（机械制造及其自动化专业论文）windows系统下数控软件设计及开放式数控系统研究.pdf

中文摘要 摘要 数控机床在国民经济的发展中起到很重要的作用。基于i p c 的p c n c 和开放 式数控系统是现在数控系统的一个重要发展方向。研究高精度、通用的、基于 p c 并具有开放式性的数控系统对促进我国制造业的发展，从而带动其它制造行业的 发展有着很重要的意义。 论文结合w i n d o w s 操作系统的特性、虚拟设备驱动程序以及数控系统软件的 特点，分析了在w i n d o w s 9 x 环境下开发数控软件和实现开放式数控系统的几个重 要问题：数控系统软件结构、高精度的定时器在w i n d o w s 9 x 操作系统下的选取与 考核、虚拟设备驱动程序在数控系统软件中的应用以及基于c o m 组件的开放式数 控软件实施方案。文中针对虚拟设备驱动程序不能应用浮点数的特点和以高性能 数控系统设计为目标，改进了数值增量插补算法，提出了一种新的加减速算法。 作者应用v i s u a lc ”6 0 集成开发环境，开发出w i n d o w s 9 x 环境下的数控系统软件， 验证了上面的这些问题解决方案的正确性和合理性。 论文还分析了开放式数控系统的特点、发展趋势以及国内外对开放式数控的 最新研究成果的状况。针对在w i n d o w s 9 x 系统下实施开放式数控系统特点，论文 分析了开放式数控的特点和c o m 组件技术的特点，提出了一种基于c o m 组件和 设备驱动程序来共同构建开放式数控系统的策略，并指出采用这种策略实现开放 式数控系统是可行的，并且具有良好的可持续发展性。 关键词：w i n d o w s 9 x ，软件结构，开放式数控系统，定时器，c m o s r t c 虚拟设备驱动程序，c o m 壅苎塑要 a b s t r a c t n u m b e rc o n t r o lm a c h i n et o o lt a k e sa ni m p o r t a n tp l a c ei nt h en a t i o n a le c o n o m y d e v e l o p m e n t p c n c ( p e r s o n a lc o m p u t e rn u m b e rc o n t r 0 1 ) b a s e do nt h ei p c ( i n d u s t r i a l p e r s o n a lc o m p u e t r ) a n do n c ( o p e nn u m b e rc o n t r o ls y s t e m ) b a s e do nt h en o r m a l o p e r a t i o ns y s t e ma r ea l li m p o r t a n td e v e l o p m e n t a ld i r e c t i o no fn o w i ti sv e r yi m p o r t a n t t h a tt h er e s e a r c ho fo p e nn u m b e rc o n t r o ls y s t e mb a s e do nt h ei n d u s t r y p e r s o n a l c o m p u t e rw i t hh i 曲p r e c i s i o na n du n i v e r s a lo p e r a t i o ns y s t e m ，w h i c hc a l lp r o m o t et h e d e v e l o p m e n to f m a n u f a c t u r i n ga n db r i n ga l o n ga n o t h e ri n d u s t r i a ld e v e l o p m e n t t h ep a p e ri n t e g r a t e st h ec h a r a c t e r i s t i cw i n d o w s 9 x 血ec h a r a c t e r i s t i cv i r t u a ld e v i c e d r i v ea n dt h ec h a r a c t e r i s t i cn u m b e rc o n t r o ls y s t e m i t a n a l y s e ss e v e r a li m p o r t a n t q u e s t i o n so ft a p p i n gt h en u m b e rc o n t r o ls y s t e ma n dr e a l i z i n gt h eo p e nn u m b e rc o n t r o l s y s t e mu n d e rt h ew i n d o w s 9 xc i r c u m s t a n c e ，w h i c ha r et h en u m b e rc o n t r o ls y s t e m s o f t w a r