（机械制造及其自动化专业论文）基于linux的开放式数控系统软件结构的研究与开发.pdf

攘要 摘要 随麓海上采浦工疆的发展，海上石油导管絮及海上采演平台铺造工程也在 急速发展。各种型材、管材的卷制蹿焊接等，均需专用、特殊的数控制造裟备。 过去靠进口的装备，谢的故障频频，有的已不邋应急速发展的生产需求。急需 设诗爨隧国产纯豹专翅数控装备。零文获孛挚殊装鬟数控系统瓣疆究与并发蠢发， 提出了旗于l i n u x 的开放式数控系统软件结构的研究与开发课题。分别就基于 l i n u x 的开放式数控系统的实时性关键技术作了详细的论述。 缝会工程实舔，深入磅究了实凌牙救式控蘩l 掰震戆软硬移鼓本条磐。将蒋 统的硬件和运动控制卡省去，根据用户不同的骚求，利用l i n u x 的进程管理、 内存管理、中断管理和实时l i n u x 接口技术，实现系统在启动、运行状态下的 动态配擞及在多种软硬馋平台上的霹移植性。傻系统具有强大瓣适应性窥燹溪 配置能力。 本文采取面向对苏的系统分析与设计方法和面向对象的穰序设计方法。系 统采用仿囊宏代替l i n u x 内核使躅黪s t i ，e l i ，i r e t 等枫器指令，使得实融内 孩箍获审断，禁止了l i n u x 内核关硬件中辩静搽作；系统还采用了可鸯曩载模块 技术将疑时任务加载剿同一地址，解决了频繁任务切换导致的延时问题：在进 程调度方面，设计了用户可编程的锻务调度器实现了任务调度；采用f i f o 缓冲 区技拳瓣决善逶l i n u x 避程、l i n u x 蠹竣遂程纛实嚣进疆润懿篷惠交抉。 本文所开发的基予l i n u x 的歼放式数控系统运用在卷板机控制系统上具有 强大的功能性、灵活的适应性和良好的开放性。 关键词：实时l i n u x 操作系统，工控机，驱动穰序，进程管瑷，卷板设备 摘要 a b s t r a c t t h ed e v e l o p m e n to ft h eo f f s h o r eo i l e x t r a c t i n ge n g i n e e r i n g 。t h e m a n u f a c t u r ee n g i n e e r i n go fo f f s h o r eo i lp i p ea n do f f s h o r eo i lp l a t f o r mi sa l s oi nt h e r a p i dd e v e l o p m e n t t h eb e n d i n ga n dw e l d i n go f a l lk i n d so fs t e e ln e e ds p e c i a l n u m e r i c a lc o n t r o l 斜c ) e q u i p m e n t s t h ee q u i p m e n t sd e p e n d i n go ni m p o r th a v e m a n yp r o b l e m sa n dm a n yo ft h e mc a n n o tm e e tt h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h e p r o d u c t i o n ，w eu r g e n t l yn e e dh o m e m a d es p e c i a ln ce q u i p m e n t s s t a r t i n gf r o mt h e r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to f s p e c i a ln cs y s t e m ，t h i sp a p e rp r e s e n t e dt h er e s e a r c h a n dd e v e l o p m e n to ft h es o f t w a r eo f o p e na r c h i t e c t u r en cs y s t e mb a s e do nl i n u x a n dd i s c u s s e dr e a lt i m ec r i t i c a lt e c h n o l o g y 。 c o m b i n e dw i t ht h ep r a c t i c a le n g i n e e r i n g , t h et e c h n o l o g yo ft h es o f t w a l a n d h a r d w a r en e e d e di nr e a l i z i n gt h eo p e na r c h i t e c h l f en cc o n t r o li ss t u d i e d d e e p l y t h e t r a d i t i o n a lh a r d w a r ea n dm o t i o nc o n t r o l l e ra r el e a v e do u t m e a n w h i l ea c c o r d i n gt o t h ed i f