（物理电子学专业论文）嵌入式linux在激光打标控制系统中的应用研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 r 目前，激光打标控制系统的实现主要有p c 机控制、p c 机和单片机混合控制两种。 、 基于这两种方法都存在各自的优点和缺陷，我们提出了一种p c 机和p c 1 0 4 相结合的 嵌入式激光打标控制系统。该系统的优点是相对于p c 机控制系统，嵌入式控制模式 不需要为每台打标机配备一台p c 机，可以多台打标机共享一台p c 机，因此大大降 低了成本：相对于p c 机和单片机混合控制系统，嵌入式p c 1 0 4 控制模式可以实现一 些复杂的图形算法，提高打标的精度，此外还可以利用p c 1 0 4 丰富的通讯功能，实 v 现对激光打标系统的远程控制。j 本文首先从控制系统的实时性、多任务调度等方面，分析了现有控制系统软件平 台的不足，讨论了基于嵌入式实时l i n u x 平台开发激光打标控制软件的优势。研究了 对通用l i n u x 系统进行嵌入式实时化改造的途径，并采用添加r t l i n u x 内核的方法对 l i n u x 进行实时化改造。最后对整个软件系统的具体实现进行了详细介绍，并介绍了 图形打标处理算法、与p c 机的数据交换、网络通讯，并提出了值得改进的方面。 本文的创新点在于在激光打标机的控制软件的实现上采用了嵌入式实时l i n u x 系 统，为激光打标控制软件的实现提供了一条新的思路。采用嵌入式实时系统来实现激 光打标控制软件，可以更好的实现对激光打标过程中激光束与工件的作用时间的精确 控制。同时利用l i n u x 系统丰富的网络通讯能力，实现对激光打标系统的基本网络控 制能力。 关键词：l i n u x 激光打标嵌入式实时系统图形处理 i 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t a tp r e s e n t ，l a s e r - m a r k i n gc o n t r o l l e rm a i n l yh a st w oc o n t r o lm o d e s ，o n ea d o p t sp c c o n t r o l ，t h eo t h e ra d o p t sp c a n ds c m ( s i n g l ec h i p m i c r o c o m p u t e r ) m i x e d c o n t r 0 1 b e c a u s e o ft h e a d v a n t a g e sa n dd e f e c t s 、i t l l e a c hm e t h o d ，w ec o m eu p 、v i t l lae m b e d d e dl a s e r m a r k i n gs y s t e mc o n t r o l l e db yp ca n dp c 1 0 4 c o m p a r e dw i t i lm i c r o c o m p u t e rc o n t r o l s y s t e m e m b e d d e dc o n t r o l m o d en e e d n te q u i pe v e r ym a r k i n gm a c h i n ew i m ac o m p u t e r , s e v e r a lm a r k i n gm a c h i n e sc a ns h a r eo n ec o m p u t e r , w h i c hd e c r e a s e st h ec o s tg r e a t l y ； c o m p a r e dw i t hp ca n ds c m m i x e dc o n t r o ls y s t e m ，t h ee m b e d d e dp c 1 0 4s y s t e mc a r l i m p l e m e n t s o m e c o m p l i c a t e dg r a p h i c sa l g o r i t h m s ，i n c r e a s e t h e m a r k i n gp r e c i s i o n f u r t h e r m o r e ，t h er e m o t ec o n t r o lo ft h el a s e rm a r k i n gs y