（机械电子工程专业论文）组件库技术在开放式数控系统中的应用及相关问题研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 随着数控系统和软件技术的发展，将软件技术领域内的软件复用技术逐步应用于 数控系统玎= 发中，即将数控系统各部分功能由可复用组件来实现，这样不但可以满足 数控系统的开放性要求，还可以使数控应用软件的开发更为高效、可靠。 7 本文在分析数控系统的开放性的基础上，将面向对象的分析方法引入到开放式数 控系统的研究中，提出了由各个代表逻辑上独立的功能单元的软件模块组成数控系统 应用软件的方法。将软件复用技术应用于数控系统应用软件的开发中，提出了开发数 控系统软件组件应遵循的原则，阐述了数控组件的开发流程和实现方法，并丌发一个 基于c o m 规范的刀补处理组件。 本文提出利用数据库技术来管理数控系统软件中可复用的软件成分，建立了一个 数控组件库。重点讨论了组件的分类和检索问题，深入分折了关键词分类、枚举分类 和刻面分类法的特点提出了在数控组件分类中采取更具灵活性和精确性的刻面分类 法，将实现数控系统各功能的组件分类。提出采用签名匹配法来实现在检索时数控组 件的匹配，并建立相应的评估机制和词汇控制机制。 说明了组件库系统在数控系统集成开发环境中的工作原理，利用现有的数据库管 理系统来实现一个数控组件库实例。 关键词：开放式数控系统、软件复用、组件库、组件 华中科技大学硕士学位论文 a 8 s t r a c t w j t l ld e v e l o p m e n to f o p e nc n c ( c o m p u t e r n u m e r i c a lc o n t r 0 1 ) s y s t e ma n ds o f t w a r e t e c h n o l o g y , t h es o f t w a r er e u s ei sa p p l i e dt oc n cs y s t e m t h a ti s ，t h ei n d i v i d u a lf u n c t i o no f t h ec n c s y s t e mc a n b er e a l i z e db yr e u s a b l ec o m p o n e n t s ，s ot h ec n c o p e nr e q u i r e m e n t sc a l l b es a t i s f i e d 。a n dt h ed e v e l o p m e n to f c n cs o f t w a r e nb em o t ee f f e c t i v ea n dr e l i a b l e b a s e do na n a l y s i so ft h eo p e nc n cs y s t e m ，o o p ( o b j e e to r i e n t e dp r o g r a m m i n g ) m e t h o di su s e di nt h er e s e a r c ho f c n c c n c a p p l i c a t i o ns o f t w a r e i sp r o p o s e dt ob em a d e u p o fs o f t w a r em o d u l e sw h i c hr e p r e s e n tl o g i c a li n d e p e n d e n tf u n c t i o nu n i t s a f t e rr e s e a r c hi n s o f t w a r er c t l s e ，i t sp r o p o s e dt oa p p l ys o f t w a r er e u s ei nd e v e l o p m e n to fc n c a p p l i c a t i o n s o f t w a r e t h ed e v e l o pf l o wa n dr e a l i z a t i o no fc n c c o m p o n e n t sa r ei n t r o d u c e d ，a n dat o o l c o m p e n s a t i o nc o m p o n e n t i sd e v e l o p e db a s e d0 1 ic o m ( c o m p o n e n t o b j e c tm o d e l ) i nt h i st h e s i s ，ad a t a b a s ei su s e dt om a n a g et h er e u s a b l e p a r t so f c n c s o f t w a r e ac n c c o m p o n e n t sl i b r a r ya n d i t sk e y p r o b l e m s ：t h ec l a s s i f i c a t i o na n d r e t r