f e r e n t r e q u e s t so ft h eu s e r , p r o c e s sm a n a g e m e n to ft h el i n u x ，m e m o r y m a n a g e m e n t ，i n t e r r u p t i o nm a n a g e m e n t a n dt h er e a lt i m ei n t e r f a c et e c h n o l o g yo ft h e l i n u xa r ea d o p t e d 毫or e a l i z et h ed y n a m i ca l l o c a t i o ni nt h e s t a r t i n ga n dr u n n i n g s t a t e a n dt or e a l i z et h et r a n s p l a n t a b l eo nv a r i o u ss o f to rh a r d w a r ep l a t f o r m f 1 1 l i sm a k e s t h es y s t e mm o l ea d a p t a b l ea n df l e x i b l e i nt h ea r t i c l e ，t h ea u t h o rt a k e st h em e t h o d so fs y s t e ma n a l y s i sa n dd e s i g n b e s i d e sm e t h o d so f p r o g r a md e s i g nf a c e dw i t ht h es u b j e c t 。芏黾# s t i m u l a t i o no r d e r s r e p l a c et h em a c h i n eo r d e r su s e di ni n n e rl i n u xc o r es u c ha ss t i ，e l i ，i r e te t c ，t j l e r e s u l ti st h a tt h er e a lt i m ec o r e s u p e r v i s e s t h ei n t e r r u p t i o n , a n d p r o h i b i t s t h e o p e r a t i o no fl i n u xc o r ea b o u tt h eh a r d w a r ei n t e r r u p t i o n t os e t t l e t h ed e l a y i n g p r o b l e md u e t ot h ei n t e r c h a n g i n gt a s kf r e q u e n t l y , t h es y s t e mu t i l i z e st h e t e c h n o l o g y o fl o a d a b l em o d u l e st ot o a dr e a lt i m et a s k 越t h es a m ea d d r e s s i nt h ef a c e tp r o c e s s s c h e d u l e ，t h et a s ks c h e d u l e rt h a tc a nb ep r o g r a m m a b l eb yt h eu s e ri sc o n t r i v e dt o s c h e d u l et a s k f i f ob u f f e rt e c h n o l c l g yi su s e dt ot a c k l et h ee x c h a n g eo ft h e i n f o r m a t i o nb e t w e e nt h en o r m a ll i n u xp r o c e s s ，l i n u xc o r ep r o c e s sa n dt h er e a lt i m e p r o c e s s + 秘瓣o p e na r c h i t e c t u r en cs y s t e m b a s e do nl i n u xd e v e l o p e di nt h i sp a p e rh a s t l l ec h a r a c t e r i s t i c so f s t r o n gf u n c t i o n , f l e x i b l ea d a p t i v e n e s sa n df i n eo p e n i n g k e y w o r d s ：r e a l t i m el i n u xo p e r a t i o ns y s t e m ，i n d u s t r y c o m p u t e r , d r i v e p r o g r a m ，p r o c e s sm a n a g e m e n t , b e 蠡d i n g m a c h i n e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文怒本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成祭，除了文中特别加以标注朔致谢之处乡 ，论文中不镪含其饱人邑缀发 表或撰麓过鹃磅究袋莱，遣不包含为获褥丢瀵塞堂或箕能教育瓿稳静学诬 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均融在 论文中伟了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：磊彩7 锄，乙签字日期：；年，。