s t e mc a l lb ei m p l e m e n t e db yt h e n e t w o r kc o m m u n i c a t i o n p o w e r o f t h ep c 1 0 4 f i r s t ，t h i sp a p e ra n a l y s e st h ed i s a d v a n t a g eo ft h es o f t w a r ep l a t f o r mu s e db yc u r r e n t c o n t r o lm o d eo nr e a l t i m ea n dm u l t i t a s k s c h e d u l i n g ，d i s c u s s e s t h e a d v a n t a g e o ft h e d e v e l o p m e n to fl a s e rm a r k i n gc o n t r o ls o f t w a r eb a s e do ne m b e d d e dr e i l t i m e l i n u x t h e w a y t oi m p l e m e n tr e a l t i m ec o n t r o lu n d e rl i n u xs y s t e mi sr e s e a r c h e d ，a n dc o m et os o l u t i o n b y a d d e dt h er t l i n u xk e r n e l n e x t ，t h e g r a p h i cp r o c e s s i n g u s e di nt h i s s y s t e m i s r e s e a r c h e d ，a n dt h eg r a p h i cp r o c e s s i n ga l g o r i t h mu s e di nt h i ss y s t e mi si n t r o d u c e d a tl a s t ， t h ec o n c r e t ei m p l e m e n t a t i o no ft h ew h o l es o f t w a r es y s t e mi si n t r o d u c e di nd e t a i l ，a n dt h e i m p r o v a b l ea s p e c ti sg i v e n a d o p t e dt h ee m b e d d e dr e a l - t i m e l i n u xo p e r m i o ns y s t e ma st h ec o n t r o ls o f t w a r e p l a t f o r mi st h ei n n o v a t i o no f t h i sp a p e gan e w w a y i si n t r o d u c e di n t ot h ei m p l e m e n t a t i o n o ft h ec o n t r o ls o f t w a r ef o rl a s e rm a r k i n gm a c h i n e b yt h eh a r dr e a lt i m eo f t h i ss y s t e m ，t h e m o r ep r e c i s ec o n t r o lo ft h ea c t i o nt i m eb e t w e e nt h el a s e rb e a ma n dt h ew o r k p i e c ec a l lb e i m p l e m e n t e d f u r t h e r m o r e ，t h eb a s i cr e m o t e c o n t r o lc a nb ei m p l e m e n t e db yt h ea b u n d a n c e n e t w o r kc o m m u n i c a t i o n p o w e r k e y w o r d s ：l i n u x l a s e rm a r k i n ge m b e d d e dr e a l - t i m es y s t e m g r a p h i cp r o c e s s i n g 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 激光加工技术的发展现状 由于激光具有方向性好、高能量和单色性好等一系列优点，自6 0 年代初问世以 来，就受到科研领域的高度重视。