（机械工程专业论文）基于sh2的嵌入式数控系统的开发.pdf

大连理工大学专业学位硕士学位论文 摘要 数控系统( c n c ) 是控制数控机床的大脑，c n c 性能高低是衡量一台数控机床整体功 能和性能的重要技术指标。随着我国工业现代化不断发展，数控机床的市场份额占我国 机床市场的比重越来越大，其中面向经济型数控机床的数控产品在销售量上又是所有数 控产品中最多的。作为国内机床行业的龙头企业，独立开发一套专门为经济型数控车床 设计并且完全自主知识产权的车床数控系统，是企业抢占相应的市场份额，提高自身优 势竞争力的有效途径。 为了实现这一设计目标，系统开发项目中大量采用公司现有的软硬件技术，采用经 验丰富的研发人员，力求在较短的开发周期内完成具备低成本、高性能的数控车床系统 的开发工作。 本论文介绍了基于瑞萨公司的s h 2 微处理器开发的面向经济型数控车床的数控系统 的设计开发方法。论文简单说明了该系统的硬件配置组成，详细描述了系统软件中任务 分派器、p m c 和n c k 等几个关键功能模块的设计原理、程序架构和具体实现方法。论文 还介绍了软件系统的开发环境和调试方法，以及该系统在产品化之前的所做各项可靠性 试验，并通过分析试验结果，得出了项目改进方案。 目前，该产品现进入有限范围内应用及小规模试生产阶段，并且已经成功地安装到 大连机床集团所生产的c k 6 1 3 0 数控车床上，各项应用性能指标均合格。该产品在“2 0 0 9 c i m t 第十一届中国国际机床展览会上获得大量参观人员的关注和好评，对提升企业的 竞争力具有重要的实际意义。 关键词：嵌人式：数控系统：s h 2 基于s h 2 的嵌入式数控系统的开发 d e v e l o p m e n to fe m b e d d e dc n cb a s e do ns h 2 a b s t r a c t c n ci st h ec o r et oc o n t r o lt h en u m e r i c a lc o n t r o lm a c h i n et o o l ，a n dt h ec a p a b i l i t yo ft h e c n ci sa ni m p o r t a n tt e c h n o l o g i cs t a n d a r dt oe v a l u a t et h ew h o l ef u n c t i o n sa n dc a p a b i l i t i e so f m a c h i n et 0 0 1 w i t hd e v e l o p m e n to fi n d u s t r i a lm o d e m i z a t i o n t h em a r k e ts h a r eo fn u m e r i c a l c o n t r o lm a c h i n et o o li si n c r e a s e dm o r ea n dm o r ei nc h i n a a m o n ga l lo ft h ep r o d u c t i o n so f n u m e r i c a lc o n t r 0 1m a c h i n et o o l s t h ee c o n o m i c a lo n e sa r ca tt h et o po fs a l i n g a st h em o s t i m p o r t a n te n t e r p r i s ei nm a c h i n et o o lf i e l da th o m e ，d e s i g n i n gas e r i e so fc n c ( w h i c hi s d e s i g n e ds p e c i a l l yf o re c o n o m i c a ln u m e r i c a lc o n t r o lm a c h i n et o o la n dh a v ec o m p l e t e i n d e p e n d e n ti n t e l l e c t u a lp r o p e r t yr i g h t s ) i sa ne f f e c t i v ea c c e s st oo c c u p yt h er e l e v a n tm a r k e t s h a r ea n di m p r o v ea d v a n t a g ec o m p e t i t i o n i no r d e rt oc a r r yo u tt h ed e s i g na i m ，d u r i n gt h ed e s i g n i n g , t h ec o m p a n ya d o p t st h e t e c h n i q u eo fs o f t w a r ea n dh a r d w a r e ，e m p l o y i n gt h et e c h n i c i a n s 、i t l lr i c he x p e r i e n c e s t h e y m