月，吕园 学位论文舨权使雳授权书 本学位论文作者宠全7 辫羞渣太堂考关保蟹、使用学位论文豹趣定。 特授投丞湟去堂萄戳将学谴论文的全部或郝分内容编入肖关数据库避行检 索，并浆用影印、缩印威扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 交动编程熬采爱：编翟豹方法毒手工缡程和自动编程两种。据统计分 2 第一章绪论 析，采用手工编程一个零件的编程时间与机床加工之比，平均约为3 0 ：1 。为了 提高效率，必须采用计算机或编程机代替手工编程。自动编程需要有自动化编 程语言，其中麻省理工学院研制的a p t 语言是最典型的一种数控语言，它大大 地提高了编程效率。从7 0 年代开始出现的图象数控编程技术有效地解决了几何 造型、零件几何形状的显示、交互设计、修改及刀具轨迹生成、走刀过程的仿 真显示、验证等，从而推动了c a d 和c a m 向一体化方向发展。 ( 6 ) d n c 概念的引入及发展：d n c 概念从“直接数控”到“分布式数控” 表明可用一台计算机控制多台数控机床。这样机械加工从单机自动化的模式扩 展到柔性生产线及计算机集成制造系统。从通信功能而言，可以在c n c 系统 中增加d n c 接口，形成制造通信网络。网络的最大特点是资源共享，通过d n c 功能形成网络可以实现：对零件程序的上传或下传。读、写c n c 的数据。 p l c 数据的传送。存储器操作控制。系统状态采集和远程控制等。 ( 7 ) 可编程控制器的采用：在2 0 世纪7 0 年代以前，n c 控制器与机床强 电顺序控制主要靠继电器进行。6 0 年代出现了半导体逻辑元件。1 9 6 9 年美国 d e c 公司研制出世界上第一台可编程序控制器( p l c ) 。p l c 很快就显示出优越性： 设计的图形与继电器电路相似，形象直观，可以方便地实现程序的显示、编辑、 诊断、存储和传送；p l c 没有继电器电路那种接触不良，触点熔焊、磨损、线 圈烧断等缺点。p l c 可以大大减少系统的占用空间，提高系统的快速性和可靠 性。因此很快在n c 机床上得到应用。 ( 8 ) 传感器技术的发展：一台n c 系统与机械联结在一起时，它能控制的几何 精度除受机械因素的影响外，还主要取决于所采用的传感器，特别是位置和速 度传感器。这些传感器由光学、精密机械、电子部件组成，一般分辨率为0 0 1 0 0 0 1 m m ，测量精度为0 0 2 0 0 0 2m m m ，机床工作台速度为2 0m m i n 以下。 随着机床精度的不断提高，对传感器的分辨率和精度也提出了更高的要求。于 是出现了具有“细分”电路的高分辨率传感器，比如f a n u c 公司研制的编码器 通过细分可做到分辨率为1 0 - 7 r 。利用它构成的高精度数控系统为超精控制及加 工创造了条件。 ( 9 ) 开放技术的产生：1 9 8 7 年美国空军发表了著名的“n g c ( 下一代控制 器) ”计划，首先提出了开放体系结构的控制器概念。这个计划的重要内容之一 便是提出了“开放系统体系结构标准规格( s o s a s ) ”。美国空军把开放的体系结 构定义为：在竞争的环境中允许多个制造商销售可相互交换和相互操作的模块。 ， 第一章绪论 机床制造商可以在开放系统的平台上增加一定的硬件和软件构成自己的系统。 当前在市场上开放系统基本上有两种结构：c n c + p c 主板：把一块p c 主板插 入传统的c n c 机器中，p c 板主要运行非实时控制，c n c 主要运行以坐标轴运动 为主的实时控制。p c + 运动控制板：把运动控制板插入p c 机的标准插槽中作 实时控制用，而p c 机主要作非实时控制。为了增加开放性，主流数控系统生产 厂家往往采用前一种方案，即在不改变原系统基本结构的基础上增加一块p c 板，通过键盘使用户把p c 和c n c 联系在一起，大大提高了人机界面的功能。典 型的如f a n u c 公司的1 5 0 1 6 0 1 8 0 2 1 0 系统。有些厂家也把这种装置称为融合 系统( f u s i o ns y s t e m ) ，由于它工作可靠，界面开放，越来越受到机床制造商 的欢迎，成为n c 技术的发展趋势之一。 ( 1 0 ) 制造技术的发展：c n c 机床的发展建立在n c 技术、机械制造技术的 基础上，二者相互推动、相互发展。机械加工速度和精度的提高，要求n c 系统的功能不断扩大、改进和完善，特别是高速高精加工的要求产生了高速高 精控制系统，包括快速程序输入、高速高精插补、控制及输出。