激光技术推动了诸多领域的迅猛发展，应用范围越 来越广，在加工领域中的应用成果尤为显著。 激光加工技术是利用激光束与物质相互作用的特性对材料( 包括金属与非金属) 进行切割、标刻、焊接、表面处理、打孔及微加工等的一门加工技术。按光与物质相 互作用机理，大体可将激光加工分为激光热；b - t 和光化学反应加工两类。激光热加工 系指激光束作用于物体所引起的快速热效应的各种；b n t 过程；激光光化学反应加工是 指激光束作用于物体，借助高密度高能量光子引发或控制光化学反应的各种加工过 程，也称为冷加工。热加工和冷加工均可对金属材料和非金属材料进行切割、打孔、 刻槽、标记等。热加工对金属材料进行焊接、表面强化、切割均极有利；冷加工则对 光化学沉积、激光刻蚀、掺杂和氧化很合适【l 】。 激光加工技术是集光学、机械学、电子学、计算机学等为一体的高技术，是激光 应用最有发展前途的领域。目前已开发出2 0 多种激光加工技术，应用于各个新工艺 领域，如激光切割、激光打标、激光打孔、激光焊接、激光表面热处理、激光快速成 型、激光清洗、激光熔覆、激光光刻与存储等。激光加工技术的出现是对传统的加工 工艺和加工方法具有重大影响的技术变革，很快被广泛应用于汽车、电子电器、航空、 冶全、机械制造等国民经济重要行业，推动了工业的快速发展，并产生了巨大经济效 益【2 1 。 作为当代科学技术发展的主要标志和现代信息社会光电子技术的支柱之一，激光 技术和激光产业的发展受到世界先进国家的高度重视。目前，美国、日本、德国三个 国家激光产业的发展代表了当今世界激光产业发展水平。美国是世界上最早建立激光 加工站的国家，许多加工站建立于7 0 年代中期，1 9 9 3 年美国激光加工站已超过8 0 0 多个，欧洲激光加工站有9 0 0 余家，日本则有1 5 0 0 余家。1 9 9 6 年的结果表明，美国 激光加工站的年收入己逾6 0 8 0 亿美元，在美国激光加工站已超过1 7 6 5 家，这对于 华中科技大学硕士学位论文 在美国推广激光加工技术起着重要的作用。1 9 9 9 年美国激光加工站已增至2 7 0 0 家【2 1 。 近年来，国家对加工用大功率激光器的投入和攻关取得了一定的成果，激光器水 平有较大的提高；科研体制改革促进了科研向产业转化，形成了一些激光加工设备科 研和生产相结合的实体：地方和国家建立的激光加工研究和开发中心起到了示范作 用；在一些激光加工工艺研究如激光汽车缸体热处理、激光轧辊毛化等方面有突破性 的进展，推动了加工技术的推广：大功率激光器产品和技术引进生产，也为激光切割 应用提供了性能较好的基本设备：近年来工业技术改造和企业接受能力有所提高；另 外由于机床行业看好激光加工成套设备的市场，开始涉足激光加工业，它一方面表明 我国大功率激光器制造技术逐步成熟，开始获得机械制造业的认同而进入机械加工 业；另一方面机床行业的介入也会加快激光加工应用的发展。激光加工设备产量平均 每年以1 3 的速度增长，为传统产业的技术改造、提高产品质量解决了许多问题，如 激光毛化纤技术正在宝钢、本钢等大型钢厂推广，将改变我国汽车覆盖件的钢板完全 依赖进口的状态。目前，国内从事生产激光器及激光应用设备的单位约有1 0 0 多家， 主要集中在湖北、上海、江苏、北京和西安等地区。目前我国激光加工设备产业逐渐 走向成熟。激光标记机与激光焊接机的质量、功能、价格符合国内目前市场的需求， 市场占有率达9 0 以上。我国激光加工市场前景广阔，预计平均以每年2 0 3 0 速 率递增，但激光加工系统的可靠性、稳定性以及整体化、智能化、自动化水平与国外 差距较大，这是制约我国激光加工技术进一步发展的关键所在【3 _ 5 】。 1 2 激光加工技术的发展趋势 激光加工技术是对传统加工技术的革命，随着我国经济的迅速发展和产业的升级 以及激光技术的不断推广应用，激光产品将有非常广阔的市场前景。激光加工作为信 息时代的一种新型加工工艺，对提高产品质量、劳动生产率、自动化、无污染、减少 材料消耗等起到愈来愈重要的作用，既得到其它高新技术发展的有力支撑，又受到社 会经济迅速发展强烈要求的牵引，正保持着强劲的发展势头。预期它将沿着以下一些 方向发展l j 。j ： ( 1 ) 小型化和组合化 由于半导体激光器和半导体泵浦固体激光器自身所具有的高光电转换效率、更小 2 华中科技大学硕士学位论文 的体积以及更优化的光模式，将取代一些传统激光器( 例如灯泵浦的n d ：y a g 激光器) 成为激光加工设备的主导方向，并逐步实现设备的小型化和实用化。