es t r u c t u r e ，t h ec h o i c ea n dc h e c ko ft h eh i 出p r e c i s i o nt i m e ro n d e rt h e w i n d o w s 9 xo p e r a t i o ns y s t e m , t h ev i r t u a ld e v i c ed r i v e ra p p l i a n c eo f t h en u m b e rc o n t r o l s y s t e ms o f t w a r e ，a n dt h eo p e nn u m b e rc o n t r o ls o f t w a r ei m p l e m e n tb a s e do nt h ec o m i ti m p r o v e so nt h ea r i t h m e t i co fv a l u ei n c r e m e n ti n t e r p o l a t i o na n dp u t sf o r w a r dan e w a r i t h m e t i co f s p e e d u p sa n ds p e e d d o w n sp o i n ti no r d e rt or e a l i z i n gt h ei l i 曲c a p a b i l i t y n u m b e rc o n t r o ls y s t e ma n da l s ob e c a u s et h ev i r t u a ld e v i c ed r i v e rc a n n tu s et h e f l o a t i n g - p o i n tn u m b e r s i tu s e st h ei d eo fv i s u a lc ”6 0t ot a pn cs o f t w a r ei nt h e e n v i r o n m e n to fw i n d o w s 9 x ，a n dv e r i t i e st h er e s o l v e i n gb l u ep r i n to ft h o s eq u e s t i o n s w e l l t h ep a p e ra l s oa n a l y z e st h ec h a r a c t e r i s t i c ，d e v e l o p m e n t a lt r e n da n dt h es t a t u so f t h er e s e a r c ho ft h eo p e nn u m b e rc o n t r o ls y s t e m i tp u t sf o r w a r dt h ef r a m eo fr e f e r e n c e t h a ta d o p t st h ec o ma n dt h ev x dt oc o n s t r u c tt h eo p e nn u m b e rc o n t r o ls y s t e ma p p o i n t t ot h ec h a r a c t e r i s t i co f i m p l e m e n to f t h es o f t w a r ei nt h ec i r c u m s t a n c eo f w i n d o w s 9 x i t a l s oa n a l y z e st h ec h a r a c t e r i s t i co f c o ma n dt h ec h a r a c t e r i s t i co f n u m b e rc o n t r o ls y s t e m a n da p p o i n t st h ef e a s i b i l i t yo fr e a l i z i n gt h eo p e nn u m b e rc o n t r o ls y s t e m ，a n da l s oh a s g o o dp e r s i s t e n c ed e v e l o p m e n t k e y w o r d s ：w i n d o w s 9 x ，s o f t w a r es t r u c t u r e ，o p e nn u m b e rc o n t r o ls y s t e m ， t i m e r , c m o s r t c ，v h t u a ld e v i c ed r i v e r , c o m 1 绪论 1 绪论 社会经济的发展给制造业提供了更高的要求 1 ，从而导致了各种先进的制造技 术的产生和迅猛发展。柔性制造系统( f m s ) 、计算机集成制造系统( c i m s ) 、精 良生成系统( l p s ) 、智能制造系统( i m s ) 等先进制造技术在国民经济发展中起 到很重要的作用。