机械结构的 简化与改进及新加工功能的完善，要求n c 的软件功能越来越复杂，元部件性能 越来越高。比如采用宽调速、高速、大转矩的进给系统和大功率的主轴系统以 简化机械结构，提高机床的加工效率及精度。机械加工的连续运行、连线、 协调，要求n c 系统可靠性不断提高，加工和系统信息不但可以控制、处理、传 送、管理，而且通过网络可以共享。 目前，我国的机床工业正从生产大国逐渐变为机床强国，主要体现在数控 系统和数控机床的可靠性不断提高。由于对产品结构进行了调整，新的数控产 品不断涌现，如多坐标联动、高速、高精等数控机床的研制成功。北京发那科 机电有限公司和华中数控有限公司作为中国国内的数控系统制造和销售企业， 有必要为我国机床工业的发展提供更加可靠、功能更多的数控产品以满足我国 数控系统发展的需要。”。 1 2 国内外开放式数控系统的研究动态、发展水平及存在的问题 1 9 5 2 年，在麻省理工学院( m i t ) 诞生了第一台数控机床。从此，数控机 床的发展日新月异。到今天已经历了两个阶段“：1 9 5 2 一1 9 7 0 年为数控( n c ) 阶段，这一阶段数控系统经历了从电子管( 1 9 5 2 年) 到晶体管( 1 9 5 9 年) 到小 规模集成电路( 1 9 6 5 年) 的发展。自1 9 7 0 年起，小型计算机应用于数控，数 控技术进入计算机数控( c n c ) 阶段，1 9 7 4 年微处理器开始用于数控，到1 9 7 9 d 第一章绪论 年数控系统以微机为核心，采用可编程接口和遥控接口等外设，功能更趋完善。 以模块化为特征的数控系统在2 0 世纪8 0 年代后问世。在1 9 8 6 年数控系统开始 采用3 2 位微处理器。进入2 0 世纪9 0 年代后，为了打破少数数控系统制造商的 商业垄断，以微机和数字信号处理器( d s p ) 为硬件平台的开放式数控系统问世， 并成为目前国内外研究与开发的热点。 2 0 世纪9 0 年代以前，在世界市场上，c n c 控制器制造商( 如f a n u c ，s i e m e n s ， a b b 等) 生产的数控系统，大多是封闭的c n c 系统。这些系统没有共同的编程 语言，缺乏标准的人机接口。这些设备在结构上仅能提供给用户有限的选择。 用户无法对现有数控设备开发相关的应用，数控系统中无法应用最新的计算机 软硬件技术。而对系统功能的许多扩展或改变都必须求助于系统供应商o 。 通用计算机的快速发展，为数控系统的开放奠定了技术基础，使数控技术 从传统的封闭模式走出来，融入主流计算机中，并随主流计算机技术的迅速进 步而快速发展。进入9 0 年代以来，世界上一些研究机构和生产厂商先后开展了 开放性数控系统的研究。欧洲、美国、日本各自成立了开放性数控系统的研究 机构，它们的发展计划的代号分别为o s a c a ( o p e ns y s t e ma r c h i t e c t u r ef o r c o n t r o lw i t h i n a u t o m a t i o n ) 、o m a c ( o p e n m o d u l a ra r c h i t e c t u r ec o n t r o l l e r ) 、 o s e ( o p e ns y s t e me n v i r o n m e n t ) 。这三个计划目前都已经取得了重大进展。 1 2 1 开放式数控系统的主要特点 所谓开放式数控系统，就是指能够在不同厂商的多种平台上运行，可以和 其它系统的应用程序互操作，并且能够给用户提供一致性的人机交互方式。根 据这一定义，开放式数控系统应具有以下特点o ”o ”： ( 1 ) 可互操作性。通过提供标准化接口通讯和交互机制，使不同功能模块 能以标准的应用程序接口运行于系统平台上，并获得平等的相互操作能力，协 调工作。 ( 2 ) 可移植性。系统功能软件与设备无关，即应用统一的数据格式、交互 模型、控制机理使构成系统的各功能模块可来源于不同的开发商，并且通过一 致的设备接口，使各功能模块能运行于不同的供应商提供的硬件平台上。 ( 3 ) 可伸缩性。c n c 系统的功能、规模可以灵活设置，方便修改，既可以 增加硬件或软件构成功能更强的系统，也可以裁减其功能以适应低端应用。 ( 4 ) 可互换性。构成系统各硬件模块、功能软件的选用不受单一供应商的 控制，可根据其功能、可靠性以及性能要求相互替换，而不影响系统整体的协 e 煞一章鳍谂 调运行。 1 。2 2 开放式数控系统的研究现状 、国多 聚突褒获嘲 毕在8 0 年代初，国外就开始推广基于p c 的开放式数控系统。当时美国空 军在美网政府资助下发表了著名的“n g c ( n e x tg e n e r a t i o nc o n t r o l l e r ) 下一 代控嚣l 嚣”研究计划，首先提出了拜敷体系绪擒控制器的概念。基翦，阑际上 与舞教姣数控稻关瀚研究顼蘑比较多，但最其影响力、最典麓的是欧浏秘o s a c a 计划、荑国的o m a c 计划和日本的o s s e c 计划。 ( 1 ) o s a c a 计划 该谤翅是在t 9 9 0 每密黢荚传凋家静2 2 塞靛裁器嚣发鬻、凝庆生产鬻、控 制系统集成商和科研机构联合发怒的，并于1 9 9 2 年5 月正式得到欧盟的认可， 纳入欧盟e s p r i t i i i 项目计划。