国外已把激光切 割和模具冲压两种加工方法组合在一台机床上，制成激光冲床，它兼有激光切割的多 功能性和冲压加工的高速高效的特点，可完成切割复杂外形、打孔、打标、划线等加 工。 ( 2 ) 网络通信能力 网络通信能力是现代数控系统为适应现代制造业的需求所应具备的能力。主要可 分为区域通信和全球通信两个层次。区域通信主要是指同一制造地点( 如同一企业) 的不同激光加工系统通过局域通信总线互联，并与上层控制管理系统联系，从而实现 信息整合，协同加工。全球通信是指数控系统具备基于i n t e r n e t 的全球范围通信能 力，用于实现远程控制及远程故障诊断与维护，从而降低激光加工系统的售后维护成 本。德国著名的通快( t r u m p f ) 公司最近推出的激光打标机，均装配了远程监控与测 试系统，通过对2 7 0 多个探测点的数据反馈，售后服务工程师可以准确判断设备的运 行情况并实施远程诊断，解决了顾客的后顾之忧。 ( 3 ) 数控化和综合化 把激光器与计算机数控技术、先进的光学系统以及高精度和自动化的工件定位相 结合，形成研制和生产加工中心，已成为激光加工发展的一个重要趋势。传统的激光 加工设备实际上是一种开环控制，即激光加工设备按给定激光功率、规定的路线等加 工。今后将在激光功率数字检测技术、激光电源数字化技术、高精度运动控制技术等 相关关键技术发展的基础上，逐步实现对激光加工设备的闭环数字控制，提高激光加 工设备的精度。 1 3 本论文设计思想及安排 根据激光加工技术的发展趋势，本文针对激光加工领域中的激光打标控制系统软 件平台构建及应用软件实现进行了一些深入研究。 1 3 1 研究目标及意义 本系统主要设计目标： 华中科技大学硕士学位论文 ( 1 ) 对通用l i n u x 系统进行小型化、实时化，以便应用于嵌入式工业控制： ( 2 ) 利用c 语言以及g c c 编译器实现了激光打标系统的嵌入式控制等； ( 3 ) 利用r t l i n u x 提供的函数库开发实时模块，完成对激光打标过程的插补运 算、激光束控制等功能： ( 4 ) 在l i n u x 系统本身提供的强大网络功能组件的基础上实现激光打标系统的 网络通讯功能。 本系统的研究意义在于： ( 1 ) 激光打标系统为例引入了嵌入式实时l i n u x 系统在激光加工系统中的应用， 为今后激光加工控制软件的实现提出了一个新的发展思路： ( 2 ) 真正的实时控制会大大提高激光打标控制系统的整体性能： ( 3 ) 系统极佳的稳定性会大大降低出故障的可能性： ( 4 ) 基于嵌入式系统实现激光打标控制系统，实现了系统的小型化，降低了系 统的成本； ( 5 ) 基于上下位机结构提出了激光打标系统的网络化集中控制概念。 1 3 2 论文内容安排 本文内容主要分为三个部分。 第一部分首先对现有激光打标控制系统的组成进行了分析，指出了现有控制系统 软件平台的不足。在此基础上提出了以p c 机和p c 1 0 4 构成的激光打标控制系统解决 方案。然后在嵌入式系统的软件开发上，根据激光打标系统对软件平台的实时多任务 特性的要求，引入了嵌入式实时l i n u x 系统，分析了采用嵌入式实时l i n u x 系统作为 软件平台的优势。 第二部分详细介绍了如何改造通用l i n u x 系统使其适用于激光打标控制系统：首 先仅保留基本系统使其微型化，然后加上网络支持、文件系统等使其实用，最后利用 r t l i n u x 内核使其实时化，实现了嵌入式激光打标控制系统的软件平台。在此基础上 进一步分析了在该系统平台下应用软件的基本结构：要合理的划分应用软件的实时域 和非实时域。最后介绍了应用软件开发的关键技术：高精度实时线程技术、进程及线 程通信技术、多任务调度及实时中断技术，为本文后续的软件开发工作打下了基础。 4 华中科技大学硕士学位论文 第三部分对整个软件系统的具体实现进行了详细的分析，给出了各个模块的具体 实现思路。重点介绍了本系统的图形处理算法、与p c 机的数据交换、网络通讯的实 现。最后提出了系统的改进意见。 5 华中科技大学硕士学位论文 2 嵌入式激光打标控制系统 本文所说的控制系统的“构建体系”，是指控制系统的基本构架和组织方案；技 术标准是否开放，基于何种平台，系统功能在硬件实现和软件实现之间的分配，数控 系统软件的结构等。控制系统的构建体系对控制系统的具体特征及其性能、成本、可 扩展性等起决定作用。 2 1 激光打标系统介绍 激光打标是利用激光与物质相互作用的特殊效应，在材料表面加工出所需要的字 符、图案。