i e v a lo f c o m p o n e n t s a r c d i s c u s s e d n ec h a r a c t e r i s t i c so fk e yw o r d sc l a s s i f i c a t i o n 、e n u m e r a t i v ec l a s s i f i c a t i o na n d f a c e t e dc l a s s i f i c a t i o na r ea n a l y z e d t h en m ma g i l ea n da c c u r a t ef a c e t e dc l a s s i f i c a t i o ni s p r o p o s e d t o c l a s s i f y t h ec n cc o m p o n e n t s t h es i g n a t u r e m a t c h i n g i si n t r o d u c e di n c o m p o n e n t sr e t r i e v e ，a n dt h ee v a l u a t i o nm e c h a n i s m a n dv o c a b u l a r yc o n t r o la r ep r o p o s e dt o b ef u u n d e di nc n cc o m p o n e n t sr e t r i e v e t h ew o r k i n gw i n e i p l eo fc n cc o m p o n e n t sl i b r a r yi nt h ei n t e g r a t e dd e v e l o p m e n t e n v i r o n m e n ti sd e s x i b e d ，a n dac n c c o m p o n e n t sl i b r a r yi sr e a l i z e db a s e do nt h ec u r r e n t d b m s ( d a t a b a s em a n a g e m e n ts y s t e m ) k e y w o r d ：o p e n c n c s y s t e m ，s o f t w a r er e u s e ，c o m p o n e n t sl i b r a r y , c o m p o n e n t 华中科技大学硕士学位论文 1 1 课题概述 1 1 1 课题来源 1 绪论 本课题来源于国家科技攻关项目：数控系统开放平台及数字驱动单元- 玎发( 编号： 2 0 0 1 b a i l i c ) 。 1 1 2 课题意义 传统的数控系统是在专用硬软件结构的基础上实现的，是面向过程的专用数控系 统，不仅软件所依赖的硬件结构无标准可言，软件结构也是五花八门。由于专用数控系 统有不同的硬件和软件结构，便表现为不同的操作风格、编程格式和不同的对外通信接 口及协议，不仅给系统的设计者带来不便，也给系统集成髑和最终用户在使用中带来了 许多麻烦。这种系统的软件结构不仅与硬件结构有关而且还与软件本身的数据结构直 接有关，数据结构的变化会直接影响到软件结构。在软件中程序与数据结构相分离，在 软件设计时，针对不同功能的机床如车、铣、刨床，出于被控对象的变化引起数据结 构的变化时，软件结构必须进行相应的修改，这样就给软件的设计、维护和升级换代带 来了极大的困难。在系统添加新功能或_ 丌发新系统时，可能需要重新开发，大大增加了 开发人员工作量直接影响到了数控软件的产业化生产及发展。 本文研究将软件复用技术应用于数控系统豹开发中，通过对数控系统体系结构分 析，将数控系统划分为不同的功能模块并在数控软件模块的设计中，充分利用面向对 象的程序设计技术，使得模块封装内部数据，各模块之间耦合度尽量减小。通过这种方 法丌发出来的数控系统，具有以下特点： i 其应用软件与底层系统软硬件支撑无关，可直接描述客观现实，是模块化、可重 用和可维护性好的软件。这种软1 i _ i = 的模块之f , j i - i j 以进行! i ：操作，以便不同的系统厂家、 不同的软件设计人员，为统一的被控对象，针对不同的运行环境并行玎发系统的应用 软件。 华中科技大学硕士学位论文 2 具有标准化联网通信接口和协议，可在原来基础上加入新的控制策略方案和扩展 新功能，也就是能够进行快速的系统集成。 3 具有标准化的人机界面、能够保证系统的操作风格及编程格式相互兼容。 本课题在讨论软件复用技术的基础上研究丌发一个数控组件库，即利用数据库 技术来管理和存储来自不同开发人员和丌发单位研制的可复用的数控软件使得设计 者、供应商和最终用户不必“从零开始”而可以在已有的数控软件基础上设计、集成 新系统，集众家之所长，实现模块可替换、结构可重组、功能可重塑的开放式数控系 统，并大大提高数控系统软件开发的效率和可靠性。 1 2 软件复用技术发展概况 随着i t 行业的迅猛发展，软件的生产规模越来越大，降低软件开发费用、提高软 件开发效率、改进软件开发质量并保证软件开发的一致性变得越来越难。