数控技术是各种先进制造技术的基石，而国产数控机床还存在 诸多问题如精度低、生产效率不高等缺点：与国外的数控机床相比存在很大的差 距，而且在国内的众多的数控生产厂家中，大多是采用国外的数控系统，这种情 况对于我园的数控产业发展不利，因此对数控系统的研究就显得尤为重要。 但是，现在的数控系统的发展格局对于自己研究数控系统极为不利。一方面 是国外的一些大型数控系统厂家已经占领了高精度、高效率数控系统的市场份额， 并且有相当的规模，具有先进的生产技术，生产的数控系统的稳定性也高于国内 的数控系统，并且数控系统采用专有的软件结构、专有的硬件结构。另一方面是 国内的数控生产厂家处于一种分散的、各自为阵状态，不能够集中的技术能力来 设计这样的专用的、高效、高精度的数控系统。所以，国内的数控系统从总体上 讲和国外的数控系统有很大的差距。因此在这种情况下，我国应利用现在p c n c 及开放式数控发展的契机，提升我国的数控系统水平。 1 1p c n c 的发展趋势 2 】【3 】 计算机出现不久后就与数控系统相结合，它使传统的数控系统产生根本性的 变化，极大的提高了数控系统组成的灵活性和数控系统性能，从而大大的提高了 零件加工制造的精度，从而促进了人类社会生产的进步。机床工业在随着计算机 技术的发展过程中经历了最初的数控( n c ) 阶段到现在的p c n c 阶段。特别是在 上个世纪8 0 年代末9 0 年代初，将工业计算机( i p c ) 应用到数控系统中来并且与 通用的操作系统相结合，使数控组成发展到新的阶段即现在人们所说的p c n c 。因 此，在新技术、新方法的支撑下，p c n c 数控系统的发展趋势主要有如下几个方面： 随着p c n c 数控系统的发展，将更多的由数控系统硬件功能卡实现的功能 通过工业计算机上标准总线插槽集成到计算机系统中来，使数控系统的集成度更 高，更模块化，使其具有更好的维护性。 更多通用的软件将应用到p c n c 数控系统。在传统的p c n c 系统中，数控 系统的实时功能和非实时功能处理分别由不同系统来处理，即非实时部分由i p c 来处理，实时部分由运动控制器或是专用的n c 卡来实现，并且在操作系统上使用 专用操作系统，因而只有较少的通用数控系统应用软件。随着计算机技术和软件 重庆大学硕士学位论文 技术的发展，特别是基于通用操作系统( 如w i n d o w s 操作系统) 下的p c n c 实现， 使人们能够比较容易地开发出数控系统应用软件，使p c n c 数控系统具有更强的 功能，较强灵活性。 硬件功能软件化随着计算机处理器速度的提高，它使得原先在p c n c 系 统中只能由硬件来实现的功能能够通过软件来实现。这种将硬件功能“软化”使 得其p c n c 数控系统的功能更便于升级、扩充以及能够更好的维护p c n c 的功能。 p c n c 的发展是随着计算机技术和软件技术的发展而发展，并受到到这两方面 的制约，因此对于p c n c 数控系统的研究要紧跟这些技术的发展，不断提升p c n c 数控系统的性能。 1 2 开放式数控系统的发展 2 1 3 1 在p c n c 数控系统发展的同时，为了更好地提升数控系统的灵活性和通用性， 提出了开放式概念。特别是从上个世纪8 0 年代末9 0 年代初起，欧美各国不断地 对此进行研究，使在开放式理论的指导下，数控系统发展到新的阶段即开放式数 控系统。开放式数控也本着事物发展的规律，其开放的程度由浅入深的发展阶段 如下： 1 系统硬件中简单地嵌入p c 技术使得数控系统可以享用p c 的部分资源( 主 要是存储器资源) ，专有的数控软件( 通常难以区分系统软件和应用软件) 。 2 系统硬件采用p c 加相应的控制模板，专有的数控软件( 通常可以区分系统 软件和应用软件) 。 3 运动控制( 包括轴控制和机床逻辑控制) 功能由独立的运动控制器完成，运 动控制通常由以p c 插件形式的硬件或通过网络连接的嵌入式系统实现。 数控上层软件以p c 为计算平台，采用主流操作系统f 例如w m d o w s ) 之上 的标准应用程序，并支持用户定制功能。 4 在第三类开放系统基础上，运动控制( 包括轴控制和机床逻辑控制) 通常以 应用软件的形式实现。除了支持数控上层软件( 数控语言解释器人机界面 等) 的用户定制外，其更深入的开放性还体现在支持运动控制策略( 算法) 的用户定制。外围连接主要采用计算机的相关总线标准，这类系统已完全 是通用计算机主流操作系统( 实时扩展) 上的标准应用，可称为”软件数控系 统”。 5 第四类开放系统基础上，体系结构面向对象，各功能部件支持网络分布， 主要核心部件支持插入b 口用( p l u g & p l a y ) 运动控制器主要采用可由用户定 制的智能控制策略，人机界面中更多的因素考虑与c a d c a m 的集成。这 类系统的设计和实现完全面向虚拟制造等下一代先进制造技术。 2 1 绪论 开放式数控系统的开放程度由浅入深地发展，它并与p c 技术相结合，使数控 系统的发展出现了新的动力。现在国内外对于开方式数控系统的成熟的应用在第 三种方式，并出现了成熟的产品，如日本f a n u c 早在1 9 9 7 年的下半年就推出了 基于w i n d o w s 9 5 操作系统下的数控系统。而且，随着处理器速度的高速发展，现 在正向着纯软件开放式数控系统方向发展。