勒公司汽车车身冲压生产线上，先进的模具更换装置只需4 分钟 即可完成一整套冲压模具的更换；在快速试生产方面，为了进一步缩短产品上市的 时间，有必要压缩生产线调试和产品试制的时间，使其尽量与生产线的设计和制造同 步。借助柔性检测系统可以快速完成对生产线的调试以及产品质量检测从而达到快 速试生产的目的。 ( z ) 关于嵌入式、可重构远程测控系统。测控系统作为检测系统的核心控制单元直 接决定着检测系统的整体性能。为了适应r i m s 的需求采用了嵌入式、可重构远程测控 系统。嵌入式、可重构远程测控系统是一种为适应测控任务变化而设计的具备远程测控 华中科技大学硕士学位论文 功能的测控系统。可以通过重新安排或改变其测控部件和软件，而达到快速调节测控功 能的目的。下面给出该测控系统的特点和设计要求： 洌控装置上软硬件采用模块化设计，硬件模块如：嵌入式控制器、通讯模块、 测量和控制+ r 等；软件模块如：测控软件平台、测控卡驱动程序、网络通讯程序等； 不同型号、不同接口形式的测量和控制卡可以基于控制器实现单元级重构； 通讯模块也可以基于现场控制器或上位机实现重构，借助通讯模块的重构可 以实现测控装置或上位机的系统级重构： 上位机测控软件对测控系统的软硬件资源集中管理，能够实现网上测控资源 的重组及协同工作，因此上位机上的测控软件也应具备可重构性： 将整个测控系统分为上下两级，便于系统维护和扩展。 2 3 可重构的测控装置设计方法 上面给出了嵌入式、可重构远程测控系统的概念和特点，从中可以看出对可重 的测控装置的设计主要是实现测控装置上测控卡的可重构以及测控装置的系统级可 重构。下面着重讨论可重构测控装置的设计方法。 2 3 1 嵌入式装置可重构设计方法的分析与改进 将可重构技术应用于具体的工程实践，使可重构技术得到了新的发展和丰富。 下面是几种常用的可重构设计方法： ( 1 ) 即插即用的嵌入式装置设计方法旧1 8 。即插即用的嵌入式装置在设计方法参 考了个人计算机的硬件结构，设计了比较通用的硬件平台并提供标准的硬件接订用 于硬件功能模块的扩展；针对具体的硬件功能模块设计相应的模块化驱动程序，使 用时系统自动检测到硬件模块并为其配置相应的驱动程序，实现“即插即用”的目 的。使用这种方法设计的嵌入式装置很容易实现重构，但是其硬件功能模块的设计 必须遵循统一的硬件接口标准而且难以兼容其它接口形式的硬件模块，容易造成资 源浪费。 ( 2 ) 可配置的嵌入式装置设计方法【19 1 。实际上实现硬件模块的重构很大程度上依 赖于相应软件功能模块的重构。于是人们从软件可配置的角度研究了可配置的嵌入 式装置设计方法。这种方法的思想是：软件方面使用独立于专门应用，而且能方便 地适应各种接口形式的硬件的中性系统平台，从而实现软件模块的重用和分布化。 根据各个软件模块与中性系统平台之间实现链接的方法的不同，可以借助l i b 函数库、 借助o b j 目标文件来实现软件模块的重构。在硬件模块信息的登录方面人们给出了基 于脚本的实现方法。 l l 华中科技大学硕士学位论文 基于l i b 函数库或o b j 目标文件的可重构实现方法的基本思想是：将软件模块设 计成函数形式封装在l i b 函数库中或将其编译成o b j 目标文件，在中性系统平台上设 置固定的函数调用，通过改变函数的功能来改变或扩展系统的软件功能。系统运行 前需要将i i b 函数库或o b j 目标文件与中性系统平台起编译、连接生成可执行文件。 由于中性系统平台依赖于固定的函数调用，因而限制了这类方法的灵活性。 对可配置的嵌入式装置设计方法的改进：为了使软件模块的重构脱离对中性系 统平台的过分依赖( 如：编译连接、固定的函数调用等) 、提高软件模块重构的灵活 性，可以采用基于脚本和进程函数的软件可重构实现方法。基本思想是：将所要扩 展的软件模块设计成可执行程序的形式，在中性系统平台中通过进程函数调用这些 可执行程序( 子进程) ，并完成数据通讯，从而实现软件模块之间的动态链接；脚本 文件用于记录相应硬件模块的配置信息以及扩展程序的信息( 如：程序文件名等) ， 中性系统平台在初始化阶段载入脚本文件的信息。使用这种方法，中性系统平台和 各个软件扩展模块之间可以实现动态链接，而且各软件扩展模块在设计上可以独立 予中性系统平台。 2 3 2 测控卡的可重构实现方法 上面介绍了基于脚本和进程函数的可重构实现方法。利用这一方法结合测控卡 的硬件特点( 硬件接1 3 不统一、没有统一的设计标准等) ，从软件重构的角度实现测 控卡的重构。 图2 - 3 测控卡驱动程序重构过程示意图 根据基于脚本和进程函数的可重构设计方法可知要完成测控卡的动态可重构 1 2 华中科技大学硕士学位论文 需要实现：测控卡基本配置信息存储；测控卡驱动程序独立设计；测控卡驱动程序 动态链接到测控软件平台上。图2 3 是系统对测控卡驱动程序的识别和操作的运作流 程图。从图中可以看出系统对测控卡驱动程序的识别是借助测控卡基本信息配置文 件实现的，而对测控卡驱动程序的操作则是通过软件接口实现的。下面具体介绍测 控卡驱动程序可重构的实现方法： ( 1 ) 使用脚本文件存放测控卡基本配置信息。在该脚本文件中定义了指令功能 码、测控卡编号、驱动程序名称、控制参数列表等。