造成这种现象 的一个重要原因就是软件开发有大量的重复性工作，在对相似或相同的系统进行开发 时以前的成果和经验没有得到充分的利用。 根据北大西洋公约组织( n o r t ha t l a n t i ct r e a t yo r g a n i z a t i o n ，n a t o ) 制定豹关 于软件复用的指导性标准，软件复用是指在一个新的语境中( 同。个系统的其它地方或 另一个系统中) 使用已有的软件组件。软件的可复用性是指软件组件的可以被复用的程 度或范围。遵循一个适当的设计和编码标准将增强组件的可复用性。 计算机软件也经历了从程序设计、软件丌发、工程化思想以及今天的产业化发展等 内容和层次都不断提高的发展阶段。在1 9 6 8 年n a t o 软件工程会议上，首次提出可复用 库的思想。1 9 8 3 年f r e e m a n 又进一步拓展了软件复用的概念，指 i 可复用的软件耋h 件 不仅可以是源代码片断，还可以是模块、设计结构、规格说明和文档等”3 。而可复用库 则是软件复用技术的更高层次。 m i c r o s o f t 公司的m f c ( m i c r o s o f tf o u n d a t i o nc l a s s ) l i b r a r y 是一个基本类库 其中的每一个基本类都是。个可复用成分，是典型的软件复用技术的使用。类似的软件 复用在软件开发中的应用还有b o r l a n d 公司的对象窗口库( o b j e c tw i n d o w si i b r a r y ) ， 这些库中的对象都是程序开发人员在长期的开发工作中编写的一些具有确定功能的u 复用软件模块，当用户需要在程序中实现该功能时不必重新编写代码，可以直接使n 这 2 华中科技大学硕士学位论文 复用软件模块当用户需要在程序中实现该功能时不必重新编写代码，可以直接使用这 些软件模块，从而大大提高丌发效率并减少软件开发中的错误。 在美国军方与政府资助的项目中，已建立了若干组件库系统，如c a r d s 、a s s e t 、 d s r s 等。由d a r p a 发起，由美国军方、s e i 和m i t r e 支持的s t a r s 项目在此基础上考虑 了开放体系结构的组件库之间共享资源和无缝操作的问题并于1 9 9 2 年提出了歼放系 统结构的组件库框架( a s s e t1 i b r a r yo p e na r c h i t e c t u r ef r a m e w o r k ，a l o a f ) 。 在国内，软件复用技术也开始受到熏视和发展，北大青鸟工程是在国家支持下的重 点科技攻关课题，其针对软件工业化生产的需求，采用面向对象技术，支持以软件复用 为基线、基于“构件一构架”模式的软件工业化生产技术，其开发的青鸟i 型( j b 3 ) 系 统的核心是一个构件库系统j b c l ( j a d eb i r dc o m p o n e n tl i b r a r y ) 。j a 3 作为一个支持 复用的软件开发环境构件的有效管理和查询是关键青鸟构件库系统用于对可复用构 件进行描述、管理、存储和检索，以满足基于“构件一构架”复用的软件开发过程的需 要。它以青鸟构件模型为基础，建立青鸟构件库数据模型，并与其他c a s et 具相结合， 支持构件的生产、描述( 使用青鸟构件描述语言j b c d l ) 、分类、存储、查询和复合。 1 3 数控系统功能的软件化发展 最早的数控机床使用硬线数控装置，它的输入处理、插补运算和控制功能都由专用 的固定组合逻辑电路来实现不同功能的机床，其组合逻辑电路也不相同。改变或增减 控制、运算功能时，需要改变数控装置的硬件电路。因此通用性、灵活性差，制造周期 长成本高。 随着超大规模高可靠性集成电路的发展和微型计算机豹出现，数控机床r 丌始使用计 算机数控装置( c o m p u t e rn u m e r i c a lc o n t r o l ，c n c ) 。1 9 7 0 年在芝加哥展览会上首次 展出了c n c 数控系统。当时的c n c 是由小型机组成的。与此同时，英特尔公司发明了微 处理器。1 9 7 4 年美、r 等国相继研制出以微处理器为核心的c n c ，并得到了飞速的发展。 以微处理器为核心的c n c 采用存储器晕的程序完成数控功能，其全部或部分控制功能山 软件实现，完成管理和控制两种工作。管理工作包括输入、i o 处理、通信、显示和渗 断等。控制工作包括译码、刀具补偿、速度处理、插补、位置控制等。这种数控装置修 华中科技大学硕士学位论文 改或增减系统功能时，不需要变动硬件电路，只需变动系统软件具有一定的灵活性。 根据目前开放式数控系统的研究进展及对相关技术发展态势的理解，以应用通用计 算机技术( 特别是p c ) 为主要特征的_ 丌放式数控系统，从实现技术上看将会经历以 下几个开放程度由浅入深的发展阶段： 第一阶段，在专有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) 和专有的数控软件( 通常难以区分系统软件和应用软件) ； 第二阶段系统硬件采用p c 加相应的控制模板和专有的数控软件( 通常可以区分 系统软件和应用软件) 。 