从发展的角度来看，这是完全可以实 现的。 由于开放式数控系统是一种基于通用操作系统和外界标准化的硬件模块来构 成数控系统，因此，在我国的数控系统工业利用自己是数控行业的后来者，更便 于甩脱历史的束缚，进行技术革新，利用当前的数控新技术，使我国的数控工业 飞速的发展。 1 3 国内数控系统的发展及趋势 3 】【4 】 1 3 1 我国数控系统的发展 我国从1 9 5 8 年起，由一些科研院所、高等学校和少数机床厂起步，进行数控 系统的研制和开发。由于受到当时国产电子元器件水平低、部门经济等因素的制 约，未能取得较大的进展。在改革开放以后，我国数控技术才逐步取得实质性的 进展。经过“六五”( 1 9 8 1 1 9 8 5 年) 引进国外技术，“七五”( 1 9 8 6 - - 1 9 9 0 年) 消化吸收和“八五”( 1 9 9 1 1 9 9 5 年) 国家组织的科技攻关和“九五”( 1 9 9 6 - - 2 0 0 0 年) 国家组织的产业化攻关，才使得我国数控系统技术有了质的飞跃。当前凡是 通过国家攻关验收和鉴定的产品( 包括中国珠峰公司的中华1 型，北京航天机床 数控系统集团公司的航天1 型，华中数控公司的华中1 型和沈阳高档数控国家工 程研究中心的蓝天l 型，以及它们的派生产品) 以及其它通过“国家机床质量监 督检验中心”测试合格的国产系统( 如南京四开电子企业有限公司的产品) 无论 技术水平，还是可靠性，均与国外产品相差无几。这些数控系统产品的出现是我 国经过4 0 多年发展的结果，同时也是开放式数控理论在实际中应用的结果。因此， 我国的数控系统在开放式数控理论的指导下，具有以下的一些特点： 拥有自主的知识产权，在性能和水平上已突破过去工业发达国家对我们的 封锁。性能较高的数控系统，历来被视为战略物资，在过去冷战时期，一轴以及 三轴以上联动的数控系统，曾先后被列为我国禁运的物资。现在，高档数控设备 仍对我国有限制。凡具有这些高性能指标的产品，在“八五”攻关中均被我们攻 下，不会过多的受到外国的限制。 在体系结构上己进入最新一代，即第六代是基于p c 的 在发展数控技术方面，我们是后来者；在接受最新技术上，我们几乎没有任 何历史包袱，因而，较快地进入了第六代。在这方面，我们与国外竞争对手处于 重庆大学硕士学位论文 同一条起跑线，这给我们带来了极为难得的机遇。 档次全、品种多，可按用户需要开发专用的数控系统 机床行业主管部门把数控系统分为三个档次：经济型以步进电机驱动为 特征，两轴联动控制，分辨率为o o l m m 的；普及型以三轴及三轴以下联动控 制为特征，采用直流或交流伺服电机驱动，分辨率为o 0 0 1 m m 的；高级型以 三轴以上联动控制为特征，采用直流或交流伺服电机驱动，分辨率为o 0 0 1 m m 或 o 0 0 1 n m 的。国外对我国限制的是高级型。通过国家“八五”数控攻关，我国数 控系统厂己可向用户提供以上这三个档次的产品。 品种多，是指对于任何一种机床的类别，如车、铣、键、磨、加工中心、齿 轮加工、柔性组合机床、雕刻机、锻造、冲压、激光加工等，均可供应相应的国 产数控系统。还可根据用户特殊需要，为其开发专用的系统；根据以往的经验， 开发周期最长不超过三个月。 在可靠性方面己不低于国外产品水平 在我国数控技术发展到今天，其体系结构已经到了基于p c 的c n c 结构，这 使得数控的核心部分可以从大规模生成的厂家购得，其能够保证工业控制计算机 的高可靠性；其次由于元器件的集成度的提高，使得自制的电路板也具有较高的 可靠性；另外国家与企业不断的对产品的品质采用多种检测手段，如国家建立“国 家机床质量监督检验中心”，企业强化元器件的筛选和品质保证体系，促进国产数 控产品的质量提高。 1 3 2 我国数控发展的趋势1 2 】 在消费多样化、个性化的时代下，对数控系统的要求也成多样化的发展趋势。 因此在市场这个无形的指挥棒下，满足市场需求的需要，我国的数控系统将在 p c n c 与开放式数控系统的理论知道下，按照以下几个方面发展： 继续向基于 p c 的开放式数控系统方向发展 基于p c 数控所具有的开放性、低成本、高可靠性、软硬件资源丰富等特点， 这使更多的数控系统生产厂家走上这条数控系统开发道路。由于现在c p u 处理速 度快速的提高，性价比的下降以及p c 机所具有的友好的人机界面将使其普及到所 有的数控系统中去。同时，日本、欧盟和美国等针对开放式的c n c ，正在进行前 后台标准的研究，这使我国数控系统的发展按照这个方向发展有可借鉴的东西。 所以，基于p c 的数控将作为今后数控发展的主流方向。 向着高效、高速、高可靠性、和高精度化发展 在数控加工中要提高加工效率，首先必须提高切削和进给速度，同时，还要 缩短加工时间；要确保加工质量，必须提高机床部件运动轨迹的精度，而可靠性 则是上述目标的基本保证。为此，必须要有高性能的数控装置作保证。 4 1 绪论 数控系统功能更加模块化、智能化、柔性化和集成化 机床结构模块化，数控功能专用化，使得机床性价比显著提高，数控机床产 品更具有个性化，这些特性的出现也是市场需求的多样化的结果。由于市场竞争 的需要，这使得更强功能的出现，这主要体现在数控功能更加智能化。