（机械制造及其自动化专业论文）基于windows+ce数控系统的实时控制.pdf

基于w i n d o w sc e 数控系统的实时控制 摘要 嵌入式的飞速发展给工、i k 控制领域带米了深刻的影响。本文主要研究基r w l n d o w sc e 数控系统的中断实时控制。笔者首先总结了数控技术的历史、现状 利发展趋势，分析了目前数控系统的技术水平和发展一向。并根掘到家自然科 学堆金“人机协同的车间数字化制造模式一基于移动通信的车白_ 】数字助理利 掌 二数控研究”，说明了研究的方向。然后根据数控系统开发平台的特点，逐 介绍了d o s 、w i n d o w s 以及嵌入式操作系统在数控中的应用，以及它们各自的 优缺点。从而进一步说明了选择w i n d o w sc e 做丌发平台的原因。 论丈洋细介绍了w j n d o w sc e 的产生原因以及它的特点，说明了它运件 】j 数控领域的优铅。并介绍了丌发基于w i n d o wc e 数控系统的歼发t 具及其开发 流程。根据传统数控系统软件结构的分析，详细阐述了基于w i n d o w sc e 的数 控系统的软件体系结构。针对数控系统实时性要求高的特点，详细分析r w i n d o w s c e 进程、线程和调度机制，浼明了它在实现数控系统多任务的同时射 数控系统实时性的满足。并从w i n d o w sc e 的中断机制更进步的阐述了数摔 系统“i 断实时控制的实现。最后着重以定刚器卡驱动为例阐明了设备驱动程序 的定义和功能，概述了w i n d o w s c e 的设备驱动程序的特点，分析了w i n d o w s c e i 5 ； 备驰动程序的代码结构。 关键词：丌放式数控系统嵌入式实时操作系统w i n d o w sc ep 断设 备驱动程序 t h er e a l t i m ec o n t r o lo fc n cs y s t e mb a s e d o nw i n d o w sc e a b s t r a c t t h ed e v e l o p m e mo fe l n b e d d e dh a sb r o u g h t d e e p i n f l u e n c et o i n d u s t r y c o n t l o i i e dn e l d t h em a i nr e s e a r c ho ft h i st h e s i si st h er e a l - t i m ec o n t r o lo fc n c s y s t e mb a s e do nw i n d o w s c e i n t e r r u p ta r c h i t e c t u r e a tf i r s tis u m m a r i z et h eh i s t o 眦 c u r r c n ts i t u a t i o na n dd e v e l o p m e n tt r e n do fn u m e r i c a lc o n t r o lt e c h n o l o g ha n a l y s e d t h et e c h n i c a ll e v e la n dt h ed e v e l o p i n gd i r e c t i o no ft h ep r e s e n tn u m e “c a lc o n t r o l s y s t e ma n ds t a t e dt h ed i r e c t i o nf o rs t u d yc o n s i d e r i n gt h en a t i o n a l n a t u r a ls c i e n c c i h n d s - “t h e m a l l 一m a c h i n e c o o p e r 砒i v ew o r k s h o pd i g i t a i m a n u f - a c t u r e m ( ) d e 一- t h e s t u d y0 1 1 t h ed i g i t a la s s i s t a n to fw o r k s h o pa n dp a l mb a s e do nm o b i l ec o m m u n j c a t j o n “1 、h c na c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h es y s t e m a t i cd e v e l o p i n gp i a t f o 珊o f n u m e r i c a lc o n t r 0 1 ，t h i st h e s i si n t r o d u c e st h ea p p l i c a t i o no fd o s ，w i n d o w sa n dt h e e m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e mi nn u m 盯i c a