第三阶段，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， 运动控制器通常由以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( 数控语言解释器从机界面等) 以p c 为计算平台，是主流操作系统( 例如w i n d o w s n t ) 之上的标准应用并支持用户定制。 第四阶段在第三阶段开放系统基础上，运动控制( 包括轴控制和机床逻辑控制) 器 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，这类系统已完全是运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”。 第五阶段在第四类开放系统基础上体系结构面向对裳，各功能部件支持网络分粕 主要核心部件支持即插即用( 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。 以上第一、：、三阶段丌放系统只是对系统的人机界面等非实时控制部分实现了开 放某些丌放性较好的第三类系统也只支持用户通过标准接口对系统控制核心的有限访 问。按照我们埘外被式系鱿的分类，哉们认为第四炎系统将魁j r 放式数控系统的个 i i 程碑。这类系统支持运动控制策略的用户定制体现了一种核心级的开放思想，从第姻 类系统) i ：始，数控系统将进入“先仝j l ：被”时 。 在第三阶段系统基础上由于处理机技术进步的摩尔效应，使得以硬件方式出现的 运动控制器部件，在可预见的时f l j j 内，完全可以用应用软件的方式来- 实现。“ 二】：处i 翟机 华中科技大学硕士学位论文 性能的同新月异和操作系统技术的不断进步，这种“硬件功能软件化”不仅不会导致任 何系统性能损失，而且软件实现的灵活性和硬件平台无关性将有利于系统实现更深入的 开放性和系统性能的快速增长，这也f 是“软件数控”的基本思想。也正是由于数控系 统功能的“软件化”，使得软件复用技术得以在系统开发中得到应用，数控系统开发效 率和性能也由此而得到大大提高。 ，1 4 本论文的主要工作 本论文的主要工作如下t 1 研究了国内外开放式数控系统的概况、动杰和趋势，分析了开放式数控系统体系 结构。在此基础上，将面向对象的分析方法运用在数控系统开放性研究中提出由不同 的代表逻辑上独立的功能单元的软件模块结构对象( a r c h i t e c t u r eo b j e c t ，a 0 ) 组成数 控应用软件。 2 在分析了数控系统开放性并研究软件复用技术后，提出将软件复用技术应用于数 控系统应用软件的开发上指出开发数控系统软件组件应遵循的原则。结合软件复用中 的组件技术，介绍数控组件的开发流程和实现方法，并开发一个基于组件对象模型 ( c o m p o n e n to b j e c tl b o d e l , c o m ) 规范的刀补处理组件。 3 研究了在建立组件库过程中的若干关键问题：组件的分类和检索。深入分析了关 键词分类、枚举分类和刻面分类法的特点，提出在数控组件分类中采取更具灵活性和精 确性的刻面分类法。研究了在组件检索时的匹配方法并提出建立相应的评估机制。 4 描述了具有检索评估机制的组件库系统在数控系统开发平台中的工作原理。并利 用现有的数据库管理系统来实现数控组件库的功能并开发出一个组件岸系统实例来实 现对组件的管理。 华中科技大学硕士学位论文 2 开放式数控系统结构分析 2 1 国内外开放式数控系统发展概况 2 1 1 国外发展概况 “丌放式结构控制器( o p e na r c h i t e c t u r ec o n t r o l l e r ) ”的概念第一次出现在1 9 8 8 年前后。1 9 8 7 年美国冒防部开始了“下一代工作站机床控制器( n e x tg e n e r a ti o n w o r k - s t a t i o n m a c h i n e c o n t r o l l e r ，n g c ) ”计划1 9 9 0 年又启动了o a s y s 项目作为c 的后续工作。1 。其后许多关于开放式系统结构的研究计划在世界各地相继启动其中影 响较大的有美国的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 ) 、欧洲的o s a c a ( o p e n s y s t e ma r c h i t e c t u r ef o rc o n t r o lw i t h i na u t o m a t i o ns y s t e m s ) 和日本的o s e c ( o p e n 【 s y s t e me n v i r o n m e n tf o rc o n t r o ll e r ) 等。1 9 9 6 年，o p c ( o l ef o rp r o c e s sc o n t r o l 过程控制中的对象链接与嵌入技术) 基金会制定的工业标准o p c 规范也为开发丌放式工 业控制系统创造了更便利的条件。 