该计划共分为三个阶段，其中第一阶段和第二 阶段均爨实现，主要完成o s a c a 艇范和应用指麓的剿定鞋及依照o s a c a 攥菠为 萁系统平台、开发糠准通用麓软彳夸模块和逶用的系统平台。第三除段豹计划正 在实现过程中。主要取得的成果烧； 定义了中性的( 即不依赖于特定卖主的) 开放式数控系统的基本规范。 按订了孛毪耱霹逶弱予数按系统、爨黎入、霉绽程避瓣控镧器弱擎元控 制器的统一参考结构。 开发了以p c 为标准平台，能自由组合的应用软件模块。 ( 2 ) 渊e 计鲻 该计划是由美潮g e n e r a lm o t o r s 、f o r d 鞠c h r y s l e r 三大汽车公司予1 9 9 4 年提出和研制的。o m a c ( 开放的模块化体系结构控制器) 的童要目标是降低控 制系统的投资成本和维护费用，缩短产品开发周期，提高机床的利用率，提供 软硬转模块翁“舔黧藤霜”纛蓬效豹控麓器重稳辊梅，篱纯薪技本鬟纛蠢系统 的集成。主要取得的成果是： 定义了标准化的o m a ca p i ，使得用户可以充分发挥自已的主动性，装入 鸯己艨鼹靛特殊功戆。 剿用w i n d o w so s ，充分利用现有的个人计算机资源鲡c a m 、s p c 。 以实时操作鬃统为核心，提供高性能的羧制功能。 利用实时数据麾，以实现数据的高效、便携亿。 ( 3 ) o s s e c 诗翅 繁一章缝论 该计划是由日本东芝公司、丰田公司和m a z a k 公司三家机床制造商和日本 i b m 、三麓电子及s m l 系统公司共同组建，其目的是建立一个阑际性的工厂自动 纯( 雅) 控裁设备檬准。主要取褥戆成票是： 掇出了开放徽数控系统韵参照模型，并将其具体化为察装模型。 开发了基于p c 的人机接口系统。 携滋并开发了灏的n c 语富e l 。 湃发了用于飘臻控稍的接弱( o s e ca p ) 及语言赴爨器。 开放式数控系统的研究目前大致可分为两种模式叫o ： ( 1 ) p c 嵌入n c 中将专用绪构c n c 部分灏p c 机结合猩一起。p c 机承担 实跨按髑熬分，落实薅控裁鄂分爨谴嚣多年稷累戆专委藏零。簌瑟菠誉了数 控系统的图形显示、切削仿真、编制和诊断功能。使系统部分具有较好的开放 性。如日本的f a n u c l 6 0 1 8 0 2 1 0 悬舆型的p c 嵌入n c 模式的c n c 系统。在f a n u c c n c 专用3 2 位总线擞德孛捶入一块名袭l 镥v i c - i v 的p c 模块，邋避专用接口锼c n c 与i d m c i v 紧密结合。德国的s i e m e n s8 4 0 d 系统包括集成青p l c 的自强l e 模块， 通过多点接口( m p i ) 与n c u ( 含c n c 和p l c 部分) 模块相连。 ( 2 ) n c 嵌入p c 中以p c 机为基础，利用p c 机强大鲍w i n d o w s 图形用户 赛嚣、多经务楚理黥力、骧及受好豹软硬薛兼容残力，结台运动控懿卡葶羹迓动 控制软件形成高性能、高灵活性和开放性好的数控系统，从而使用户可以开发 自身的威用程序。如英国的d e l t a 公司的p b l a c - n c 开放式数控系统将p m a c 卡( 可 编程多毒夔运动控靠l 嚣 援入p e 撰攘孛，总线接鞠茺c a n b u s 。德重i n d r a m a t 公 司的m t c 一2 0 0 系列开放式数控系统将m t c p c n c 和k f f c - p p l c 卡猫八p c 机疆稽中， 总线接口为s e r c o s 。p o w e ra u t o m a t i o n 公司的p a 8 0 0 0 系列数控系统同样将 p a c n ce n g l n e 运动控制卡插入p c 杌槽中，构成开放式数控系统。 2 、鏊巍磷究凌获满1 我闽在最近几年也开始积极引进、研究开放式数控技术，目前仍处于消化、 吸收阶段，正积极开发有自己知识产权的系统。 ( 1 ) 基予软 孛芯篾熬舞教式数控系统 殴华中理工大学为代表提出了一种基于软彳耷芯片的开放戏数控系统的实现 模式。猩该实现模式中，通过对数控软件的标凇化与规范化的研究，运用灏向 对象的机制，把数控鬈统的功能避行抽象弗封装，将数控软 譬设诗成具有稳定、 逶用搂鞠豹可敷重蠲鹣软件芯片。每一个软锌蕊菏完藏数控羝统的一个独立模 7 第一季鳝论 块的功熊。例如插补功能就由插补芯片来完成。并且通过建立一个数控系统软 件芯片集成开发环境一数控系统软件芯片库用求对软件芯片进行管理，用户可 鞋对软 孛葱片瘁进行检索、溅整以及缝护，还麓隘添魏塞蠢豢终豹教l 隼蕊片。 用户在缀装数控系统或者在进行纛次开发的对候，可以将已肖的软件芯片按照 自己所鼹求的功能进行组装，这样开发一套新的数控系统将可以比以前节省比 较多的时闻。 基于数字镯藤现溪总线技本靛开放式数控系统鼬糊“。 现场总线技术可以将大量的并行信号转化为串行信号，利用双线电缆戒光 缆可以谯上百台设备之间实时传递上千路的信母。当前现场总线接口和数据交 换大多遴矮s e r c o s 捺议。