lc o m r o lo n eb yo n e ，a n da i s ot h e i ro w n a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s t h u st h i st h e s i se x p l a i n sw h yw i n d o w sc ec h o s e nt o m a k ei h ed e v e l o p i n g p l a t f o r mf u r t h e r t h et h e s i si n ”o d u c e st h er e a s o no fm ea p p e a r a n c eo fw i n d o w sc ea n di t s c h a r a c t e “s t i c si n d e t a i l ，p m v e s i t s a d v a n t a g e si n t h er m m e r j c a lc o n t r o ln e l da n d i n t r o d u c e st h e d e v e l o p i n gi n s t r u m e n t sa n dp r o c e d u r e so ft h en 啪e r j c a lc o n ”o l s y s t e mb a s e do nw i n d o wc e a c c o r d i n g t ot h ea n a l y s i so ft l l es o r w a r es t n l c t u r eo f t h e ”a d i t j o n a lf l u m e r i c a lc o n t m ls y s t e m ，m et h e s i si n t r o d u c e st h es o n w a r es t r u c t u r e o ft h en u m e “c a ic o n t r o l s y s t e mb a s e do nw j n d o w sc ei nd e t a i la c c o r d i n 2t ot h e s y s t e m a t j c r e a l t i i n ec h a m c l e ro fn u m e r i c a 】 c o n t r o ， t h et h e s i s a n a l v s e st h e m e c h a n i s n lo ft h ep r o c e s s ，t | l r e a da i l dd i s p a t c h e ro fw i n d o w sc ei nd e t a i l ，s t a t e si t s s a t i s f a c t i o nt ot h ef e a i t i m e c h a r a c t e ro fn u m e r i c a jc o n t r o is v s t e m a t i cw h j l e a c h i e v i n gm a n yt a s k so ft h en u m e r i c a lc o n t r o is y s t e m ，a n dn l r t h e ri n t r o d u c e st h e a c l l i e v e m e n to ft h e c u t t i n g o f f r e a l - t i m ec o n t r o l仔o mt h e m e c h a 商s mo ft h e c u t t i n g 。o 玎r e a j t i m ec o n t m lo fw i n d o w s c e f i n a l l yt h et h e s i sp a y sa t l e n t i o nt ot h e d e 矗n i t i o na n df 、u n c t i o no ft h e e q u i p m e n t d r i v e r p m c e d u r e ， s u m s u p t h e c h a ：r a c t e “s t i c so ft h ee q u i p m e n td r i v e rp r o c e d u r eo fw i n d o w s c e ，a n da n a l v s e st h e c o d cs t n l c t u r eo fw i n d o w sc e e q u i p m e n td r i v e rp m c e d u r e k e y w o r d s ： o p e n a r c h i t e c t u r ec n c s y s t e n l 已m b e d d e dr 丁d s w i n d o w sc e 1 1 1 t e r n l p t d e v i c ed r i v e r 合肥工业大学 本沦文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合月巴上业人学 硕：t 学位论文质量要求。 