1 n g c 的体系结构如图2 1 所示，是在虚拟机械的基础上建立起来的，通过虚拟 机械把子系统和模块链按到计算机平台上。n g c 计划的目标在于对工业应用( 如机床) 提供功能性和服务性的定义，最终以“开放式体系结构标准规范”( s p e c i f i c a t i o nf o r a no p e ns y s t e ma r c h i t e c t u r es t a n d a r d s o s a s ) 和“设计人员指南”一起为开发 过程提供符台n g c 规范产品所需的信息。n g c 计划于1 9 9 4 年完成了厘型研究。 2 其后美国豹f o r d 、g m 和c h r y l e r 等公司，在c 计划的指导下，联合提出了更 进步的o m a c 开发计划并成立0 m a c 组织“1 。目前已经具有8 0 多家研究机构、9 家 o e h l ( o r i g i n a le q u i p m e n tm a n u f a c t u r e ) j1 6 家用户参与该组织，主要取得以下成就： ( 1 ) 定义了标准化豹训a ca p i 使得用户可以充分发挥自己的主动性，装入自己 的所需的特殊功能。 ( 2 ) 利用w i n d o w s 操作系统可以充分利l 4 现有的个人计算机资源如c a m 等。 ( 3 ) 以实时操作系统为核心，提供高性能的控制功能。 6 华中科技大学硕士学位论文 l 昌昌昌；盲= 篁瞄篁昌暑罱昌号产昌昌昌盘蛊蕾蕾昌昌眚昌昌篇昌昌昌号= ；昌= 昌昌盲雹宣篁= 皇喾篁昌芦篇昌昌高= 罱昌昌；昌： ( 4 ) 利用实时数掘库，可实现数据传输的高效、便携化。 i | - 算机平台 虚拟机械 t 作站管理 国2 1n g c 系统体系结构 ( ) l a a c 将制造控制系统分为系统基础框架、信息库管理、任务调度、人机接口、运 动控制、传感器接口等模块提出了由基类、模块、系统结构设计和系统详细设计等组 成的“参考模型”。其目的是使系统制造厂、机床厂和最终用户分别从缩短- 玎发周期、 降低丌发费用、便于系统集成和二次开发、简化系统使用和维护等方面受益。 3 1 9 9 2 年5 月，欧洲的德、法、意等国正式启动了o s a c a 项目。o s a c a 参照丁放式 系统及其互连模型提i i l 了一个“分层的系统平赍+ 结构化的功能啦元”的体系结构。 保证各种应用系统与操作平台的无关性如图2 2 所示。该项目已进入第三阶段主要 取得下述成果： 。 ( i ) 定义了中性的( 即不依附于任何厂家舶) 开放性自动控制系统舶基率规范。 ( 2 ) 拟订了中性的可适用于数控系统、机器人、可编程逻辑控制器和单元控制器 的统一的参考结构。 ( 3 ) 丌发了第一批示范性的应用软件模块( 0 s a c aa p i ) 。 玎放盹明确规定了不同的丌放层次；庸用联j 1 ：放、核心膳肝放( ! j ( 1 s c 部仆旅存) 和全部”放( 与o s a c a 全部燕容) 。o s a c a 的软件皇占构中肯3 个l - 篮f i t j 戍部分：迎信系 统( c o m m u n i c a t i o ns y s t e m ) 、参考体系结构模型( r e f e r e n c ea r c h i t e c t u r em o d u l a r ) 和配置系统( c o n f i g u r a t i o ns y s t e m ) m 。 7 华中科技大学4 硕士学位论文 蛾站棚对曩 幽2 2o s a c 系统体系结构 在o s a c a 定义中的开放式控制系统，是由逻辑上独立的应用模块 0 组成的，模块 以及模块与o s c a 定义的平台之间的接口，允许米自不同厂家的构件能够协调操作，形 成在各种平台上运行的完整控制，并对操作人员和别的自动控制系统呈现兼容性的界 面。 从o s a c a 给出的- 丌放式控制系统的定义中，可以看出：应用模块与应用模块之间的 互操作性；应用系统与运行平台之间的无关性，即可移植性；允许用户增加或减少控制 系统性能和功能的可仲缩性和应用模块的互换性等构成了0 s a c a 定义中的歼放式控制 的特征。 4 同本于1 9 9 5 年幽丰用、三菱等1 4 家企业联合进行了0 s e c 系统丌发，主要取得 以下成就1 ： ( 1 ) 提出了开放性数控系统的参照模型并将其具体化为实例模型。 ( 2 ) 开发了基于p c 的人机接口系统。 ( 3 ) 提出并开发了新的n c 语占o s e l 。 ( 4 ) 丌发了用于帆脒控制的接n ( o s e ca p i ) 及语言处理器。 o s e c 计划的目的是丌发基于p c 机平台、具有高性能价格比和丌放式体系结构的新 一代数控系统以适成迅速变化的市场需求。在硬件方面，o s e c 采用i ) c + 控制一( 将 n c 专j | 卡插到p c 机i 一) 的结构有利于层次化、模块化、灵活配簧的实现；札系统靠 面，o s e c 采用功能层次( f u n c t i o n a ll a y e r s f l ) 为基础的- 丌放式平台如图2 3 所示。 