脚本文件由用户根据所使用的 测控卡的操作要求来编辑。测控软件平台在初始化阶段载入脚本文件的内容，这样 软件平台就可以根据测控卡基本配置信息调用测控卡驱动程序，完成测控功能。 ( 2 ) 在软件平台上设霞软件接口。通过软件平台上的接口完成对测控卡驱动程序 的调用，以及软件平台和驱动程序之间的数据通讯。在软件接口中需要约定数据通 讯的格式，包括控制参数的格式和驱动程序执行结果的格式。软件平台和驱动程序 之间的数据通讯可以借助文件柄来完成。 ( 3 ) 编写规范的测控卡驱动程序。用户在编写驱动程序时，只需遵循上述软件接 口中约定的数据通讯格式，这样既可以从软件平台上获取控制参数，又可以将测控 结果回传给软件平台。 ( 4 ) 通过软件接口启动测控卡驱动程序。测控软件平台通过进程函数启动测控卡 驱动程序，同时通过进程函数的参数接口完成进程之间的数据通讯。 综上用户在编辑好测控卡基本配置信息文件和完成测控卡驱动程序的设计后， 测控系统就可阱实现对测控卡的操作了。同理若要拔除测控卡只需在脚本文件中删 除其脚本信息即可。 2 3 3 测控装置的可重构实现方法 根据嵌入式、可重构远程测控系统的特点，为了最大可能的提高系统的可重构性， 测控装置在系统级上也应该是可重构的。同样，利用基于脚本和进程函数的软件可重构 设计方法实现底层网络接口程序的重构，从而达到测控装置重构的目的。 下面给出了底层网络接口程序实现重构的过程，如图2 - 4 所示。图中软件平台 对底层网络接口程序的识别是借助系统配置信息文件实现的，而与底层网络接口程 序的动态链接则是通过软件接口实现的。底层网络接口程序独立于软件平台设讨， 可实现与软件平台的动态链接。 1 3 华中科技大学硕士学位论文 图2 4 底层网络接口程序重构过程示意图 具体方案如下： ( 1 ) 由软件平台上的应用层协议控制器约定指令格式，完成指令封装和校验。应 用层协议控制器是软件平台的核心模块之一，它约定了与上位机上相同的指令格式 从而使得测控装置能够识别来自上位机的测控指令。上位机测控指令是由具有特定 含义的多个字段构成的。要使测控指令可以被识别，必须有约定的指令格式，需要 按照一定的协议来编写。例如：可以将测控指令封装成m o d b u s 协议的帧格式( a s c i i 帧或r t u 帧) 2 0 o 这样不同的软件平台设计时只需要依据应用层网络协议来处理 上位机测控指令，就可以与系统兼容，实现可重构。 ( 2 ) 在测控软件平台上设计用于调用底层网络接口程序的软件接口。软件平台在 初始化阶段载入编辑了底层网络接口程序基本信息的脚本文件( 系统配置信息文 件) ，这样通过软件平台上的软件接口就可以完成对底层网络接e j 程序的调用，以及 软件平台和底层网络接口程序之间的数据通讯。 ( 3 ) 设计独立于软件平台的底层网络接e l 程序。底层网络接口程序用于完成基于 各种通讯协议的数据通讯。用户可以独立于软件平台编写底层网络接1 2 1 程序，只需 遵循上述软件接口中约定的数据通讯方式，这样就可以完成与软件平台之间的双向 数据通讯了。 ( 4 ) 通过软件平台上的软件接口调用底层网络接口程序，为测控装置添加所需要 的网络通讯功能。在测控装置初始化阶段通过指定底层网络接口程序名，软件平台 通过调用子进程的方式实现对底层网络接口程序的动态链接。 1 4 华中科技大学硕士学位论文 2 4 上位机可重构测控软件的设计方法 嵌入式、可重构远程测控系统要求能够实现网上测控资源的重组及协同工作， 而这部分的工作是由上位机来完成的，因此要求上位机的测控软件能够根据测控任 务的变化可重构。上位机测控软件运行在w i n d o w s 操作系统之上，随着软件技术 的发展实现上位机测控软件可重构可供选择的方法有很多，如第一章介绍的虚拟仪 器技术、组态软件技术等等。下面基于虚拟仪器技术研究上位机可重构测控软件的 设计方法。 近年来基于虚拟软件平台的软件设计思想给传统的软件设计思路带来了一场革 命。这种软件设计思想将软件系统的核心平台与具体的功能模块相分离，两者之间 通过约定的软件接口相互关联。 上位机上的测控软件主要完成测控指令的产生和发送，并对测控结果进行处理 ( 存储、显示等) 。测控指令可以分为两类：系统管理指令和测控卡操作指令。系统 管理指令用于对测控装置的管理，是由设计者指定不可修改的；测控卡操作指令用 于对具体测控卡的操作，可以由用户编辑。为此以l a b v i e w 为软件平台，扩展了一 系列测控功能子v i 供用户组合使用。各个测控功能子v i 主要由封装测控指令的c i n 节点、处理测控装置回应消息的c 1 n 节点和网络通讯节点三部分构成。 图2 5 测控功能子v i 结构图 2 5 嵌入式、可重构远程测控系统的总体设计方案 上面分析了嵌入式、可重构远程测控系统主要组成要素：嵌入式、可重构测控 装置和上位机可重构测控软件的设计方法。下面从实现远程测控系统的整体功能的 角度研究如何基于以上要素设计一个完整的嵌入式、可重构远程测控系统。 2 5 1 系统总体结构和工作原理 本系统主要由上位机、现场测控装置以及通讯网络构成。上位机与现场测控装置 1 5 华中科技大学硕士学位论文 一= = = = = ；= = = = = = = = = = ；= = = =