智能化包 括几个方面：一是为了追求加工效率和加工质量方面的智能化，如自适应控制， 工艺参数的自动生成；二是为了提高驱动性能及使用连接方便的智能化，如前馈 控制，电机参数的自适应运算、自动识别负载等；三是简化编程、简化操作方面 的智能化：四是智能诊断、智能监控方面的内容等。数控机床的柔性化发展是从 点( 数控单机、加工中心和数控复合加工机床) 、线( f c m 、f m s ) 向面( 工段车 间独立制造孤岛) 、体c i m s 、分布式网络集成制造系统方向发展，另一方面注重 应用性和经济性方向发展。 1 4 本项目研究的内容及意义 在前述的发展趋势下，研究通用操作系统下的数控系统成为了现在基于i p c 的数控系统的热点。由于w i n d o w s 系统成为了现在主流的操作系统，其有丰富的 软件资源可以利用，因此在w i n d o w s 环境下开发数控系统成为了在通用数控系统 下的一个首选操作系统。但是，由于w i n d o w s 操作系统是一个面向商业和家庭应 用的操作系统，它不具有工业控制所要求的实时性，同时在w 曲d o w s 系统下面由 于其是采用的消息驱动机制，不能够直接采用中断并且其软件结构与别的数控系 统的软件结构不同，因此本论文将对以下几个方面进行论述： 分析w i n d o w s 系统下各种定时方式并设计在w i n d o w s 系统下对高精度定时 器的考核方法，用以选取正确的定时方法来满足数控系统对时间精度的要求。 由于在系统实现高精度的定时的时后采用了虚拟设备驱动程序，并且采用 来设备中断方式来实现高精度的定时，因此在这里对虚拟设备驱动程序下中断响 应的快慢进行分析；由于在软件结构中采用来两层的方式，同时这两个软件运行 在w i n d o w s 系统的不同的特权级别( r i n 9 0 和r i n 9 3 ) ，所以在这里要对这两种不 同文件的通信进行详细的研究，以探寻出这两个特权级别有效的联络方式。 改进插补算法和速度的升降速处理算法，以满足本数控系统设计的需要。 在w i n d o w s 下编写实际上下层软件，包括插补算法的实现，多任务的调度 处理以及底层中断的实现，用以验证上面理论的是合理的、可行的。 在w m d o w s 环境下对开放式数控系统常见的体系结构分析、研究，提出自 己的实现模式，并初步通过设计实际的软件来加以验证，完善自己的开发式数控 系统模式。 通过本系统的研究，探索出了在w m d o w s 系统下实现实时控制方法，并将其 重庆大学硕士学位论文 应用到数控系统中去，通过实际的软件编制，考核出这种方式是可行的。同时提 出了一种在w m d o w s 系统下数控软件实施的策略即以c o m 组件为标准并结合虚 拟设备驱动程序实现开放式数控系统方法，这将丰富开放式数控系统的研究，同 时也是对开放数控系统实现方式的种有益探索。 2w m d o w s 系统下的数控软件结构分析 2w i n d o w s 系统下的数控软件结构分析 2 1c n c 软件系统的特点【5 】巾1 计算机数控系统装置是一个典型而又复杂的实时控制系统，它的许多控制任 务，如零件程序的输入和译码、刀具半径补偿、插补运算、位置控制以及精度补 偿等都是由软件来实现的。从逻辑上讲 块之间存在着耦合关系；从时间上来讲 这些任务是可看成一个个功能模块，模 各模块之问存在一个时序配合问题。此 外，数控系统软件也可看着是一种专用的实时操作系统。因此，c n c 软件结构的 具有如下特点： 多任务性与并行处理 c n c 的任务是指可并行执行的程序在个数据集合上的运行过程。在通常情 况下，c n c 的任务可以分为两大类：管理任务和控制任务。管理任务主要承担系 统资源管理和系统各子任务的调度，包括系统程序管理、输入、显示、诊断等内 容；控制任务则主要完成c n c 的基本功能：译码、刀具补偿、速度处理、插补运 算、位置控制等任务。计算机数控系统在完成以上任务时并不是顺序执行的，而 往往需要多任务并行处理。如： 1 ) 控制任务中各个子功能的并行：一个加工段的插补、位置控制与下一个加工 段的预处理( 速度计算，刀具补偿等) 必须同时不问断地执行，以保证加工的连 续性： 2 ) 管理任务中各个子功能的并行：如当用户程序输入系统时，c r t 需实时显 示输入的内容； 3 ) 管理任务与控制任务的并行：即在加工过程中，管理程序要实时监控操作面 板以及显示加工状态( 管理任务) 等。这是控制任务与管理的并行。 并行处理需c n c 软件在同一时刻或同一时间间隔内完成两个或两个以上的任 务的处理，它不仅保证了加工的连续性，也可提高c n c 装置资源的利用率和系统 的处理速度。并行处理的实现方式与c n c 系统的硬件结构密切相关，在通常情况 下对于单c p u 的系统采用“分时”来实现多任务的并行处理；对于多c p u 的系统 中根据各个任务之间的关联程度，可以采用不同策略来提高系统的处理速度，常 用的有“并发处理”，和“流水处理”方式等。 实时性和优先抢占调度机制 实时性是指完成某项任务有严格的时间要求，即必须在系统规定的时间完成， 否则将导致执行结果错误和系统故障。 