a n a g e t oa c h i e v et h ed e s i g nf o rc n c 晰t i ll o wc o s ta n d h i 曲c a p a b i l i t yi nas h o r tp e r i o d t h et h e s i si n t r o d u c e st h ew a yo fd e s i g na n de x p l o r a t i o n o nt h eb a s i so fr e n e s a s ss h 2 m p u ，c n ci se x p l o r e dt oe c o n o m i c a ln u m e r i c a lc o n t r o lm a c h i n et 0 0 1 t h et h e s i ss t a t e st h e h a r d w a r ef l a m e so fc n cs i m p l y i td e s c r i b e st h ed e s i g np r i n c i p l e ，p r o g r a ms t r u c t u r ea n d m e t h o do fr e a l i z a t i o ni nd e t a i l f o re x a m p l e ，t a s km a n a g i n g ，p m c ，n c ka n ds oo n t h e d e v e l o p i n ge n v i r o n m e n t ，s e t t i n gm e t h o do ft h es o f t w a r ea n da l lk i n d so fr e l i a b l ee x p e r i m e n t b e f o r ep u t t i n gi n t op r o d u c t i o na r ew r i t t e ni nt h et h e s i s t h r o u g ha n a l y z i n gt h er e s u l t so ft h e e x p e r i m e n t ，t h ei m p r o v e m e n ts c h e m eo fp r o j e c ti ss u c c e e df i n a l l y n o w a d a y s t h ep r o d u c ti sp u ti n t op r o d u c t i o ni ns o m ec e r t a i nf i e l d sa n ds m a l ls c a l e s i t h a su s e di nt h ec k 613 0m a c h i n et o o lp r o d u c e db yd m t gs u c c e s s f u l l y a l ls t a n d a r d so f c a p a b i l i t ya r ec h e c k e do u t t 1 1 ep r o d u c t i o na c h i e v e dm u c ha t t e n t i o na n dp r a i s ef r o m m o s to f t h ev i s i t o r si n2 0 0 9c i m t i tp l a y sa ni m p o r t a n tp a r to fp r o v i n gt h ec o m p e t i t i o ni nc o m p a n y k e yw o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m ；n u m e r i c a tc o n t r o ls y s t e m ；s h 2 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明i 所呈交的学位论文。是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包舍其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：基于s h 2 的嵌入式数控系统的开发 作者签名：芘业惰日期：2 口97年乡月2 罗日 大连理工大学专业学位硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学。允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编人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。 学位论文题目：基于s h 2 的嵌入式数控系统的开发 作者签名：花芝帕日期：如d 7年f 月2f 日 导师签名：兰习盟丛 日期：型年乙月二_ 日 大连理工大学专业学位硕士学位论文 己i古 丁_ 目 本项目属于新型嵌入式数控系统( 2 个插补轴) 研究开发项目；以瑞萨公司的 s h 2 3 2 b i t 微处理器作为n c 模块的处理器，完成数控系统的指令解析、插补运算、运 动控制、p m c 逻辑控制等运算和控制。 