主席： 委员： 导师 答辩委员会签名：( 工作单位、职称) 丑季枕晰撇 磷沁渺久枞 阜罕t 玛伽zf 匆弘唆 | 堙船懈是撇 插图清单 | 羽l l 系统创建流程 图3 1c n c 硬件结构 图3 2 背景程序和实时中断程序 图3 3c n c 的任务分解图 图3 4c n c 多任务处理关系 圈3 5 牲丁w i ：n d o w sc e n e t 的实时多任务数控系统的体系结构 图5 1w i n d o wc e 体系结构 例5 2w i n d o w sc e n e t 中断处理过程 图6 1 流接口驱动程序体系结构 阁7 1w i n d o w sc e 数控系统框架 坦砺珀加加丝玎船鲫驰 表格清单 表3 1 各级巾断程序的功能1 8 表6 1p l a t f o r mb u i l d e r 和m i c r o s o f tv i s u a ls t u d i o 优缺j j 、l ，3 6 独创性声明 水八卢f 埘所- ! 贷的1 警f _ = 7 = 论文是本人在导师指导f 进行的研究r 作及取柑的研究成果。 榭戎所知，除r 史i 特别加卧标注和致谢的地方外，论义中小包含其他几已经发丧戏拱j 过的l i j f 究成果也小包含为获得 盒世l 些丛堂 或其他教育机构的学忙戚证m 使 川过的劓判，l 我一同卜f 1 的同志对本研究所做f f j 任f u 贡献均已在皓丈中作1 j 州确的说i w 并嵌示酣赢。 学位论义作者鉴名：抓嘈碗主民筘字日剐：瓶，月孔 学位论文版权使用授权书 木学忙论文作者完令丁解盒妲：些是堂何芙保留、使_ 【 i 学伉论文帕舰定，有权侏留 井i _ i ! j 家黄部门或机构邀交论文的复印件和诎鼎，允许论文诎奔弼1 f 倡阈。本人授权垒 螋】：业厶堂础以将学他i 仓文的全部或部分内容躺 有关数据痒进行检索，叮蛆采川影日l 、 饰i 日 或扫捕等复制r 段保存、汇编学值i 仑文。 ( 保密的学位论文在解密后适j ；i j 本授权，i5 ) 学忙沦文竹者簪名 拥鞠纸 箍7h 1 ：1 一口5 本厂h ，口 导师签名 签字口期：? 毋f 爿2 ，卜_ 。产位【宅立们。荷毕业后玉向： ，、 ，删：糯孵；断吮 峤： 坳川m ：弘扬，兔昂翰冲砷谚膨邮端：z 巧严9 致谢 昆文赴在导师 ：治森教授的悉心指导和亲切关怀l i 完成的，再：此，罐表小 峨挚的做意和收心的感谢! 工老师允沛的精力、卓越的学识、严谨求实的瓣学 念度以及街人不倦的l 作作风给我霄jf 了深刻的印象。导师的循衍善两、淳 淳教导使找的知u 和技能水平都得到了很大提高，令我终生受盏! 在项h 的进行以及论文的撰写阶段，几位网上的朋友与我进行了深入i f 泛阿讨沦。他们的独到见解使我得到许多有益的启发，在此表示衷心的感埘! 衷心感谢韩汀老师、俐凯老师、何高清老帅对我的关怀与救海! 衷心感谢商荣师兄、蒋克荣师兄、萤伯麟帅兄、苗斌师兄和师弟姜峥崃、 章健利、周明发等在论文撰写过程中给予的帮助【 深深感谢慈祥的父母为我提供了读书的机会，他们几复一h 、年复年含 辛鲕黄地劳动，为我创造r 良好的学习和生活条件! 衷心感谢和祝福所有支持或帮助过我的老! j | | j 、同学、亲人和删友们! 我将 怀念存合肥丁业大学c l m s 研究所的学习时光，祝愿她的明天更加美好! 什崭：胡铷斌 2 0 0 5 年5 月 第一章绪论 2 0 世纪中期第一台数控机床的研制成功标志着生产和控制领域新时代的到 来。数控机床的诞生和发展都依赖于相关技术的不断进步。它和精密机械、计 算机及信息处理、自动控制及伺服驱动、精密检测及传感和网络通讯的技术密 切相关。数控技术的核心是由微电子技术向精密机械技术渗透所形成的机电一 体化”。 1 1 数控技术的产生与发展历史 2 0 世纪中叶数控技术和数控机床的诞生标志着生产和控制领域一个崭新时 代的到来。第一台数控机床是美国空军委托麻省理工学院研究制造的，用于直 升机叶片轮廓的加工【2 】o 数控技术从发明到现在，已有近5 0 年的历史。按照电予器件的发展可分为 五个发展阶段：电子管数控，晶体管数控，中小规模i c 数控，小型计算机数控， 微处理器数控；从体系结构的发展，可分为以硬件及连线组成的硬数控系统、 计算机硬件及软件组成的c n c 数控系统，后者也称为软数控系统：从伺服及控 制的方式可分为步进电机驱动的开环系统和伺服电机驱动的闭环系统口】。数控 系统装备的机床大大提高了加工精度、速度和效率。人类发明了机器，延长和 扩展人的手脚功能：当出现数控系统以后，制造厂家逐渐希望数控系统能部分 代替机床设计师和操作者的大脑，具有一定的智能，能把特殊的加工工艺、管 理经验和操作技能放进数控系统，同时也希望系统具有图形交互、诊断功能等。 首先就要求数控系统具有友好的人机界面和开发平台，通过这个界面和平台丌 放而自由地执行和表达自己的思路。这就产生了开放结构的数控系统。机床制 造商可以在该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。 