基手瑗场蕊线技寒憨 ；圭主将点，霹疆逶遗s e r c o s 实 现工北控制计算机和数字伺服系统、传惑器和w 编程控制器i o 之间的实时通 信。在撼于p c 机和数字伺服现场总线s e r c o s 技术的开放式数控系统中，麒硬 件结构只由两块板卡缀成，其中一块是工控p c 计算杌母扳 1 。2 3 湃敷式数控系统发震瑟糯瓣闯蘧秘8 疆蚓 ( 1 ) 一致性的人机界面( 删i ) 对用户友好，具裔一致性数控系统的操作界丽，对于降低人员培训费用、 系统缳弦费曩嫠吴蠢魄较重要瓣意义。 ( 2 ) 以软件为熬础的控制器 在汗放式数控的研究过程中，软件越来越受到重视。o s a c a 认为当今数控 技术鲍发震，已经由蕊向硬件( h a r d w a r eo r i e n t e d ) 转向嚣肉软 孛( s o f t w a r e o r i e n t e d ) 。o s a c a 隧然对于硬律撼爨了一些中靛豹规范，毽建它对硬 孛的蕊范 并不苛对乏。o m a c 的最早倡议者g m 公司认为，机床的控制器可以实现各种程度 的开放，最高程度的汗放是以软件技术为基础的控制器。 ( 3 ) 重援嚣o s ( r e a lt i m eo p e r a t i o ns y s t e m ) 嚣发与液矮 开放式数控要求不依赖于特怒的软硬件平台，但是并不怒所有的操作系统 都能满足数控系统的需要。数控加正要求r t o s ，可现在流行的多种操作系统， 大多豁燹法潢足实嚣尊傻豹要求。嚣魏微软正藿等将w i n d o w sc e 搽终系统转变凳 实时操作系统。荑溺能源部的i c o n 翻造操作系统顼弱正在研糊m o s ( m a n u f a c t u r i n go p e r a t i n gs y s t e m ) 。 ( 4 ) 数控系统开放程度 o s a c a 鬟定了曼个层次虢嚣教程度：夭撬舞嚣开敖、遗棱有疆舞放、念开 e 籀一章绪论 放。人机界面的开放穰度只限于 e 安时控制部分( 面向用户威用) ；内核有限开 放的内核结构固定，但留有插入用户专用软件的接口。这两种程度的开放，在 委蔻蜜瑗是宠垒哥熊貔。蠢最蔫瑷废懿嚣藏一肉孩楚宠全嚣敖，基兹还较必困 难。因窀的系统结构是由过程可飘换性、可升级性、可移植性、互操作性决定 的，最终要求在标准平台上能够察现任意模块的组合。 ( 5 ) 其各鼹终邋僚功能。1 当今的c n c 处予c i m s 和d n c 的环境孛，c n c 系统不仅黥够控制独立运转豹 机械，同时还要在综合化的生产环境中，用作嫩产的终端设备。网络通讯功能 已经成为c n c 系统的必备功能。i s d n 和a i m 技术的发展已经使得通过i n t e r n e t 静鼗控系统美春实璇麴霹髭往。懑忿氇产生一系燕懿翔 霉貉囊终黎菲法入侵等 有关安愈性的问题。另外，在网络化的环境下妻玎何实现数控程序在不同数控机 床上的可移植性是一个值得研究的重要问题。 黪之，开放式数控是数控技零发展斡必然趋势。开簸式躲体系结掇绘c n c 生产厂容、枫床稍撩商和用户都带来了许多益娥。当前发遮黼家正在紧锣密鼓 地进行潜开放式数羧系统的研究。避也为我国数控产业的发展提供良好的奥机。 因此，匿家应该重点扶植和支持开放式数控技术鲍研究。不但要具有雄厚的开 发力受，还鍪须毒敏锐筠踅蔫意谈。只有这样，才有哥麓套寒寒豆年或死卡年 的市场竞争中立于不败之地。 1 3 课题研究的意义及背景川8 1 埘m 1 瑷钱数控技术祭传统瓣辊被豢l 逢技零、诗簿较技零、裁缀按拳与蠛代控制 技术、传感检测技术、信息处理技术、网络通讯技术、光机电技术于一体，是 现代机床装备的灵魂和核心，是制造自动化设锯的关键基础，是国家制造业现 代化的羹要手段。因此，数控技术是关系到国家战略地位和体现国家综会国力 庆平静纛要基箍毪产驻，其求乎藏低是餐羹一令国家裁造攮瑷代亿程度豹核心 标志。实现加工机床及生产过程数控化，已经成为当今制造业的发展方向。专 家们曾预言：机械制造的竞争，其实质是数控的竞争。有鉴于此，各工业发达 藿家都怒撬裹数控按零农乎终麓撬蹇毒l 造监窳擎熬重要溪袋，赛稳发震本瓣瓣 数控产业。 我国是一个制造业大国，目前正在向制造姚强国的目标迈进。因此用数控 技术改逑或装冬传统魄卷造业，楚我匡卷l 造数擐兴蛉必由乏鼹。 蘸麓海上采油工疆麓发展，海上石酒导警絮及海上采濑平台制造工獠也在 q 第一章绪论 急速发展。各种型材、管材的自动切割、卷制与焊接等，均需专用、特殊的数 控制造装备。过去靠进口的装备，有的故障频频，有的已不适应飞速发展的生 产需求。急需设计制造国产化的专用数控装备，如数控乙炔自动切管机、数控 自动卷板机、数控自动焊机等。因此，特殊装置数控系统的研究与开发问题便 提到了日程。本文提出开放式数控系统课题的研究，就是要解决变化频繁的需 求与封闭控制系统之间的矛盾。从而建立一个统一的、可重构的系统平台。采 用模块化组织结构，增强数控系统的柔性，便于用户根据需要进行选配和集成， 更改或扩展系统功能，迅速适应不同的应用需求。 国外的大型数控系统大多是基于底层核心代码完全公开的商用开放式数控 系统建造的，但是此类系统对于我国是禁用的，并且属于个别公司的技术垄断， 并不是真正意义上的开放。基于“p c + 适配器”硬件平台是目前国内机床数控系 统广泛使用的一种开放式数控系统结构。