课题简单介绍该数控系统硬件组成结构，着重阐述该系统中n c 模块的软件设计开 发：加工程序指令解析；插补原理和算法：p m c 控制原理和算法；梯形图运行原理和 算法；与计算机的数据通讯等。内容涉及机械、电子、电气、数学、控制理论、计算机 控制等多种学科。 本课题属于公司重点开发项目，从2 0 0 7 年1 0 月开始立项开发，截至2 0 0 9 年初即 将实现小批量( 2 0 台套) 生产、调试，并供厂内加工生产使用。 本项目在伺服驱动器控制模块和n c 控制模块中均采用了公司大量现有软硬件技 术：伺服控制算法，p i d 控制算法，加工轨迹解析、控制算法，p m c 控制等。同时，根 据多年的市场信息反馈和应用经验，采用了全新的用户操作架构和用户界面，提供了更 加友好的h m i 界面；伺服控制模块和nc 控制模块通过双口r a m 进行数据交换，提高 数据传递效率和准确性，进击一步提高了系统整体的相应速度。由于采用双口r a m 的 数据交换方式，避免了模拟量伺服运动控制系统所存在的对系统内部状态和外部环境的 变化比较敏感而引起的零漂、温漂、电磁干扰等的问题，使系统的控制精度得到有效提 高。保证了复杂控制系统的稳定性。 随着国内数控系统行业的技术进步和市场发展，数控机床的普及程度越来越高。用 户对数控机床包括数控系统本身的性能和价格的要求也越来越严格。能够适时地推出一 款能够满足中国经济型数控市场需求的全新数控系统成为一个企业能否在行业中领先 甚至生存的关键。同时，一款成功的高性价比数控系统也能够有效的刺激中国数控行业 的良性竞争和加快发展。 基于s h 2 的嵌入式数控系统的开发 1绪论 1 1 数控系统与数控技术 1 1 1 数控技术发展史 数控技术是根据设计和工艺要求，用计算机对产品加工过程进行数字化信息处理与 控制，进而达到加工生产自动化、提高综合效益的多学科技术【1 1 。 数控技术的起源可以追溯到2 0 世纪5 0 年代初期，至今已经经历半个世纪的发展历 程，其发展过程可以分为六个发展阶段。 1 9 5 2 年，美国麻省理工学院为了解决复杂零件的自动化加工问题，开发研制出世界 上第一台基于电子管和继电器的数控系统，并且成功用于三轴立式铣床的数字化控制， 它标志着第一代数控系统电子管数控系统的诞生，由此拉开了数控技术的发展序 幕：2 0 世纪5 0 年代末，以半导体器件晶体管为核心，通过固定布线方式所构成的第二 代数控系统晶体管数控系统研制成功，取代了昂贵的、易损坏且难以推广的电子管 控制系统。1 9 6 5 年出现了第三代数控系统集成电路数控系统，不但使数控系统的可 靠性得以有效提高，而且大幅降低了生产成本。然而以上三代数控系统都属于“硬连接 数控，系统的功能主要由硬件实现，灵活性差，可靠性难以进一步提高。1 9 7 0 年诞生了 第四代数控系统小型计算机数控系统，宣布了硬连接数控时代的结束，使得数控系 统的许多功能可以通过软件来实现，由此开创了计算机数控( c n c ) 新纪元。但由于受成 本等因素的影响，小型机数控系统发展缓慢，实际应用较少。直到1 9 7 4 年，以微处理 器为核心构成的第五代数控系统微型计算机数控系统的出现，才真正使计算机数控 得到快速发展和广泛的应用。这主要是由于微处理器实现了计算机核心部件的高度集 成，不但可靠性高，功能强，速度快，而且价格便宜，较好的满足了数控系统等工业控 制系统的特殊要求。到了2 0 世界9 0 年代初，微处理器完成了从1 6 位到3 2 位的过渡， 通用化的个人计算机得到迅速发展，开始在全世界范围内普及应用，由此催生了第六代 数控系统- p c 数控系统的诞生。 作为新一代数控系统，p c 数控系统固然采用很多新的软硬件技术，可以提供更优 异的硬件运算性能，更加便利的任务管理和资源配置以及更加友好的图形用户见面等， 但是由于p c 必须面对配置底层操作系统的问题。如何协调操作系统与数控系统资源分 配，中断事件的实时响应等问题成为刚刚从事第六代数控系统开发人员面前难题。同时 第五代数控系统的计算机可以根据数控系统性能参数由数控厂家自己设计制造，其硬件 一2 一 大连理工大学专业学位硕士学位论文 系统需要数控生产厂家在购买来的微处理芯片的和其他元器件的基础上自行设计制造 的，包括操作系统在内的基础软件系统也需要根据专用硬件的特点自行开发。这样就可 以针对不同性能的数控系统设计不同的软硬件环境，从而减少数控系统计算机软硬件资 源的“浪费，对于经济型数控车床系统来说，采取技术成熟可靠，器件成本低廉的第 五代数控方案可以使产品更具市场竞争力。 1 1 2 数控技术的发展方向 ( 1 ) 与计算机融合，向开放式发展 当今加工装备和制造系统正朝着网络化、高柔性、可重构、多功能、有特色的方向 发展，制造装备和系统的控制器也必须跟上这一发展步伐。这就要求数控系统能够重新 配置、重新生成、在线扩充和远程修改，甚至要求能够融入用户的独特经验。完成这一 任务的有效途径就是向开放式平台发展【2 】。 基于计算机开发的数控系统具有独特的开放式优势。这是因为p c 的硬件平台本身 就是开放的，软件平台也具有良好的开放性基础( 如采用开放源代码的r t l i n u x 5 软 件兼容性好的w i n c e 等作为操作系统) 。