2 l 世纪的数控装备将是具有一定智能化的系统，智能化的内容包括在数控 系统中的各个方面：为追求加工效率和加工质量方面的智能化，如加工过程的 自适应控制，工艺参数自动生成；为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、自动识别负载自动选定模型、自整定等； 简化编程、简化操作方面的智能化，如智能化的自动编程、智能化的人机界面 等；还有智能诊断、智能监控方面的内容、方便系统的诊断及维修等。为解决 传统的数控系统封闭性和数控应用软件的产业化生产存在的问题。目前许多国 家对开放式数控系统进行研究，如美国的n g c ( t h en e x tg 吧n e r a t i o n w o r k s t a t i o m a c h i n cc o n t r 0 1 ) 、欧共体的o s a c a ( o p e ns y s t e ma r c h i t e c t u r cf o r c o n t m lw i t l i na m o m a t i o n s y s t e m s ) 、日本的o s e c ( 0 p e ns y s t e me n v i r o n m e n tf o r c o n t r o j l e r ) ，中国的o n c ( o p e n n u m e r i c a lc o n 廿o ls y s t e m ) 等。数控系统开放化已 经成为数控系统的未来之路。所谓丌放式数控系统就是数控系统的开发可以在 统一的运行平台上，面向机床厂家和最终用户，通过改变、增加或剪裁结构对 象( 数控功能) ，形成系列化，并可方便地将用户的特殊应用和技术诀窍集成到 控制系统中，快速实现不同品种、不同档次的开放式数控系统，形成具有鲜明 个性的名牌产品。目前开放式数控系统的体系结构规范、通信规范、配置规范、 运行平台、数控系统功能库以及数控系统功能软件丌发工具等是当前研究的核 心。网络化数控装备是近两年国际著名机床博览会的个新亮点。数控装备的 网络化将极大地满足生产线、制造系统、制造企业对信息集成的需求，也是实 现新的制造模式如敏捷制造、虚拟企业、全球制造的基础单元。国内外一些著 名数控机床和数控系统制造公司都在近两年推出了相关的新概念和样机，如在 e m 0 2 0 叭展中，日本山崎马扎克( m a z a k ) 公司展出的“c v b e r p r o d u c t i o n c e n t e r ， ( 智能生产控制中心，简称c p c ) ：日本大隈( o k u m a ) 机床公司展出“i t d l a z a ， ( 信息技术广场，简称i t 广场) ；德国西门子( s i e m e n s ) 公司展出的o d e n m a l l u f k t 埘n ge n v i m n m e m ( 开放制造环境，简称o m e ) 等，反映了数控机床 加工向网络化方向发展的趋势。 可以看出，为了满足市场和科学技术发展的需要，现代制造技术对数控技 术提出了开放化、智能化、网络化的要求。 1 2 数控技术的发展趋势 1 硒速化 高速化的要求是显而易见的，因为企业要追求效率。目前的数控机床采用 位数、频率更高的处理器，以提高基本的运算能力。采用直线电动机直接驱动 机床工作台的直线伺服进给方式，其高速度和动态响应特性特别优越。目前车 床的主轴转速最高可达8 0 0 0 1 0 0 0 0 “i i l i n ，铣床最高可达2 4 0 0 0 r m i n ，甚至 4 0 0 0 0 “m i n 。 2 高精度 追求质量是永恒的话题，精度要求也是必然的。数控机床的精度已由原来 的0 o l 一0 0 2 m m 提高到0 0 0 8 m m ，亚微米机床可达0 o 0 0 5 r n n l 左右。数控中两轴 以上的插补技术大大提高纳米级插补使两轴联动出的圆弧可达1 u 圆度。 3 复合加工 多功能复合加工数控机床简称复合机床，或称为多功能加工或完全加工机 床。 复合机床的含义是在l 台机床上实现或尽可能完成从毛坯至成品的全部加 工。从2 0 世纪7 0 年代以来，出现了以旋转刀具作主切削运动的主要用于镗铣 加工的加工中心和以工件旋转作主运动的主要用于车加工的车削中心，这两类 多功能的数控机床在推进数控机床的工序集中的工艺方法上发挥了重要的作 用。但对于较复杂的零件它的功能范围尚不足以完成从毛坯至成品的全部工序 加： i ，因而还不能充分提高在单件和中小批量生产条件下的生产效率，且由于 工件在多台机床闻的转移增) j u 了安装误差，也不利于加工精度的稳定性。 为此，加快复合数控机床的发展步伐，提高工序的集中度，使加工过程链 集约化，可以提高多品种单件和中小批量加工的工效。复合数控机床可以减少 在1 ：i 司数控机床间进行工序的转换而引起的待工以及多次上下料等时间。通常 这些时间占零件整个生产周期的4 0 6 0 ，即使在信息管理良好的情况f ，仍 将占2 0 左右。因此，复合数控机床具有明显的技术效果。 复合数控机床根据其结构特点，可以分为如下两类： ( 1 ) 跨加工类别的工艺复合数控加工机床该类机床主要体现为刀具必转 加工、工件回转加工或特种加工等多类功能的复合。