华中科技大学硕士学位论文 圈2 ，3o s e c 开放系统体系结构 j 5 o p c 规范是由o p c 基金组织倡导的，工业控制和生产自动化领域中使用的软件和 硬件的接口标准。它是由全世界范围内自动化领域中处于领导地位的软件和硬件丌发商 在m i c r o s o f t 的协作下制定的难在事实上成为公认的工业控制界的软硬件接口的标 准，它基于m i c r o s o f t 的o l e c o m d c 删技术，可实现工业自动化系统中软件的互操作 和无缝集成，以及现场监测、控制设备的即插即用。因此基于c 0 m 技术和o p c 规范来进 行开放式数控系统研究是条可行的技术途径“”。 o p c 规定了自动化应用中使用的一整套的接口、属性和方法的标准，包括不同过程 控制设备交互的统一的接口。， o p c 的结构是客户机服务器模式，各个o p c 客户程序通过o p c 标准接口对各个 o p c 服务器管理的设备进行操作，而不需关心服务器实现的过程以及设备内部的具体细 节。服务器组件提供并管理那些到o l ，c 对象的接口。o p c 规范通常包括两套接ii ：定制 9 华中。科技大学硕士学位论文 接口和自动接口，规范详细说明了这些c o w 接口。o p c 服务器具体实现接口所提供舶功 能，并且通过o p c 接i z l 开放给外部程序。图2 4 为o p c 接口、o p c 服务器和o p c 客户机 应用的联系。 lc ”客户应心k 。r c 埏制接口 0 p c 艘件设备i雎 ： ，r 发商逻辑 ) l 务 lv b 客户应用 ( o p c 自动接口 j 器 l 凰2 4o p c 接口、o p c 服务器与o p c 客户 以前在对过程监控系统的软件和硬件进行设髯时，由予各个不同的软件来自不同的 歼发商，对同一设备往往有不同的相互独立的驱动程序，不但各软件之间不能相互通信 而且多个软件也不能同时对一个设备存取数据同时，一个设备升缴则要求对该设备的 所有驱动程序都进行升级。因此系统软硬件耦合性很大，不利于系统的维护。 幽2 5o p c 系统中舶软硬f l ：数世 在o p c 规范下，过程监控的硬件和软件配簧如图2 5 所示。硬件丌发商只需要开发 出符合o r c 规范的驱动程序( a p 图中的服务器) 就可以了。这个服务器可以为所有支持 o p c 规范的客户程序所用，而且能即插即用( 这也是o p c 最重要的设计目的) 。系统可以 很方便地进行修改和升级所有软件也都可以与提供o p c 服务器的设备进行数据交换。 基于o p c 规范的丌放式数控系统的芏婪优点有： ( 1 ) o p c 规范本身是丌放的，以此为基础的j f 放式结构的数控系统容易实现其j 下 放的目的； 0 华中科技大学硕士学位论文 ( 2 ) 具有广泛的软硬件厂商的支持，特别是有在p c 机操作系统及应用软件上占领 导地位的m i c r o s o f t 的支持软硬件资源丰富，可以很好地解决其兼容性问题； ( 3 ) 0 l e c o m d c 伽技术使得其容易实现即插即用； ( 4 ) 采用组件和客户机服务器机制体系结构简单、紧凑、高效，可扩展性 强； ( 5 ) 山组件构造系统。符合软件发展的方向，可较好地解决开放与知识产权保护 的矛盾。 2 1 2 国内发展概况 近年来，我国相继开发出了几种型号的数控系统，包括有华中科技大学开发的华中 i 型、北京航空航天大学推出的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 “) 系列产品。这些数控系统的太部分产品基本都采用1 6 位或3 2 位的工 业p c 机，以d o s 为其操作系统，具有一定的开放性，但基本上还不具备- 丌放式控制系 统的本质特征。 如图2 6 所示为华中l 型数控系统的软件平台，其中r t m 模块为自行开发的实时多 任务管理模块。负责c n c 系统的任务管理调度。n c b i o s 模块为基本输入输出系统，管 理c n c 系统所有的外部控制对象，包括设备驱动程序管理、位置控制、p l c 的调度、插 补计算以及内部监控婷。r t m 和n b c b i o s 两个模块合起来统称为n c b a s e 。实线以上的部 分为过程控制层软件，包括编辑程序、参数设置、译码程序、p l c 的状态显示、m d i 、 故障显示等与用户操作有关的功能子模块。对于不同的数控系统。其功能的区别部在这 一层。系统功能的增减也均在这一层进行，各功能模块都可以通过n c b a s e 和n c b i o s 与底层进行信息交换，从而使该层的功能模块与系统的硬件无关。这便是该系统具有r 歼 放性和可扩充性的关键所在。 北航开发的c h - 2 0 i o m o n c 在w i n d o w s3 2 9 5 或环境下运行，具有o s a c 结构中的 系统软件与应用软件之浏的丌放接口，允询：用户在w j n d o w s 环境下丌发各种应用程序或 直接运行各种w i n d o w s 应用程序。