这种数控系统的发展是与计算机的发展紧密 融合的，因此计算机领域众多的新技术和应用软件，如无线互联网、远程管理、分布式 数据库、语音控制、触摸操作等都可以直接在这类数控系统上应用，从而大大加快数控 系统向开放式结构发展的步伐。 ( 2 ) 向超高速方向发展 高速和超高速数控加工已经成为国际上公认的先进制造技术之一，在军工生产、航 空航天器制造及民用制造业各部门均有广泛的用途。例如，在汽车工业中以高速高效数 控加工取代多主轴组合机床，既得到高度柔性，有利于产品快速更新换代，又不降低生 产率；在模具制造等行业已高速多坐标数控机床铣淬硬钢，取代传统的淬火后磨削、研 抛、电加工等低效率工艺，实现高硬度复杂表面零件的高速高效加工；在航空、宇航、 军工等行业，以高速多坐标数控机床对飞行器等的大型构件( 如机身、机翼等) 进行整 体加工，从而有效消除传统拼装结构所具有的种种弊端。可以预计，高速高效数控加工 的技术优势不但使人们的观念得以更新，而且将对传统生产方式产生重大冲击，乃至产 生新的变革。因此，高速和超高速数控加工理论、高速和超高速数控加工技术与装备的 研究、开发和应用，将是数控技术和数控产业的重要发展趋势之一。 ( 3 ) 向超精方向发展 人类认识世界和改造世界的能力正在向微小尺度方向发展。在微观领域，要求以计 算机控制的微制造装备具有原子尺度的操作能力。计算机c p u 的制造是电子产品制造 基于s h 2 的嵌入式数控系统的开发 的制高点，要求其制造装备的精度达到纳米级。在宏观方面，大型天文望远镜镜片的表 面形貌误差也要求达到纳米级。这些纳米的超精尖端设备如果没有超精的数控技术是制 造不出来的。因此发展超精数控将是未来数控技术的另一个重要发展方向。 实现超精数控，需要超高精度的运算与控制。数控系统所采用的新一代c p u 可实 现6 4 位运算，并且内嵌数学处理模块，具有强大的浮点处理和函数运算能力。因此基 于p c 平台实现超精度数控将有其他数控系统无法比拟的优势。 ( 4 ) 向智能化方向发展 数控系统和装备的智能化，不仅有助于减轻操作者的体力和脑力劳动强度，而且更 重要的是可以提高数控加工的质量和功率。因而智能一直是p c 数控技术和装备的重要 发展方向，目前主要体现在以下几个方面： 智能编程 在数控编程系统和数控系统软件中嵌入专家系统，建立知识库和工艺数据库，从而 实现自动选择刀具，合理计算切削用量，确定最佳走刀路线，使数控加工实现最优化， 减小操作人员的脑力劳动强度。 智能化自适应控制 将人工智能技术与自适应控制技术相结合，通过在线检测切削力、切削温度、刀具 磨损等参数，经计算机分析计算后发出控制信号，实时调整主轴转速、进给速度和背 吃刀量，使数控加工系统工作于最佳状态。 加工过程智能化监控 将人工智能技术与现代传感技术相结合，对加工过程的一些关键环节和因素进行智 能化监控，如刀具磨损破损的自动监控、主轴运行状态的自动监控、高速加工安全性的 自动监控等。 故障诊断智能化 应用模糊数学、神经网络理论、专家系统技术等建立具有人工智能的故障诊断系统， 实现对数控系统和机床故障的自动诊断，并自动或指导维修人员快速排出故障。 信息输入与智能化 应用模式识别技术，进行图像和语音识别，实现零件图形的智能化识别和理解，并 按照操作者的语音命令自动控制加工过程。 智能寻位加工 大连理工大学专业学位硕士学位论文 通过仿人智能途径主动感知工件信息、自动分析求解工件实际状体，并根据工件实 际状态进行位姿自适应加工，从而消除对精密夹具的依赖，有效缩短生产周期，增强企 业对市场动态变化的快速响应能力。 ( 5 ) 向网络化方向发展 信息技术正在强有力地促进我国的工业化进程，与i t 融合的网络化通信与网络化 控制，也成为数控技术发展的重要方向。数控的网络化趋势，不仅使基于i n t e m e t 、工 业以太网等的整机和上层联网技术将有大的发展，而且使基于现场总线网络的执行层 ( 伺服系统、主轴单元、p l c 、机床传感器等) 联网控制技术将出现新的突破。其结果 将大幅度提数控加工的质量和效率。 ( 6 ) 进一步实现无图纸数控加工 c a d c 黼n c 一体化，是实现无图纸数字化制造的基础。p c 数控系统的推广应 用，将加快这一技术的发展。这主要体现在两个方面：一是许多c 脒a m 软件可以在 以p c 为平台的数控系统中直接运用使得零件设计、编程和加工控制可以由一台p c 完 成，从而实现物理上的c a d c a m c n c 一体化；二是p c 本身具有互联网功能，可以通 过网络与c a d 和c a m 计算机进行高速信息交换，使得数控系统可以直接获取设计和 加工信息，从而实现逻辑上的c a d c a m c n c 一体化。 无图纸加工的另一个发展方向是实物映射加工。所谓实物映射加工，就是通过对已 有实物零件和模型进行数字化信息提取，然后利用数控系统强大的数据处理能力，对数 字化信息进行处理，并生成n c 程序控制机床运行，从而完成映射零件的加工。这里的 映射零件不一定于原实物零件相同。例如，对于原实物零件可以加工出与其相对应的凹 凸模具。如果说传统的仿形加工是一种以模拟方式实现的线性映射加工，那么数控系统 所实现的实物映射加工则是以数字化方式实现的非线性映射加工。 ( 7 ) 向s t e p n c 体系方向发展 s t e p n c ( s t a n d a r df o rt h ee x c h a n g eo fp r o d u c tm o d e ld a t a - n c ) 6 】是一个面向对象 的新型n c 编程数据接口国际标准( i s o1 4 6 4 9 ) 。目前s t e p 和s t e p n c 的理念正在 融入数控领域，这将有力促进新一代基于s t e p n c 的数控系统得发展。 这种新型数控系统要求n c 系统直接使用符合s t e p 标准的c a d 三维数据模型( 包 括工件几何数据、参数配置和制造特征) 、工艺信息和刀具信息直接产生加工程序，可 有效解决复杂曲面差补、三维刀补、智能轨迹规划、加工过程适时优化控制等传统数控 系统难以解决的问题，并可实现设计、制造、管理、控制的双向无缝连接，将数控技术 及数控装备提高到一个崭新的水平。 基于s h 2 的嵌入式数控系统的开发 部分观点认为，s t e p - n c 的出现可能引发一场数控技术领域的革命，对未来数控 技术的发展乃至整个制造业的发展将产生深远的影响。 1 1 3 数控系统的硬件构成 早期的c n c 系统的硬件平台多数采用小型计算机来实现，随着计算机技术的发展， 高性能、高可靠性、低成本的x 8 6 计算机已经逐渐成为构建c n c 系统地主要手段f 3 l 。 从目前数控市场发展来看，c n c 的硬件平台主要有两类。一类是面向高端市场， 采用各种先进智能算法、可满足多轴联动、多通道控制、高精度、高速度高级开放式 c n c 系统。这类c n c 系统通常采用x 8 6 平台，利用x 8 6 处理器的高速度和p c 机的大 容量r a m 来实现各种复杂算法和多核心控制。同时利用x 8 6 平台优良的软硬件兼容性， 开发出各种c n c 的辅助功能，可以提供复杂的c a d 和c a m 已经逼真的仿真加工等。 还有一类数控系统是面向经济性数控机床，在满足基本2 轴或3 轴插补的基础上，在尽 可能低的研发生产成本上提供尽可能多的c n c 功能。这类c n c 系统一般采用嵌入式 r i s c 平台，采用低功耗m p u d s p 配合简单的f p g a 控制来构建硬件平台。通常，经 济性c n c 系统硬件设计相对简单，便于维护；因为硬件本身功耗低，基本不需要被动 散热装置，进而系统整体结构简单，可靠性大大提高，对应用环境要求也不是太高，能 够满足应用生产环境不是太好的中小企业使用。所以，无论基于x 8 6 平台的c n c 如何 发展，基于r i s c 处理器的经济性c n c 总会拥有自己的一份发展空间，本文所采用的正 是基于瑞萨( r e n e s a s ) 公司的s h 2 7 0 8 4 5 a 的3 2 位r i s c 处理来开发的面向经济型数控 车床c n c 系统。 1 1 4 数控的软件构成 c n c 系统中的硬件主要包括n c 控制模块、i o 控制模块、功率放大模块以及各个 模块之间的通讯模块等 4 1 。c n c 软则是指由一系列功能程序模块组成的一整套系统程 序，设计这些软件模块的目的在于完善和发挥c n c 硬件功能，使软件和硬件的结合形 成一个具有特定功能的计算机控制系统，从而使该系统具备h m i ( 人机接口) 、n c k ( n c 指令解析、位置控制数据生成等内核处理) 、p m c ( p l c 控制) 、p c ( 插补和位 控) 等功能： 系统软件主要分为4 大模块： o ) h m i ( h u m a n m a c h i n ei n t e r f a c e ) 模块： h m i ( 人机接口) 模块，在一定的用户操作习惯上开发的n c 系统软件操作架构， 它包括系统信息显示，按键输入，参数管理，n c 程序和p m c 程序的管理以及系统状态 一6 一 大连理工大学专业学位硕士学位论文 诊断等人机对话接口。通常要求h m i 设计能本着以人为本的设计思想，兼容大多数用 户的操作习惯，总结系统实际应用的使用经验结合自身产品特点，实现友好的人机接口。 ( 2 ) n c k ( n ck e r n e l ) 模块： n c k ( n c 内核) 模块，主要负责n c 程序的指令解析，位置控制数据的生成，c n c 系统运行模式结构管理和调度等功能。它负责管理调度整个c n c 系统的任务和功能模 块，是c n c 系统的大脑。一个c n c 系统的性能好坏主要体现在系统软件内部架构是否 合理，n c 内核算法是否高效，是否提供强大的预处理功能，是否提供更高高插补精度 等n c k 性能上。同时此功能模块需要保证一定的周期性。 ( 3 ) p m c ( p r o g r a m m e dm a c h i n ec o n t r 0 1 ) 模块： p m c ( 可编程机床控制) 模块，也有公司( 如西门子等公司) 称其为p l c 模块。 该软件模块负责向用户提供一个可以二次开发的p l c 平台，配合系统内部状态寄存器 实现机床功能的外延，增加数控系统使用功能。