因而在机床结构上要体现 对不同加工方式的需求。目前常见的有车铣中心、铣车中心和铣削一激光加工 机床等。( 2 ) 多面多轴联动加工的工序复合数控机床。 新结构机床大量出现。如5 轴5 面体复合加工机床，5 轴5 联动加j ：各类异 形零件。 4 开放性 以前的数控系统大多采用专用体系结构，这种系统虽然具有结构简单，技 术成熟，产品批量大，生产成本较低的优点，但随着技术的进一步发展，己经 越来越暴露出它固有的缺点，如系统硬件的封闭性导致计算机技术的一些最新 成果不能方便、及时地应用于数控系统，妨碍了系统的升级：数控系统功能的单 一和不可扩展性不能很好地适应加工需要多样化和设各个性化的要求，用户很 难增添自己的专用功能；系统的维护和培训费过高等。这些缺点促使了开放式体 系结构的数控系统的发展l j j 。 目前，开放系统有两种基本结构： ( 1 ) 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c n c 主要运 行以坐标轴运动为主的实时控制。 ( 2 ) 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。开放结构在9 0 年代初形成； 许多数控系统的开发单位，往往采用第( 2 ) 方案。但目前主流数控系统生产 j 一家认为数控系统最主要的性能是可靠性，象p c 机存在的死机现象是不允许的。 而系统功能首先追求的仍然是高精高速的加工。加上这些厂家长期已经生产大 量的数控系统：体系结构的变化会对他们原系统的维修服务和可靠性产生不良 的影响。因此不把开放结构作为主要的产品，仍然大量生产原结构的数控系统。 为了增加开放性，许多老牌数控系统生产厂家往往采用( 1 ) 方案，即在不变化原 系统基本结构的基础上增加块p c 板，提供键盘使用户能把p c 和c n c 联系在一 起，大大提高了人机界面的功能。比较典型的如f a n u c 的1 5 0 1 6 0 1 8 0 2 】0 系统，s i e m e n s8 4 0 都是第( 1 ) 种方案。 5 网络化 为了适应制造业的网络化和全球化的发展趋势，数控系统的网络化功能也 目趋重要。在企业内部，具有网络功能的数控系统可以充分实现企业内部的资 源和信息其享，使得底层生产控制系统的集成更加简便有效。在生产企业之间 数控系统的网络化功能可以更好地适应敏捷制造( a m ) 等先进制造模式。机床联 网可以进行远程监控和远程操作实现车间级的数字化和信息化，可在一台机床 上对其它机床进行编程、设定、操作、运行。在网络化基础上，可以将c a d c a m 与数控系统集成为一体。新一代数控网络环境的研究已成为近年来国际上研究 的重要内容【4 j 。 13 课题来源及主要内容 1 3 1课题来源 合肥工业大学c i m s 研究所多年来一直致力于数控系统的开发研究，已经 开发了多系列数控系统，其g l2 0 0 0 系列数控车床和铣床采用了基于工业p c 机的开放性体系结构，具有丰富的功能和十分友好的人机操作界面，系统可靠 性高，实用性好。我所自主开发的五轴联动的数控滚齿机获得了因家科技进步 二等奖。 本课题来源于合肥工业大学c i m s 研究所王治森老师的国家自然科学基金 项目“人机协同的车间数字化制造模式一一基于移动通信的车间数字助理和掌 上数控研究”。该国家基金的研究内容主要有以下五个方面【5 】： 1 基于移动通信技术的新型数控系统的体系结构研究； 2 摹于w i n d o w sce n e t 平台的数控系统专用操作系统研究； 3 运行于上述平台上的嵌入式数控系统的实时性和多线程并行机制研究； 4 蓝牙无线通信技术在数控系统中的应用研究； 5 数控p d a 的人机工程学设计研究。 1 3 2 本论文的主要内容 本论文主要研究了以下内容： ( 1 ) 分析目前各种数控系统的软件平台的优缺点，根据数控技术发 展的方向选择w i n d o w sc e n e t 作为开放式数控系统的开发平台。 ( 2 )研究了w i n d o w sc e n e t 的特性。 ( 3 ) 研究基于w i n d o w sc e n e t 的开放式数控系统软件体系结构。 ( 4 )详细分析w i n d o w sc e n e t 的实时性，掌握w i n d o w sc e n e t 的中断服务例程开发方法； 4 ( 5 )研究基于w i n d o w sc e n e t 的开放式数控系统设备驱动程序开 发方法。 第二章w i n d o w sc e n e t 开发平台的选择及其特点 2 1传统的数控系统开发平台 21 1d o s 开发平台 基于d o s 操作系统的数控系统经过近二十年的发展，技术已经比较成熟。 在操作系统上实现实时控制的主要方法是利用p c 机主板上的8 2 5 3 定时器的 c n t o 通道提供的定时脉冲作为中断源，通过i n t0 8 号中断服务程序进行实时 插补控制巾j 。 d o s 操作系统有它本身固有的缺陷。