随后丌发出基于w i n d o w s 9 5 n t 的丌放式数控的实验 平台o n c t 系统目前还仅用于研究目的。 华中科技大学硕士学位论文 图2 6 华中i 型数拉系统软件缔构 北京航天数控集团提出“利用通用p c 机的体系结构建立开放式数控系统的硬件平 台选用公用的或无偿使用( 或自行开发) 的通用操作系统( 如l i n u x ) 为软件平台， 以利于开发我国独立自主的数控软件”，“在开放式数控系统平台的基础上，制定应用系 统的技术规范”，并“以车、铣为主开发典型开放式数控系统”“”。 上海交大开发了一种_ 丌放式d n c 系统平台并对其设计及开发方法进行了研究该平 台是一个支持复杂炜4 造环境下，企业实现工作站级自动化开发、集成、实施、应用、维 护和扩展的软件平台”岫；华中科技大学陈幼平、魏仁选等在开放式结构系统的建模、软 硬件平台和工具支持等方面进行了初步的研究并对基于软件芯片的开放式数控系统进 行了研究与实践，给出了面向对象c n c 软件的功能划分、基于p c 的_ 丌放式数控平台的 结构和软件芯片集成环境体系结构“”。张正勇、熊清平等对w i n d o w s 平台下丌放式c n c 系统进行了研究，其着重点在实时控制和任务的调度方面“。 2 2 开放式数控系统的特性分析 开放性需求分析涉及到面向对象的分析( o o a ) 面向对象的分析是针对传统的 面向过程的分析、结构化分析及设计中存在的程序结构中代码与数据分离提出来的是 华中科技大学硕士学位论文 将数据和代码统一在一种内嵌有与之相关函数的数据结构之中，解决现代面向客观事物 进行编程的方法。这里客观事物就是对象，具有共同属性、共同操作的对象的集合就是 类，或者随：类是一种对象的类型。为此，我们可以这样描述类和对象之自j 的关系类 是指具有自己的特征( 属性) ，行为和动作( 事件) 以及相关过程的一种客观事物的抽 象，而对象则是这种抽象中豹一种实例。例如，h n c l t 数控车床，就是数控机床中的 一个实例。 对于软件而言，组成程序的基本单元，就是对象的类，而类则是包含有数据和代 码的一种新的程序类型，在开放式数控系统中我们把它称之为结构对象( 实为对象类 型) 。具体而言，在面向对象的分析中，代表一个逻辑上独立的功能单元的软件模块是 一种对象的类型，而这个软件模块中的基本单元就是对象。例如，在开放式数控系统结 构对象中的一个带有自己数据的函数或通信模块，就是对象。面向对象的分析就是建 筑在类的基础上进行的。 只有在建立了明确的面向对象概念的基础上，才能够利用面向对象的分析确定 应用系统中的结构对象及属性，定义操作，建立结构对象之间的通信，最终完成结构对 象的定义。 2 2 1 结构对象之间的互操作性 数控系统同其它的应用系统一样，是由不同的代表逻辑上独立的功能单元的软件模 块( 结构对象) 组成的完整控制系统，其必然涉及到软件模块之间的交互作用的能力这 就是结构对象之间自嗵操作性。 要实现结构对象之间的互操作性必须有标准的对外的通信接i e i 和与之相适应的通 信系统。结构对象的对外通信接口，在实现对外通信的同时还对结构对象内部的数据结 构实现隐藏。 在结构对象的对外通信接口中，不仅要有适应不同功能的通信对象，例如访问数掘 的变量对象、处理结构对象中状态的过程对象、当变量对象和过程对象发生变化时发通 报的事件对象以及处理通信事务的处理对象而且还应具有管理这些通信对象的通信对 象管理器，它负责结构对象内部的通信连接，提供相应的内部通信机制，保证提供服务 的通信对象及时提供服务要求服务的通信对象得到服务等。 华中科技大学硕士学位论文 结构对象的通信接1 ：3 ，为结构对象之问的交互作用奠定了基础，只要在结构对象之 间建立起通信连接，就能实现结构对象之间的互操作性。 在结构对象中的通信对象管理器是开放式数控系统中通信系统的一部分，它实现了 结构对象与开放式数控系统应用编程接口之阃的先进连接。 2 2 2 结构对象与运行平台的无关性 。结构对象与运行平台的无关性是指结构对象可以运行在不同系统厂家提供的不同 的运行平台上，实现结构对象之间以及结构对象与系统平台之间韵交互作用。这就涉及 到开放式数控系统中的应用编程接口问题。 开放式数控系统应用编程接口是系统软件平台的一部分，它在底层系统软件的基 础上提供了通用的应用编程接口与结构对象中的通信对象管理器一起构成了开放 式数控系统中舶通信系统。通过开放式数控系统应用编程接口，不仅实现了结构对象与 系统平台的无关性而且也保证了结构对象之间的互操作性。 2 2 3 人机界面及对外通信接口和协议的一致性 人机界面及对外通信接口和协议的一致性，是指操作风格和编程格式的一致性及对 外通信接口和协议的标准化问题。 为了解决人机界面中操作风格和编程格式的一致性除了依据设计标准的结构对象 外，还应提供人机接口的基本框架，利用此基本框架的基本属性。保证操作风格和编程 格式的一致性。 为保证对外通信接口和协议的标准化，需要提供标准的接口和协议，例如t c p i p 协议p r o f i b u s 和s e r c o s 等。 2 2 4 应用编程接口a p i 开放式数控系统a p i 应由其实体和接口两部分组成，a p i 向上对结构对象提供标准 的面向应用的接口( 系统中定义的接口) 向下则依据不同的操作系统用不同的接l _ 】实 现连接。