1 ) c n c 系统实时任务的类型 重庆大学硕士学位论文 c n c 装置是一个专用的实时计算机系统，在该数控系统中，各个任务的或强 或弱的都具有实时性的要求。各个任务从实时性角度来看，基本可以分为强实时 性任务和弱实时性任务，强实时性任务中间又存在突发性强实时任务和周期性强 实时任务。 a 、突发性实时任务；这类任务的特点就是任务的发生有随机性和突发性，它 们是一种异步中断事件，有很强的实时性要求，其主要包括在故障中断和p l c 中 断等。 b 、周期性强实时性任务：这类任务精确地按一定的时间间隔发生，主要包括 加工过程的插补运算、位置控制等任务。这类任务的实时处理精度是保证零件加 工精度的关键，一般除了系统故障外，不允许被别的任务中断。 c 、弱实时性任务：这类任务的实时性要求相对的来讲比较弱，它们只需要保 证在某一段时间内运行即可。这类任务在系统设计时可被安排在背景程序中，或 根据它们的重要性将其设置成不同的优先级( 级别较低) ，再由系统调度程序对它 们在进行合理的调度。这类任务主要包括：程序译码、面板扫描、零件加工程序、 加工状态的动态显示等。 2 ) 优先抢占调度机制 为了满足c n c 装置实时任务的要求，系统的调度机制必须能根据外界的实时 信息以足够快的速度( 在系统给定的时间内) 进行任务的调度。优先抢占调度机 制就是能满足这种要求的调度技术，它是种基于实时中断技术的任务调度机制。 众所周知，中断技术是计算机系统响应外部事件的一种处理技术，其特点就是能 按任务的重要程度、轻重缓急对其进行实时响应，而c p u 也不必为其开销过多的 时间。优先抢占调度机制有两个主要的功能：其一是优先调度，在c p u 空闲时， 当有多过任务请求时，优先级高的任务优先得到满足；其二是抢占，即在c p u 执 行某个任务时，若有另外一个优先级更高的任务请求执行，c p u 会立即中断当前 的任务，转而响应高优先级任务的请求。对于数控系统来说，当程序在执行显示 任务时，如果出现了插补、位置控制这些优先级较高的任务，就要求中断当前的 显示任务，转而去执行高优先级的插补、位置控制任务，当这些商优先级任务执 行完成后，再回到原来的任务执行处，执行先前未完成的显示任务。 2 2 数控系统软件的结构模式分析与选用 5 【8 】 软件结构模式是指系统软件的组织管理方式，即系统任务的划分方式、任务 的调度机制、任务间的信息交换机制，以及系统的集成方法等。研究结构模式是 为了解决c n c 系统软件集成的问题，也是开发新系统首先要解决的问题。对于不 同的硬件系统、操作系统，结构模式是不一样的。根据调查，目前的c n c 系统软 2w m d o w s 系统下的数控软件结构分析 件主要有以下三种软件结构模式。 前后台型结构模式 这种模式是将c n c 装置软件划分为两部分：前台程序和后台程序。前台程序 程序主要完成插补运算、位置控制、故障诊断等实时性强的任务，它是一个实时 中断服务程序。后台程序( 常称为背景程序) 则完成一些弱实时性任务，如显示、 零件加工程序的管理等，它是个循环运行的程序，其在运行的过程中，可以不 断地被前台的任务中断程序打断。这样，前后台程序相互配合来完成零件的加工 任务。 这种模式采用任务的调度机制是优先抢占调度加顺序调度。其中前台程序的 调度是优先抢占式的：前后台程序的内部各个子系统任务则是采用顺序调度。前 台任务和后台任务之间各子任务的信息交换通过缓冲区来实现。由于这种结构方 式在前后台内部子任务间并无抢占机制的调度策略，因而实时性较差。例如，当 系统前台程序的一个子任务在执行的时候出又现了前台子任务的另外一个任务的 请求时，就只有等待正在执行子任务的完成后才能响应执行。因此，采用这种结 构模式能实现的控制功能比较简单，目前主要用于经济型。 中断型结构模式 这种结构模式除了初始化程序外，整个系统 软件的各个任务模块分别安排在不同级别的中 断服务程序中，然后由中断管理系统来完成对各 级中断服务程序的调度管理，整个软件看起来就 是一个大的中断管理系统，该软件的结构模式如 图2 2 所示。 从某种意义上讲，这种软件结构模式是前后 台软件结构模式的扩充，即在操作系统和硬件系 统分别扩充了对多中断的管理和提供多个中断 源。在这种结构模式下，所有的任务都是采用 优先抢占调度策略，数控系统根据对时间紧迫 性要求的不同，将各子任务设定在不同优先级 图2 1 中断型软件系统结构 f i 9 2 1s y s t e ms o f t w a r es t r u c t u r e o f i n t e r r u p t i o nm o d e 别的中断下，以实现合理地调度任务和数控系统对不同任务请求响应快慢的要求。 这类系统的实时性好，易于实现模块化。但软件的可读性差，且模块间的耦合度 较大。目前许多数控系统都采用了这样的结构。 基于实时操作系统的结构模式 实时操作系统( r e a lt i m eo p e r a t i o ns y s t e m ，r t o s ) 是操作系统的一个分支， 它除了具有普通操作系统的功能外，最重要的特点是它提供的了多种实时任务调 重庆大学硕士学位论文 度机制( 如优先级抢占调度、时间片轮转调度等) 。在这种操作系统上开发数控系 统有如下的优点： 1 ) 弱化了功能模块间的耦合关系，从而系统的开放性和可维护性较好 由于c n c 各个功能模块之间存在逻辑上的耦合关系，在时间上存在配合关系。 