其设计思想是利用p c 机作为数控系统 的软硬件平台。在其标准总线上直接连接实时控制单元( 将实时控制板卡插入 总线插槽中) 而组成完整的数控系统。这类系统为一种递阶式的体系结构。由 于递阶式系统具有较好的开放性、易于采用标准部件组成系统，开发和生产比 较方便。因此被国内外许多厂商特别是中小厂家广泛采用。这类系统最突出的 缺点就是系统的组成单元和模块较多，各单元和模块间，特别是实时控制单元 与伺服驱动单元间的信息交换往往成为阻碍系统性能提高的瓶颈。而且控制系 统的核心部分集成在适配器内部，并不开放。所以，这类系统也不是完全意义 上的开放。 随着计算机工业的飞速发展，速度更快、更稳定、功能更强大的软硬平台 相继出现，为开放式数控提供了更为广阔的发展空间。集成化p c 数控系统是一 个提高数控系统性能、降低成本的有效途径。集成化p c 数控系统结构体系如图 卜1 所示。 集成化p c 数控系统将数控系统的大部分功能集中在p c 内部实现，充分发 挥了当前高速计算机的强大功能。并且所有的底层核心内核全面开放，属于真 正意义上的开放。 关于开放式数控系统采用的软件平台，国内研究机构大都采用了通用操作 系统平台，如d o s w i n d o w s n t l i n u x 操作系统等。基本d o s w i n d o w s 平台有华 中科技大学开发的华中i 型、北航推出的c h 系列数控系统、珠峰公司的中华i 型以及南京四开公司的蓝天( s k y ) 系列产品。但是d o s w i n d o w s 系列本身的开 1 0 第一章绪论 图卜1 集成化p c 数控系统结构 放性和功能有限，大大限制了数控系统的功能和灵活性。随着开放而且免费的 通用操作系统l i n u x 的出现，开放式数控系统平台逐渐向l i n u x 转移。基于 l i n u x 的开放式数控系统有清华大学的t h h p 一2 等。 对于各种操作系统平台的比较如表i - i 所示。 从表卜1 的分析可以得出结论，采用集成化p c 数控系统提出的硬件结构和 表卜l 各种操作系统平台的比较 操作系统用户界面实时性多任务网络功能开发环境 d o s不好 好不支持不好不好 l i n u x好好支持很好好 w i n n t 2 k x p很好 差支持好很好 w i n d o w s 9 x很好差支持一般很好 价格访问控制资源获取开放性稳定性升级性 低无一般好好差 免费高级用户级访问容易内核开放很好很好 很高用户级访问一般封闭好一般 很高无一般封闭差一般 第一苹绪论 l i n u x 操作系统软件平台的开放式数控系统是目前开放式数控系统的最新发展 方向。但是集成化p c 数控系统对软件平台要求是很严格的。首先，原本使用运 动控制卡实现的高实时性任务改为采用软件方法来实现；其次，对于控制系统 的各个模块，包括非实时部分都必须在软件内部实现，而且要保证各模块之间 能实时的交换信息；除此以外，系统还要进行插补运算，三维模式等等大量的 数据处理。通用的l i n u x 还不能很好的满足这些要求，必需对它进行实时化改 造。 1 4 本文的主要研究内容 本文密切结合工程实际，开发基于l i n u x 下的开放式数控系统。通过对 l i n u x 进行实时化改造，实现了l i n u x 操作系统在工业控制领域的实时性操作， 主要研究内容如下： 研究实时l i n u x 操作系统总体设计，构建实时l i n u x 数控系统的总体框架， 开发基于l i n u x 数控系统的实时性关键技术。 研究实时l i n u x 操作系统的内核机制，中断模拟、实时任务、任务调度和 时钟管理等开发内容。 研究面向用户的实时l i n u x 的应用程序接口和标准a p i 的开发，提出了实 时l i n u x 下软件结构，并介绍了各种用户接臼的函数原型和使用方法。 构建实时l i n u x 控制应用软硬件平台，开发基于l i n u x 下卷板机的控制应 用实例。 第二章基于l i n u x 数控系统的总体设计 第二章基于l in u x 数控系统的总体设计 2 1 引言 构造实时操作系统有两种方式：贴附式( b o l t - o n ) 和内在式( b u i l t i n ) 。 贴附式是在现有的通用操作系统上添加实时部分，开发周期短，可利用通用 操作系统现有资源；内在式则是在实时功能内核上筑建操作系统，针对性强， 但开发周期长、难度大、成本高，我们所见到的商用实时操作系统( 如 q n x ，v x w o r k s 等等) 就是此类操作系统。本文确定采用贴附式方法开发实时 l i n u x 操作系统。 2 2l in u x 的结构陌习 i , i n u x 操作系统由硬件、内核、系。峰塑苎卜、 统调用接口和用户进程四部分组成。其医自掣 中内核是l i n u x 的核心。l i n u x 内核由压磊磊磊斗五嘉司五翥磊 5 个主要的子系统组成”5 m 明。如图2 - 1 恒笪! ! 塑掣广土二 f 蘸再争 所示。斗堕_ 一l 眄习l 雠程调度( s c h e d ) 删鞑 剧l 亩l 程对c p u 的访问。l i n u x 使用了比较 一l 苎璺麓j 简单的基于优先级的进程调度算法选图2 - 1l i n u x 内核子系统及其之间的关系 择新的进程。 