d o s 系统内核小，实时性好，但其缺 乏保护机制，应用程序直接对硬件进行操作，存在安全隐患；同时，d o s 是1 6 位操作系统，它的内存只有6 4 0 k 可以利用，编程限制太多，不支持可视化开发 工具，因此开发数控系统的周期长，难度大；同时，d 0 s 对网络功能的支持很 薄弱，因而只适合于开发功能简单的小型数控系鲥”。 2 1 2 、m n d o w s 开发平台 由于w i n d o w s 是应用最广泛的操作系统，近十年来在开放式数控系统的开 发中备受关注。w i n d o w s 是抢先式、多任务、基于消息传递机制的系统，但它 并不是作为实时操作系统设计的，不能满足数控系统实时控制的要求。因此， 无沦国内外，当前基于w i n d o w s 的数控系统都采用p c 甘q c 的模式，即采用 w i n d o w s 作为人机界面和系统管理的开发平台，而仍采用传统的n c 系统或独 立的运动控制卡来实现伺服和p l c 实时控制。这无疑增加了数控系统的成本和 体积，降低了系统软硬件体系结构的一致性，难以在统的平台上进行高水平 的开发，因此只是一种折衷办法。综上所述w i n d o w s 系列操作系统运行于虚地 址保护模式，是3 2 位系统，功能强大、用户界面友好，编程方便，但其实时性 很差，响应速度慢，对硬件资源要求高，不适合作为开放式数控系统的开发平 台i 引。 2 2 嵌入式开发平台 2 2 1 嵌入式的特点 嵌入式是在这几年才发展起来的。嵌入式系统本身是一个相对模糊的定义。 由于目前嵌入式系统已经渗透到同常生活的各个方面，应用范围都不断扩大， 冈此难以给它下一个明确的定义，我们只能从它的特点来分析它。嵌入式系统 具有以下几个重要的特征f 9 l = 1 系统内核小。 由于嵌入式系统一般是应用于小型电子装置，系统资源相对有限，所以 内核较之传统的操作系统要小得多。例如w i n d o w sc e | n e t 的内核可以做到 几k 。 2 ，专用性强。 嵌入式系统的个性化很强，其中的软件系统和硬件的结合非常紧密， 般要针对硬件进行系统的移植和设计，即使在同一品牌、同一系列的产晶中 也需要根据系统硬件的变化和增减不断进行修改。 3 系统精简。 小型和简单的嵌入式系统一般没有系统软件和应用软件的明显区分，不 要求其功能的设计及实现过于复杂，这样一方面利于控制系统成本，同时也 利于实现系统安全。 4 高实时性的操作系统软件是嵌入式软件的基本要求。而且软件要求 固化存储，以提高速度和可靠性。软件代码要求高质量和高可靠性。 嵌入式系统的应用程序可以没有操作系统而直接在芯片上运行。但是为 了合理地调度多任务，利用系统资源、系统函数以及专家库函数接口，用户 必须自行选配实时系统开发平台，这样才能保证程序执行地实时性、可靠性， 并减少开发时间，保障软件质量。 5 嵌入式系统开发需要专门地开发工具和环境。 出于嵌入式系统本身不具备自主开发能力，即使设计完成以后，用户通 常也不能对其程序进行修改，因此必须有一套开发工具和环境才靖b 进行开 发，这些工具和环境一般是基于通用计算机上的软硬件设备以及各种逻辑分 析仪、混合信号示波器等。_ 丌发时往往有主机和目标机的概念，主机用于程 序的开发和调试，目标机作为最后的执行机，开发时需要交替结合进行。 2 2 2 嵌入式的应用 嵌入式系统技术具有非常广阔的应用前景，其应用领域可以包括： 1 工业控制。 基于嵌入式处理器的工业控制系统具有广阔的应用范围，目前其已在工业 过程控制、数控机床、电路系统、电网设备监控、石油化工系统等领域获得广 泛应用，逐渐驭代传统基于8 位或1 6 位单片机的工业控制装置而成为工业控制设 备的主流。 2 交通管理。 嵌入式系统在车辆导航、流量控制和信息监控等方面获得广泛应用，目前 内嵌g p s 模块、g s m 模块的移动定位终端已成功使用在交通运输行业。 3 信息家电。 嵌入式系统技术在冰箱、空调、彩电等传统家电产品的应用，将使得家电 产品具有良好的用户界面、智能管理、远程控制，从而进一步推动家电产品的 网络化、智能化、信息化。 4 环境监控。 环境监控包括水文资料实时监控、防洪体系及水土质量监控、地震监控网、 实时气象信息网、水源和空气污染监控等。嵌入式系统在环境监控上的应用， 将实现对环境恶劣、地况复杂的地区进行无人监控。 5 机器人控制。 嵌入式处理器在机器人控制方面的应用，进步推动了机器人向微型化、 智能化方面的发展，拓宽其在工业领域和服务领域的应用空闻。 6 家庭智能管理系统。 水、电、煤气表的远程自动抄表，安全防火、防盗系统，其中嵌入的专用 控制芯片将替代传统的人工检查，并实现更高、更准确和更安全的性能。日时 在服务领域中，一些手持设备已经体现出了嵌入式系统的优势。 7 p o s 网络及电子商务 公共交通无接触智能卡发行系统、公共电话卡发行系统、自动售货机、各 种智能a t m 终端将全面走入人们的生活。 数控机床控制是嵌入式的另一个新的应用领域。开放式数控系统的发展趋 势，是为机床生产商和机床用户提供一个与硬件无关的系统平台。用户可以根 据自己的需要自由的选择硬件配置和系统功能，可以把计算机技术发展的最新 成果应用到数控系统中。开发适合于数控系统要求的实时多任务操作系统，一 直是开放式数控系统研究的一个热点。