为了使各子任务协调工作，在前面提及到的两种软件结构模式中需要采用较多的 全局变量和标记，因而各个子任务问的耦合太强，不利于系统的维护；而在实时 操作系统下，程序设计只要考虑任务的本身功能实现，并按操作系统的规定对任 务进行调度即可。这样就使数控系统中各任务模块之间的耦合减小，从而提高了 系统的可维护性和可重用性。 2 ) 减少了系统开发的工作量 在c n c 软件的开发工程中，系统内核( 任务的管理、调度、通信机制) 的设 计是很复杂的，同时设计工作量也很大。采用实时系统能提供的内核，就可以大 量的减少开发工作量。现有的数控系统常采用如下两种方式的操作系统进行数控 系统开发。是直接在商品化的实时操作系统下面开发c n c 软件，如国外的一些 数控厂家采用了这种方式。二是在通用p c 机操作系统( d o s 、w i n d o w s ) 下，通 过扩充扩展，使其成为实时操作系统，并在此基础上完成数控系统的开发。目前 具有自主版权的国内有些数控系统采用的就是这种开发方式，如华中i 型数控系统 就是通过对d o s 系统的扩展而开发的。 综上所述，开发基于p c 操作系统下的实时控制系统，就可以利用原系统软件 的内核，大大的减少数控系统软件设计工作量，缩短开发周期，并易于行成自主 的知识产权，也是开放式数控系统的基础，故成为本课题研究的重点内容之一。 2 3w i n d o w s 系统下软件结构的实现模式f 9 】 基于i p c ( i n d u s t r i a lp e r s o n a lc o m p u t e r ) 的数控系统一般以d o s 为操作系统， 在这种环境下，允许修改中断向量和直接与硬件打交道，实时性好；但d o s 操作 系统是单任务操作系统，并且程序的长度受限于6 4 0 k 的内存，不适合复杂的数控 系统的设计。随着计算机软件技术的发展，特别是w i n d o w s 的出现与流行，为解 决在d o s 操作系统下所面临的问题提供了优良的解决方法。w i n d o w s 操作系统具 有抢占式、多任务性，操作界面友好，程序的长度不易受限制以及具有强大的网 络通信功能等优点。所以，在w i n d o w s 环境下开发功能强大的开放式数控系统成 为本课题数控操作系统的最重要的选择，也是当前数控系统的一个重要的研究方 向。 但是，由于w i n d o w s 系统主要的服务对象是商业、家庭应用，因而不具有工 业上应用的强实时性要求，同时出于安全与系统稳定性的考虑而对硬件采取了屏 蔽的措施，从而不能对中断进行直接的操作。因此，在w m d o w s 系统下开发实时 2w i n d o w s 系统下的数控软件结构分析 的数控系统，最重要也是必须解决的问题是系统的实时性问题和对于系统的多任 务的合理调度问题。由于w i n d o w s 环境不同于d o s 单任务环境，也不同于实时多 任务操作系统的环境，因此，在w i n d o w s 系统下的数控软件结构模式有别于前面 所述的软件结构模式。为此，本课题设计了如图2 - 2 所示的软件结构模式。 w o r k t h m d l t o r k r h r e a d 2 线程l 线程2线程n o t c 定时中断开始 7 _ ， 线程l 教据初始化l i 线程2 数据初始化l 线程n 据初始化l i 初始化c，断数据l l 。 1 i i 一 一 j 等恃事件1 的艇生l dr 雌倚翠忏z 阳反正i。_ _ 一一 强实时功能的址理 7 。吖 i 处理线孙功能i - 。 仁乡 i 事件消息散列f 声= ；刁处理线程l 功能 i i j l 处理线程2 功能l l 令 o t c 定时中断结柬) ， j y e 8 l 些塞! 曼些兰l 哩宁u ( 垫望! 生竺里) t 结束结柬 图2 2w i n d o w s 环境下数控软件结构模式图 f i 9 2 2t h es o f t w a r es t r u c t u r em o d eo f n cb a s e do i lw i n d o w sc i r c u m s t a n c e 在图2 2 的软件结构模式中，任务的调度是采用在底层虚拟设备驱动程序中消 息驱动和w i n d o w s 下多线程的优先抢占调度相结合策略。这种结构模式的强实时 部分功能放在底层虚拟设备( v x d ) 驱动程序中，通过定时触发；其余的功能按 照对实时性要求的强弱不同分别归在不同的线程中，利用w i n d o w s 系统多线程的 特点，实现系统的“分时”并行处理。 由于在这种模式下，系统的实时部分功能是通过虚拟设备的定时触发中断来 提供的，因此在w i n d o w s 系统内选取高精度的定时器很重要。同时系统的多任务 调度是在v x d 文件中实现，而且v x d 文件运行在与应用程序不同特权级别下。因 此，底层( r i n 9 0 ) 应用和上层( r i n 9 3 ) 应用程序的高效通信也是实现本数控系统 功能的关键技术之一。 