开放式数控系统a p i 提供三种通信方式，除提供本地结构对象( a o ) 之削的直接 华中科技大学硕士学位论文 通信外，还应提供实时非实时系统调用时的通信。 开放式数控系统a p i 针对不同的通信，提供面向应用的服务，以此来对应结构对象 之间的通信和不同的系统调用。 a p i 应依据所选择的通信模型，确定通信方式，并为实现通信和服务，确定自己的 管理。在通信过程中由于信息的长短不同数据结构的不同等，还应考虑消息的打包 和拆包以及数据转换等。 2 3 开放式数控系统体系结构 通过研究国内外开放式数控系统的体系结构，本文提出以模块化的软件对象组合成 数控系统应用软件，通过应用编程接口运行于操作系统之上。其参考体系结构如图2 7 所示； 数控应用较件( a o s ) + 一开发集成环境l jjl 软件 应用犏程接口( p i ) 平台 操作系统 系统 r设备驱动程序 平台 硬件 数控专数控通p c 机基 平台 用硬件_ 【i j 硬件本配篁 1 幽2 7 开放式数控系统参考体系结构的层砍模刑幽 丌放式数控系统的体系结构由四层组成：即由硬件平台、系统软件、应用编程接口 和数控应用软件组成。 由硬件平台、系统软件和应用编程接口构成了开放式数控系统的运行平台由i 丌发 和集成环境丌发的开放式数控应用软件经编译、键接、配置后在其上运行，从而构成 不同品种、不同档次、不同性能的适应不同被控对象的数控系统。 硬件平台p c 机基本配置包括c p u 、计算机主板、系统总线、内存、外存、显示器、 显卡、网卡等硬件。数控通用硬件包括位置控制接口和对设备动作进行“顺序控制”的 设备辅助控制接口等后者可以为简单的i o 接口板或p l c 。数控专用硬件是实现用户 特定功能要求的硬件设备，如：仿形数控铣床中所需的仿形控制器，激光切割机中实现 华中科技大学硕士学位论文 1 i i ii i l _ l _ _ - l i i l _ _ _ _ _ _ l l _ _ _ i _ - _ _ _ _ i - - i 自_ _ i 目_ j 目_ _ - _ - _ l _ _ _ _ _ - _ _ _ j i _ - _ _ _ e 目目_ 焦点自动跟踪功能的z 轴浮动控制器，刀具监控系统中的信号采集器。 操作系统通过调用设备驱动程序控制各设备。只要硬件生产厂商开发出符合规范的 设备骀动程序，则在更换或添加设备时，只器安装该设备韵驱动程序，系统无锈改动仍 可运行。 2 。4 本章小节 本章研究了国内外开放式数控系统的概况、动态和趋势分析了开放式数控系统体 系结构。在此基础上，搀蘧向对象分折方法运用在数控系统开放性研究中，提出由不 同的代表逻辑上独立的功能单元的软件模块组成数控应用软件，分析结构对象之蒯的互 操作性、结构对象与运行平台的无关性、人机界面及对外通信接口和协议的一致性。 1 6 华中科技大学硕士学位论文 3 软件复用技术在数控系统开发中的应用 3 1 软件复用的内涵和意义 3 1 1 软件复用技术概述 软件复用( s o f t w a r er e u s e ) 又称软件重用，是指开发软件时利用现成的软件模块来 生成新的应用软件。该软件可能是已经存在的软件。也可能是专门设计的可复用软件。 其中，可复用的现有软件成分，即复用成分是软件复用技术的核心。 、 根据复用范围而言，分为垂直复用和水平复用。垂直复用指在一个确定的专用领域 内的复用它的目标是推导出系统的一般模型，以用作装配新系统的模板水平复用则 在不同的应用领域中使用一般化的复用成分 根据复用的成分，软件复用可以分为：复用代码、类库、基于组件的软件开发、复 用设计、复用规范说明。 ( 1 ) 复用代码：从已有的程序中抽取部分或全部代码，进行修改后重用在另个 程序中或者共享可重用代码的程序库，这些程序具有特定的应用功能。这种方法是编 程人员经常用到的代码重用依赖于语言、操作系统和应用项日。因此代码级的重用是 很有限的。 ( 2 ) 类库t 类库与库函数一样，都是经过特定开发语言编译后的二进制代码或源 代码。类中包含了一定的数据和函数它与函数库的区别主要表现在继承、封装与派生 上。 ( 3 ) 基于组件的软件丌发；基于组件的软件开发是指采用可复用组件来开发应用 程序。 ( 4 ) 复用设计模型：软件的设计写实现是两个不同的阶段对于同一个软件的设 计，可以采用不同豹设计方法这罩的设计是可复用的。 ( 5 ) 复用规范说明：是指基本需求不发生改变，或者是其中一新问霹与过去的某 软件在某种抽象层次上属于同一类，因此可以使用或参照原规范蜕明。在霈求发生非本 华中科技大学硕士学位论文 _ _ _ l 目目_ _ _ _ _ _ _ l _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ - _ _ - l _ _ = = _ j ；_ _ _ _ _ _ 目_ _ _ _ i _ i i _ _ - l - l ，- _ l i - l _ _ _ _ i - 质变化的情况下以规范说明为基础重新设计，或在原软件同构的情况下开始新的设计。 软件复用包括复用成