在这一方面，有的自行开发实时操作系 统内核，有的对通用操作系统进行实时性改造，有的是应用市场上现有的商品 化实时操作系统【”】。 中软嵌入式强实时l i n u x 是中软公司为满足国家数控机床开发项目要求而 研发的强实时系统，系统响应时间( 中断响应时间) 在p 1 6 6 上小于1 0 “s ( 1 0 一 6 秒) ，任务切换时间小于3 0 扯s 。p i i l 6 5 0 上系统响应时闯( 中断响应时间) 小于 7 扯s ，任务切换时间小于2 0 p s 。这套系统可以驱动5 1 6 轴机床，使得进给速度 提高到2 4 0 m 分，精度达到0 0 0 1 m i n 伊。 但由于l i n u x 不能兼容市场上各类w i n 3 2 软件，详细的技术及开发文档也很 难得到，对很多硬件都不支持，因而开发基于l i n u x 的数控系统难度大，进入市 场慢。虽然l i n u x 是开放源代码的操作系统，但正因为此造成了技术支持力度较 弱【1 0 】。 8 23w i n d o w sc e n e t 系统平台 2 31w i n d o w sc e - n e t 的产生及其特点 掌上电脑p a ：i m 的巨大成功，引起了产业嗅觉灵敏的微软总裁比尔盖茨的 注意。微软公司就开始了同类产品的开发，最后定名为w i n d o w sc e f n e t 。 w j n d o w sc e n e t 的特点有【1 1 】1 1 2 】【13 j ： 具有灵活的电源管理功能，包括睡眠，映醒模式。 使用了对象存储( ob ；e c ts t o r e ) 技术，包括文件系统、注册表及数据库。 它还具有很多高性能、高效率的操作系统特性，包括按需换页、共享存储、交 叉处理同步、支持大容量堆( h e a p ) 等。 拥有良好的通信能力。广泛支持各种通信硬件，亦支持直接的局域连接 以及拨号连接，并提供与p c 、内部网以及1 1 1 t e m e t 的连接，还提供与w i n d o w s 9 x n t 的最佳集成和通信。 也支持嵌套中断。允许更高优先级别的中断首先得到响应，而不是等待 低级别的i s r 完成。这使得该操作系统具有嵌入式操作系统所要求的实时性。 更好的线程响应能力。对高级别i s t ( 中断服务线程) 的响应时间上限的 要求更加严格，在线程响应能力方面的改进，帮助开发人员掌握线程转换的具 体时间，并通过增强的监控能力和对硬件的控制能力帮助他们创建新的嵌入式 应用程序。 2 5 6 个优先级别。可以使开发人员在控制嵌入式系统的时序安排方面有更 大的灵活性。 w i n d o w sc e n e t 的a p i 是w i n 3 2 a p i 的一个子集，支持近1 5 0 0 个w i n 3 2 a p l 。有了这些a p i ，足可以编写任何复杂的应用程序。当然，在w i n d o w sc e n e t 系统中，所提供的a p i 也可以随具体应用的需求而定。 2 32 、矾n d o w sc e n e t 的设计特点 w i n d o w sc e n e t 是m i c r o s o f t 为多种嵌入式系统而设计的一个紧凑高效的 模块化操作系统，支持多进程、多线程、抢先式多任务操作，能满足实时控制 的基本要求。w i n d o w sc e n e t 的模块化设计使得数控系统开发者和应用程序 开发者能够根据不同的产品需求剪裁自己的系统平台。w i n d o w sc e n e t 支持 包括t c p i p 在内的多种网络通信协议以及以太网、令牌网等网络适配器，并可 带内嵌式i m e m e t 浏览器，w 曲服务器，从而能够满足开放式数控系统的连网、 尤其是与互联网连接，实现车间级和设备级网络化制造的要求。w i n d o w s c e n e t 支持市场上大量编程资源和工具，可以大大缩短数控系统开发时间。 w i n d o w sc e n e t 将线程的优先级增加到2 5 6 个( w i n d o w sn t 为3 2 个) 【1 4 。更多的优先级赋予开发者在控制系统调度方面更大的灵活性。w i n d o w s c e n e ，r 各线程的定时互相独立，各线程的时间片大小可调，最快可达到1 毫秒 r w i n d o w sn t 固定为2 5 毫秒) 。应用程序可根据任务的实时要求来决定线程的 优先级和时间片大小。m i c r o s o f l 近年推出的w i n d o w sc e n e t 更进一步加强了 网络功能和对n e t 体系结构的支持。虽然市场上有不少其它嵌入式实时操作 系统，但从通用性、丌发工具的丰富性、易获性以及成本等方面考虑，我们认 为它是开放式数控系统的一种较理想的开发平台。因此我们选择了w i n d o w s c e n e t 作为我们基金项目的数控系统开发平台。 2 4w in d o w sc e n 盯的集成开发工具 w i n d o w sc e n e t 提供集成工具集来帮助开发操作系统和应用程序，这样 大大缩短了丌发时间。这些工具包括：p l a t f o 加b u i l d e r 、n e t 和e v c 。 