综上分析，在w m d o w s 系统下的本数控系统软件结构模式有着自身的特点， 它将虚拟设备驱动程序的中断技术与w i n d o w s 多线程特性有机的结合，使不具有 实时特性的w i n d o w s 操作系统能够实现强实时的功能，满足工业上对系统实时性 重庆大学硕士学位论文 的要求。 3 数控系统在w m d o w s 环境下的定时器选取精度考核以及多任务调度 3 数控系统在w i n d o w s 环境下的定时器选取 精度考核以及多任务调度 要将w i n d o w s 操作系统扩展为实时操作系统，并用于数控系统的开发，选取 合适的高精度定时器是极为关键的。定时器可以通过用专用接口卡接入，也可直 接利用p c 机内自身的定时器。从本系统的通用性和开放性考虑，显然以后者为好。 本节通过对w i n d o w s 系统下可用定时器的详细分析，以及对这些定时器精度所进 行的考核，从而得出在w i n d o w s 操作系统下开发高精度的数控系统是完全可以实 现的。 3 1w i n d o w s 下定时器的选择 经作者研究，在w i n d o w s 系统下，可以选取的定时器的范围比较广，常用的 几种有：w mt i m e r 消息定时器、多媒体定时器、以及通过编写v x d 文件来获 取的c m o s r t c 硬件定时等。 3 1 1 w mt i m e r 系统消息定时器1 0 h 1 2 】 在w i n d o w s 环境下，驱动程序s y s t e m d r v 负责处理系统硬件定时器( i n t e l8 2 5 3 ) 中断，在w i n d o w s 初始化期间，s y s t e m d r y 将中断0 8 h ( 由r o m b i o s 对i n t e l 8 2 5 9 a 进行初始化而产生) 向量地址设置到其内部的相应地址处；当w i n d o w s 退出时， 再负责将原来的中断向量地址恢复。当s y s t e m d r v 接到0 8 h 中断后，将调用 w i n d o w s 系统中的u s e r e x e 模块中的子程序，对定时器计数值作减法运算。当计 数值减到0 时，u s e r e x e 模块将w mt i m e r 消息放入到消息队列中，并重新设置 计数器的计数值。因此，w i n d o w s 定时器与机器的硬件定时器有相同的定时精度。 但是，w mt i m e r 消息属于低优先级的消息，一经产生即放置到正常的消息队列 中与其它消息一起排队等候。对于这种定时方式，在w i n d o w s 系统下有两种情况 值得注意： 1 w i n d o w s 通过提供两个a p i 函数s e t t i m e r ( 设置定时器) 和k i l l t i m e r ( 取 消定时器) 来操作定时器，定时器使用的是时钟中断。但是，由于w i n d o w s 在初始化时将时钟中断频率设置为1 8 2 h z ，即最小的定时间隔是5 4 9 2 m s ， 对于一个实时系统是不可能满足要求的。 2 如果一个应用程序的消息队列中含有w mt i m e r 消息，而别的应用程序 的消息队列含有其它的消息时，w i n d o w s 将会把控制权交给别的应用程 序。 3 w i n d o w s 并不是将多个连续的w mt i m e r 消息分别放到消息队列中，而 重庆大学硕士学位论文 是将若干条w m _ t i m e r 消息合成一条w mt i m e r 发送。在实时控制中， 要求每一个定时到来均应得到处理，所以w mt i m e r 消息是无法实现真 正的实时控制。 可是在w i n d o w s 系统下，由于要遵守既定的w i n d o w s 规范及消息驱动机制， 因此仅依靠系统资源是无法进行实时系统开发的，或是说对于实时性要求很强的 数控系统是没法直接采用由w i n d o w s 系统提供的系统定时器来完成实时控制的。 3 1 2 多媒体定时器【1 0 h 1 w i n d o w s 多媒体定时器是w i n d o w s 系统的3 2 位应用接口( a p i ) 程序提供的 多媒体定时服务。应用程序可以得到周期性的时间中断服务。同时由于w m d o w s 系 统是抢先式的操作系统，所以在多媒体的定时到来时都能打断现在的运行程序去 执行。w i n d o w s 提供的多媒体函数如下：m m r e s u l t t i m e s e t e v e n t ( u i n t u d e l a y ， u i n tu r e s o l u t i o n ，l p t i m e c a l l b a c kl p t i m e p r o c ，d w o r dd w u s e r ，u i n t f u e v e n t ) 其中的u d e l a y 用于表示本数控系统时间分割法的插补周期；u r e s o l u t i o n 表示事件精度，其值越小越好，但在一般的计算机中其最小只能达到l ；l p t i m e p r o c 为定时触发的函数地址，也就是时间分割法插补函数调用的地方：d w u s e r 用户自 定义的返回值；f u e v e n