其性能主要体现在指令种类是否丰富， 指令容量是否足够大，程序扫描周期是否满足要求等。常见的p m c ( p l c ) 编程方法有 1 5 】：结构化文本语言( s t ) 、指令表编程语言( i l ) 、梯形图语言( l d ) 以及功能模块 语言( f d b ) 。本c n c 系统采用指令表语言( i l ) 和梯形图语言( l d ) 两种p m c 编 程方法，并且两种方式可互相切换使用。 ( 4 ) p c ( p o s i t i o nc o n t r 0 1 ) 模块： p c ( 位置控制) 模块，将n c k 生成的位控数据发送伺服单元，并将当前位置信息 反馈给n c k 做相应的反馈处理。该系统软件上通常通过定时中断或定周期处理来实现。 1 1 5 数控系统架构的分类 c n c 系统的各个功能模块本身功能相对独立，但各个模块之间又具有很强的耦合 性，针对这种情况，目前n o o s 的c n c 系统的软件架构通常采用如下两种方式： ( 1 ) 前台后台型( 或称超循环系统，s u p e r - l o o p ) ，是指前台系统负责插补加工及机 床前端信息的实时处理( 如p c 模块，p m c 模块的i o 扫描功能等) ，而后台程序主要 指编译，预处理及调度等工作( 如n c k 模块和h m i 模块) 。后台程序是个循环程序， 前台程序时中断程序，如图1 1 所示。时间相关性很强的关键操作一定要靠中断服务程 序来保证。因为中断服务提供的信息一直要等到后台程序走到该处理这个信息的这一步 才得到处理，所以这种系统架构在处理信息实时性上不是很强。这个实时性的指标称为 任务级响应时间，最坏情况取决于整个循环系统执行时间，同时典型的超循环系统结构 模块是完全按照线性顺序之执行的，在c n c 系统中p m c 模块属于用户二次开发平台， 其执行时间完全取决于用户开发的p m c 程序的大小和复杂程度，存在很大的不确定性， 基丁s h 2 的嵌 式数控系统的开发 这对象n c k 模块这样要求定周期运行程序十分不利，所以前台后台型架构对于功能负 责的c n c 来说不是很适合。 i s r ( 中断服务) 图霾圈 前台 曼= 兰 匿疆露豳 图l1 超循环结构 f i g 】is u p e r - l o o ps t r u c t u r e 蹦12 中断结构 f i g l2 i n t e r r u p ts t r u c t u r e 大连理工大学专业学位硕士学位论文 ( 2 ) 中断型操作系统是采用模块化结构，便于修改和扩充设计程序。这个系统是一个 中断控制系统，各功能程序均被安排成优先级不同的中断服务程序。它的任务调度是依 靠各个任务之间的通信来解决。中断型软件结构原理如图1 2 所示。 1 2 开放式数控系统 1 2 1开放式数控系统的发展现状 自1 9 9 4 年初，美国的制造自动化行业开始了“个人计算机n c 和“开放式c n c 的讨论。目前在欧洲、美国、日本的许多机构和组织已经定义了所谓的开放式结构。 ( 1 ) 欧共体：开放式自动化控制计划( o s a c a ) 目前已经进入第三阶段，主要成果 有，定义了中性的( 即不依赖任何厂家的) 开放开放式数控系统基本规范：拟定了中性 的可以用于数控系统、机器人、可编程控制器和单元控制器的统一结构；开发了第一批 示范性的应用软件模块。 ( 2 ) 美国：国家制造发展中心( o a c ) 进行了3 个方面的研究；新一代控制其；低价 控制其；开放化模块结构控制器。 ( 3 ) 日本：开放式数控系统研究会于1 9 9 6 年公布了取得的成绩；提出o n c 参考模型， 并转化为实装模型；开发了基于个人计算机的接口系统；提出了并开发了o s e l 语言； 开发了控制器接口及处理器。 ( 4 ) 我国：我国在“八五 期间采用总线式，模块化；开放型，嵌入式；多通道软、 硬件结构，成功开发了几种数控平台和基本系统。当时大部分还处在封闭式阶段，主力 国际水平还有一定差距。经过数十年的发展，我国的开放式数控取得了重大成绩。新一 代开放式数控系统国家标准自2 0 0 3 年1 月1 日开始施行。 新一代开放式数控系统以通用计算机技术为基础，可为数控系统生产商、数控机床 生产商和最终用户提供可以进行的二次开发基础和手段，以形成自己特色的产品，适应 现代制造业的需要。 目前按照开放式数控系统技术规范的体系结构而开发的硬件平台和基于有关操作 及系统的软件平台，已经在开放式数控系统得开发中得到应用，并开始在部分品种的机 床和机械产品上进行试用。 1 2 2 开放式数控系统开发的基本指导思想 ( 1 ) 最大限度的利用日新月异的p c 软硬件技术 p c 化是实现开放式数控的比较现实的途径。p c 的可靠性计算能力高，硬件已经完 全实现标准化，这些使得它更加适合于在工业环境下使用。同时，p c 具有充足的支持 基于s h 2 的嵌入式数控系统的开发 软件来完善c n c 系统的人机界面( h m i ) 、图形显示、动态仿真、数控编程、故障诊 断、网络通讯等功能。利用p c 丰富的程序开发工具，机床制造商和用户可以采用通用 的编程语言编制软件模块代替原有模块，便于厂家和用户添加具有自己特有的技术诀窍 和模块。 ( 2 ) 模块化 c n c 系统得模块化建立在对机床的各个构成要素的功能的逻辑性分析的基础上， 将其分解为逻辑上相互独立的模块，实现模块与功能之间的一一对应关系，并起为这些 模块之间的连接制定标准接口，实现即插即用。 ( 3 ) 动态配置系统 常用的系统配置方法是直接修改参数，周期长，并且易出错。为了实现更灵活的配 置和更友好的操作方式，开放式数控系统需要新型的配置过程，能够实现在系统启动、 运行状体下系统的动态配置。动态配置的实现是基于系统拓扑结构的动态生产，包括选 择构成要素、参数化构成要素的功能、构成要素之间的信息流的组织等几个步骤。 ( 4 ) 可移植性 系统得模块化保证了在同一软硬件平台上的相同功能构成要素的可移植性，开放式 数控系统得规范应该不依赖于特定的软硬件平台。开放式数控所定义的数控结构、命名 习惯、用户接口外观等都应有利于在不同的系统平台上实现。对于软件而言，为了满足 可移植性的要求，采用分层设计或客户。服务模式设计应用程序，将与软硬件平台相关 的部分置于底层，进行移植时，只需替换与硬件相关的底层软件。 ，( 5 ) 可扩展性 可扩展性是指用户或二次开发者能否采用安全而有效的方法将属于他们自己的加 工经验和专用软件集成到c n c 系统中，形成自己专有的c n c 。可扩展性的实现方法有 两种： 可以采用固定模块内部结构，但预留插入用户专用软件的接口的方式； 提供用户a p i 和编程规范，以便用户编制自己的专用模块； ( 6 ) 鼓励产业界参与开放式系统得开放过程 开放式c n c 的发展需要开放的发展环境，企业自发地参与或自主研究有利于提高 本国或本地区的c n c 技术在业内的竞争力。 1 2 3 开放式数控发展面临的课题 ( 1 ) 统一的人机界面( 删i ) 大连理工大学专业学位硕士学位论文 对用户友好，具有一致的数控操作界面，对于降低系统维护费用都具有比较重要的 意义。 ( 2 ) 以软件为基础的控制器 在开放式数控的研究过程中，软件越来越受到重视，当今数控技术的发展，已经有 面向硬件转向面向软件。机床的控制器可以实现各种程度的开放。最高程度的开放是以 软件技术为基础的控制器。 ( 3 ) 重视r t o s ( r e dt i m eo p e r a t i o ns y s t e m ) 的开发与应用 开放式数控要求不依赖于特定的软硬件平台，但是并不是所有的操作系统都能满足 数控系统的要求。数控加工要求r t o s ，现在流行多种操作系统，用户和c n c 开发厂 商都面临着许多选择。一些测试表明大多数流行的操作系统都无法满足高实时性的要 求。 ( 4 ) 数控系统开放程度 由人机界面开放到内核有限开放，最终达到全面开放。人机界面开放的开放度只限 于非实时控制部分( 面向用户应用) ；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，两种程度的开放在目前已经有个别数控厂商实现，如三菱公司的 m 7 0 s 。而最高程度的开放一内核的完全开放，它的系统结构是由过程可互换性、可 升级性、可移植性、互操作性等决定的，最终要求实现在标准平台能够任意组合所有模 块的功能，目前还比较困难。 ( 5 ) 具备网络通信功能 目前的c n c 处在c i m s 和d n c 的环境中，c n c 系统不仅能够控制独立运转的机 械，同时还要在综合化的生产环境中，用做生产的终端设备，网络通信功能已经成为 c n c 系统的必备功能。另外，在网络化的环境下如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。 1 2 4 我国发展开放式数控的现实意义 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。当时，由于受到国产电子元件水平低、部门经济等因素的制约，未能取 得较大的发展。改革开放以后，通过引进外国先进技术、进行消化吸收以及国家组织的 产业化公关等措施，才使我国数控技术逐步得到实质性的进展。当前凡是通过国家攻关 验收和鉴定的产品，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， 无论技术还是可靠性都有很大的进步。国产性能较高数控系统拥有自主的知识产权，能 基于s h 2 的嵌入式数控系统的开发 满足国防和军工的需要，使我国不再受到国外封锁禁运高性能数控机床的限制。我们在 数控技术上是后来者，可以很快地接受新技术，几乎没有任何的历史包袱。 开放式数控系统是数控技术发展的必然趋势，开放式的体系结构给c n c 生产厂家、 机床制造厂和用户都带来的许多益处。当前发达国家正在紧锣密鼓得进行这开放式数控 系统得研究一一o s e 称之为机械制造业的第三次革命，正为我国数控产业的发展提供了 良好的契机，要想在竞争中立于不败之地，不但要具有雄厚的开发力量，还必须有敏锐 的超前意识。因此，国家应该重点扶持和支持开放式数控技术的研究，才有可能在未来 几年或几十年的市场竞争中立于不败之地。 1 3 嵌入式技术 1 3 1 嵌入式处理器 嵌入式微处理器是嵌入式系统的核心【6 】。目前，据不完全统计，全世界嵌入式处理 器的品种已经超过1 0 0 0 多种，流行体系结构有3 0 几个系列。其中8 0 5 1 体系的占有多 半。