m i c m s o f l p l a t f o n nb u i l d e r 提供了开发人员快速建立基于、m n d o w s c e n e t 嵌入式系统所需的各种工具。p l a 怕mb u i l d e r 的集成开发环境( i d e ) 允许开发人员配置、建立并调试能够借助w i n d o w s 和w 曲强大功能为嵌入式系 统带来灵活性与可靠性的新一代高度模块化设计方案。以下这些全新i d e 特性 允许开发人员快速、轻松的建立定制解决方案： 1 能够加快嵌入式开发速度，改进目标主机集成性与连通性。 2 为先进的系统级调试功能提供支持，其中包括硬件辅助与源码级调试功能。 3 用于真接集成额外多处理器体系结构和第三方工具的改进扩展模型。 通过在主机上安装p l a t f o 咖b u i l d e r ，开发主机与目标设备问得到增强的集 成性与连通性能够在建立嵌入式系统的过程中为您节省宝贵时间。p l a t f o r m b u i l d e r 提供了用于改进目标主机集成性与连通性的特性，其中包括： 1 n e w p l a t f o h n w i z a r d ( 新式平台向导) 以简便快捷的方式对操作系统进行配置。w i n d o w sc e n e t 操作系统共有8 种配置方案，其范围涵盖了从简单系统内核到具备图形用户界面及预加载应用 程序全功能系统的整个区间。您可从这8 个配置方案中任选其，并通过简便 的拖放操作创建符合设计要求的定制系统。 2 微处理器控制单元 在使用n e w p l a 玎0 舢w i z a r d 创建系统平台的同时选取相应的微处理器控制 单元，以便在新型微处理器提交使用的同时，直接将其支持功能添加到集成开 发环境( i d e ) 当中， 3 扩展板卡支持软件包( b s p ) 体系结构 直接就某一现成的p l a t f 0 肌b u i l d e rb s p 加以应用，或将定制第三方b s p 添加到系统平台上。 4 灵活的创建选择 仅就您所选定的模块进行创建，而无须执行整个创建过程。这样一来，刚 可通过列m a k eb i n a r yi m a g e ( 生成二进制镜像) 工具加以应用的方式，节省出 富贵的系统开发时间。 5 集成化连接与下载 在集成丌发环境( i d e ) 下，以简便快捷的方式将操作系统和应用程序代码 从，f 发宿主下载至目标设备。 6 s t a t u sm o n i t o r ( 状态监视器) 对丌发工作站与目标设备之间的通信连接状态信息进行查看。 7 获得改进的调试用户界面 通过使用新式旋停进程、线程、模块与符号、调用堆栈窗口及调试区i 司特 性的方式来执行调试操作。 8 调试区间 通过使用预定义操作系统调试区间，对调试信息输出实施简便控制与管理。 为实现定制区间内的精密控制，而加入您自己的调试信息。 9 集成化硬件辅助调试器 对代码执行情况实施控制，并就相关设备状态加以检查修改。在内核启动 之前，先就0 e ma d 印t a t i o nl a y e r ( o e m 适配层，o a l ) 进行简单调试，以便 在设备开发早期阶段节省出宝贵的时间。第三方供货商还为您提供了所需的硬 件和软件，这其中至少包括一个驱动程序，并允许您在c i r c u i te m u l a t o r ( i c e ) 、 硬件探测器及模拟器这三者中任选其一。 1 0 源点级调试 通过使用新式源点级调试功能迅速捕捉相关问题。源点级调试可基于参考 和调试用途为您提供针对w i n d o w sc e n e t 关键组件的访问功能，而这其中便 包括系统内核。 1 1 k e m e lt r a c k e r ( 内核追踪器) 通过在目标设备上对线程与进程的交互和计时进行追踪，以实现简便快捷 的系统调试功能。迅速针对特定内核事件、线程或进程进行查找与监控。 1 2 r e m o t ep e r f o m l a l l c em o n i t o r ( 远程性能监视器) 通过使用r e m o t ep e r f o m a i l c em o n i t o r f o rw i n d o w sc e n e t ，以简便快捷的 方式对目标系统性能实施调校。可直接在p l a t f o n b u i l d e r i d e 下对处理器、网 络、线程与进程的性能表现实掩监控。 1 3 r e m o t es y s t e mi n 缸m a t i o n ( 远程系统信息) 在i d e 下直接对包括系统内存、电源、外围设备及设备驱动程序等详情在 内的系统信息进行查看。 1 4 导出s d k 通过使用定制软件开发工具，创建并导出一个经过压缩、且具备自解功能 的可执行文件。而应用程序开发商则可将这个设备专用s d k 导入至m i c r o s o n e m b e d d e dv i s u a lt 0 0 l s ，并创建出针对特定系统平台进行优化的应用程序。 15 操作系统组件开发工具 面向特定系统平台创建包括设备驱动程序、应用程序、动态链接库及静态 库文件在内的操作系统组件。