内存管理( m m c ) 允许多个进程安全地共享主内存区域。l i n u x 的内 存管理支持虚拟内存，操作系统只将当前使用的程序块保留在内存中，其余 的程序块则保留在磁盘上。必要时，操作系统负责在磁盘和内存之间交换程 序块。 虚拟文件系统( v i r t u a lf i l es y s t e m ，v f s ) 隐藏了各种不同硬件的具体 细节，为所有设备提供了统一的接口，v f s 还支持多达数十种不同的文件系 统。 网络接口( n e t ) 提供了对各种网络标准的存取和各种网络硬件的支 持。 进程间通信( p c ) 支持进程间各种通信机制。 2 3 工业控制领域对实时操作系统的要求 通过分析划分系统必需功能，确定系统的性能和运行要求，为系统开发 第二章基于l i n u x 数控系统的总体设计 兹惑舔缀构奠定基磷。 2 3 1 工姚控制领域对实时操作系绒的要求 1 、定时与时钟管理 在工控现缓经毪爨黉完残诸魏麓；黎参数熬采撵、c n c 兹鬃李 运算、盛爨 伺服控制、面板操作及拜关量定时搦描等任务，这些控制任务的共同特点憝 要求系统能在规定时闯周期内完成，且控制过程中任务切换颓繁。在通用操 作系统中，由定时器产嫩固定周期驰中断来提供定瓣，不能满足实对控制要 求， | i ；要缓迸靖锋警缓稚穿，鞋霞粥户稷据不丽麴现场要求鑫纷设定翳闻片 的长度。 2 、外界中断的处理 工按魂场存在丈爨鹣逛掇事嫠，它翻孛瓣诲多是骧孛颤形姣遴翘诗舅瓤 的。对这魑信号，要求实时l i n u x 系统提供了中断响应的手段、向量表、向 量的保存与恢复、中断链接等，以便用户设定自门的中断服务程序。 3 、e 跗调度策略及方凌 在实辩控髑系统审，需要箍莲不阉优先缀的任务，魇开发突时操作系统 中应设槲优先级调度器。优先级调廉策略有非抢占式进程调度和可抢占式进 程调度两种方式，在工业控制系统中，有些情况下必须采用完众可抢占进稷 调凄，奁隽努一釜薅滋下，黧必须袋耀鄂分毒捻蠢静调度策臻。这要求实辩 l i n u x 操作系统提供可定制的调度器。 4 、通讯机制 控制系统中来塞王控现场豹孙端粒来鸯实射系统警理黔内部之闻嚣要 稆互传送信惠( 弼圈2 - 2 所示) ，遴造信息处理粒交互，达剽系统各部分之 间相互协调以完成所期望的控制蒙求。对于内部信息，系统选择最优的进程 问通讯机制来进行处理；对于来自擞作系统外部的中断信息，辫要设计一个 中装激溪凝梅，受责获淑孛瑟痿惹势逶翔象骥盔懿率繇凝务稷净；焉蔻予羚 部查询信息，由于发生时系统无法获取，只能等待系统处理倍患任务完成以 后再响应，在设计时殿尽量避免使用此种方式。 2 。3 。2 实瓣操终系统( r 了) 戆牲戆译徐 与一般商用多任务o s 如u n i x 、w i n d o w s 、m u l t i f i n d e r 等相比，除了方 便用户管理计算机资源外，r t o s 述骚求有强实时性、可确定能和高可靠性。 可以从任务调度机制、竣丈中断禁止对闻和任务切换对闯三个主要方蘑来评 第二章基于l i n u x 数控系统的总体设计 价一个实时操作系统的性能。 图2 2 实时l i n u x 系统信息处理 2 4 实时l i r u x 的总体框架旺”雎2 1 实时操作系统具有层次化的结构，在进行设计时，采用自底向上逐步扩 充的设计方法m 1 。层次结构的最大优点是把全局的问题局部化，把一个大型 复杂的系统分解为几个单向依赖的部分，各部分的功能相对简单。这样使开 发的复杂性降低，提高了整个系统的可靠性。图2 3 所示为其总体成本曲线。 6 层数 图2 - 3 软件成本示意图 通过分析可以看出，随着分层层数的增加，问题不断局部化，开发每层 繁二章基于l i n u x 数控系统缒蔻搭设计 软件的成本确实降低了，但是，层次增加以蔚，设计各层接口所需要的工作 量也将增加。综合这两方面的因索，系统开发设计层数税2 4 层之间为寂。 臻2 4 示出了灾时l i n u x 系统的层次化缀构，系统分瓷实时内援，系统 调用，集成开发环境帮应霜较佟三层。 l 、寅时l i n u x 内梭层 实时内核处猩系统的最底滕，直接管理硬件中断、实时时钟、实时侄务 调凌。l i n u x 蠹较彳窜为实薅蠹竣鹣一拿手连疆在实薅痰核纛羧豹辊器上逡雩亍， 这样系统就可以继续运行基于l i n u x 开发的殿用程序。 图2 - 4 寓时l i n u x 总体结构 2 、蓉绞浞震层 在实时l i n u x 内核的基础上加以发展和扩充，便构造出一个新的层次， 称为系统调用层。舔统调用层与内核之间存猩单向依赖关系，即该层可以向 内核发出请求，内核受理这种谴求弗提供相斑的服务，反之则不行，系统调 蔫滋怒溺户与实辩l i n u x 肉孩豹接口。蔫户廷有逶_ 蓬系统调瘸层才戆访阉实 时l i n u x 内核，这在一定程度上保证了系统的安全性。 宓时l i n u x 系统调用层由实时进程接口、寅时时钟管璁接口，实时巾断 楚瀵按露等组成，茭震户接口a p i 是一缝爨谖惩夔动态瓣数疼。 第= 章基于l i n u x 数控系统的总体设计 3 、集藏歼发珂：凌及废掰软箨层 l i n u x 为广大用户提供了丰富的编译器调试器( g c c ) ，w 以方便地使 用c