生产8 0 5 1 单片机的半导体厂家有2 0 多个，共有3 5 0 多种衍生产品，仅p h i l i p s 就有 近1 0 0 种。现在几乎每个半导体制造商都生产嵌入式处理器，越来越多的公司都有了自 己的处理器设计部门。因此，在进行嵌入式系统开发式，如何选择一个合适的开发平台 成为了首要面临的难题。 任何微处理器m p u 或微控制器m c u ( 通常称为单片机) 都可以作为嵌入式系统的 核心。对于新型的嵌入式系统的核，要求其处理速度快，存储容量大、i o 功能强、功 率损耗低及实时响应快等。 以x 8 6 微处理器架构作为嵌入式系统的核，具有开发方便和移植容易等特点，但是 其体积大，功耗高和实时性差等不足也给其带来应用的局限。因此，采用该架构的嵌入 式系统较多出现在对体积和功耗要求不高的台式设备的应用领域。8 0 1 8 6 1 8 8 是最早使 用于嵌入式系统的处理器，至今在网卡、终端设备和工业控制中还可以看到它们的踪影。 8 0 3 8 6 e x 则是最早s o c ( s y s t e mo nc h i p ，片上系统) 型的单片机式p c ，它以8 0 3 8 6 处理 器为核，在一块芯片上集成了p c 常用i o ：实时时钟( r t c ) 、中断控制器、d m a 控 制器、定时计数器、并行串行口以及v g a 的l c d 液晶驱动器等。现在仍有很多公司 采用4 8 6 5 8 6 微处理器为核，推出面向d v d 、机顶盒和w e b p a d 等应用的s o c 芯片。 数字信号处理器d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 也常作为嵌入式系统的核。d s p 具 有数字信号处理能力强的特点，特别适合于声音、图像等多媒体信息处理系统。但是由 大连理工大学专业学位硕士学位论文 于其常规处理能力不强、寻址范围有限、i o 功能弱及开发平台差等不足，很少单独作 为嵌入式系统的核，而是作为新型嵌入式处理系统的一组部分。 r i s c ( r e d u c e di n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r ) 型处理器具有结构简单、处理速度快和处 理能力强等特点，新型的嵌入式系统大多采用r i s c 型处理器作为核。如a r m 公司的 a r m 、瑞萨公司的s h 、m i p s l s i l o g i c i d t a l d e n y t o s h i b a 公司m i p s 和m o t o r o l a 公司 的m c o r e 等都是新型嵌入式系统常用的r i s c 处理器。 1 3 2 嵌入式操作系统 嵌入式操作系统也是嵌入式系统的核心之一，它是由嵌入式操作系统及相应的各种 应用软件构成。在一个嵌入式系统中，操作系统起着承上启下的作用。 为了使嵌入式系统的开发更加方便和快捷，需要专门负责管理存储器分配、中断处 理、任务调度等功能的软件模块，这就是嵌入式操作系统。嵌入式操作系统是用来支持 嵌入式应用的系统软件，是嵌入式系统极为重要的组成部分，通常包括与硬件相关的底 层驱动程序、系统内核、设备驱动接口、通信协议、图形用户界面( g u i ) 等。嵌入式 操作系统具有通用操作系统的基本特点，例如：能够有效地管理复杂的系统资源；对硬 件进行抽象；提供库函数、驱动程序、开发工具集等。但与通用操作系统相比较，嵌入 式操作系统在系统实时性、硬件依赖性、软件固化性以及应用专用性等方面，具有更加 鲜明的特点。 从嵌入式操作系统能否满足实时性要求来分类，可以把操作系统分成分时操作系统 和实时操作系统。分时操作系统是按照相等的时间片轮流调度进程运行，由调度程序自 动计算进程的优先级，并不由用户控制进程的优先级。这样的系统无法实时响应外部异 步事件，分时操作系统主要应用于科学计算和一般实时性要求不高的场合。实时操作系 统能够在限定的时间内执行所规定的功能，并且能够在限定的时间内对外部的异步时间 做出响应。在实时操作系统中，操作的正确性不仅依赖于逻辑设计的正确程度，而且与 这些操作进行的时间有关。也就是说，实时操作系统对逻辑和时序的要求非常严格，如 果逻辑和时序控制出现偏差将会产生严重的后果。实时操作系统主要应用于过程控制、 数据采集、通信、多媒体信息处理等对时间敏感的场合。 实时操作系统根据响应时间可以分为弱实时操作系统、一般实时操作系统和强实时 操作系统3 种。弱实时操作系统在设计时的宗旨是使各个任务运行得越快越好，但没有 严格限定某一任务必须在多长时间内完成；弱实时操作系统关注的更多使程序运行结果 的正确与否，以及系统安全性能等其他方面，对任务执行时间的要求相对来讲较为宽松， 一般响应时间可以是数十秒或者更长。一般实时操作系统是弱实时操作系统和强实时操 基于s h 2 的嵌入式数控系统的开发 作系统的一种折中，它的响应时间可以在秒的数量级上，广泛应用于消费电子设备中。 强实时操作系统则要求各个任务不仅要保证执行过程和结果的正确性，同时还要保证在 限定的时间内完成任务，响应时间通常要求在毫秒甚至微秒的数量级上，这对涉及医疗、 安全、军事的软硬件系统来说是至关重要的。 与其他操作系统相比，面向嵌入式系统的操作系统具