整个激光打标系统是综合激光、光学、精密机械、电子和计算机等技术于 一体的机电一体化设备。基本结构如图2 一l 所示： 矗 垣 图2 1 激光打标系统基本结构图 它主要是由图形输入设备、控制系统、执行机构、光学系统、激光器等组成。 ( 1 ) 图形输入设备 激光打标是利用高能量密度的激光束在金属、非金属表面打出各种文字、符号、 图案及条形码，以制作永久性商标、标记、工艺品等。这些标记符号、图形等可以来 源于计算机的作图软件( 如a u t o c a d ) 或用户输入的各种图形指令。 ( 2 ) 控制系统 激光打标就是将激光束或工件按一定的轨迹移动，从而在工件表面上形成所需要 的图形、图像。控制系统用于实现插补计算，以控制激光束与工件之间的相对运动轨 迹，同时控制激光束的开关等操作。插补计算是按给定的基本数据( 如直线或圆弧的 坐标等) ，插补中间坐标数据，从而把曲线形状描述出来的一种计算。 ( 3 ) 执行机构 由控制系统发送出来的信号要转化为激光束与工件之间的相对移动，需要通过执 行机构根据信号作相应的运动带动与之相连的活动镜片来实现。执行机构一般是指驱 麴! = ! 翅蕉壁墓堡焦鲍鱼扭垦基塑苤照堡麴丕统1 6 华中科技大学硕士学位论文 ( 4 ) 光学系统 激光器输出的激光需经光学系统传输和处理，以满足不同的加工要求。光学系统 主要由聚焦系统和导光系统组成。聚焦分为透镜聚焦和反射聚焦。透镜聚焦分为球面 透镜聚焦和非球面透镜聚焦，在激光加工中，为减少光能损耗，常采用单透镜聚焦， 但不可避免地会存在像差，使用非球面透镜可以很好地消除像差。反射聚焦系统形式 有同轴球面镜聚焦、离轴球面镜聚焦、校正的离轴球面镜聚焦、抛物镜聚焦、双球面 反射镜聚焦。 导光系统将激光器输出的激光引导到由聚焦光束组成的加工头，在实际的激光加 工系统中，加工头可以是固定的和运动的，导光系统也可以是固定的和运动的。光路 运动型又可以划分为x - y 扫描式和振镜扫描式。x y 扫描方式是利用x y 轴的电机带 动平面反射镜和聚焦镜运动实现激光束的偏转。振镜扫描方式结构如图2 - - 2 所示： 激怒嫩 图2 - 2 振镜扫描方式结构图 通过控制伺服电机的输入电压模拟量，带动与伺服电机同轴的平面反射镜偏转，实现 光束的偏转。再通过f e 透镜聚焦，形成平面图形或文字；特点是速度快，特别适用 于对工效要求较高的场合；是目前市场占有率最广的激光标记设备 ( 5 ) 激光器 由于激光具有单色性、相干性、方向性和高亮度等特性，可以形成高能量密度的 细光束，于是将激光应用在打标上。目前激光打标主要是使用固体和气体激光器两种。 固体主要是y a g ，y v 0 4 等，气体以c 0 2 和准分子激光器为主。激光器在使用时要考虑 华中科技大学硕士学位论文 激光的单色波长、时间特性、光束质量及输出功率等因素。 由以上激光打标系统的组成部分可知，在激光打标系统中需要通过计算机实现的 功能主要包括两个部分：图形图像的输入和控制系统。图形图像的输入可以通过其它 专业图形图象软件实现，也可以嵌入在控制系统中实现。而控制系统则根据输入得图 形i 虱像数据来控制激光束与工件的相对运动轨迹，是整个系统的关键部分。影响激光 打标的因素是多方面的，包括材料的吸收率、激光输出的光束质量、作用时间等【6 1 。 其中作用时间是指激光束在工件上给定点的停留时间。因此要求控制系统能够精确的 控制激光束与工件之间的相对运动，即要求控制系统具有实时特性；插补运算和激光 点输出的同时运行又要求控制系统具有多任务的特性，这就决定了对激光打标控制软 件的理想运行平台应是实时多任务系统。在第二节中针对现有的几种数控系统进行了 分析，指出各种系统所对应的优缺点。 2 2 现有激光打标数控系统的组成及其特点分析 对于激光打标系统中不同的执行机构，激光打标数控系统也有不同的实现方式。 本文主要针对振镜扫描方式，对现有的控制方式作详细的阐述。 2 2 1 通过p c 机控制 采用计算机控制激光打标这种模式，控制系统主要是由计算机、d a 转换卡等组 成，其结构如图2 - - 3 所示。 图2 3p c 机控制系统结构图 系统的实现方式是由计算机完成打标内容的输入和打标控制算法，产生振镜转动 所需的数字信号和激光器出光控制信号，这些信号送到计算机主板上的d a 转换卡， 转换成振镜驱动所需要的模拟信号，以实现对振镜的驱动。同时在d a 转换卡上提供 一定的输入输出端口，用来控制激光器以及给用户提供扩展接口。 该模式的好处是：可以充分利用计算机的强大功能，在计算机上用制图软件( 如 华中科技大学硕士学位论文 a u o c a d 、s m a r t d r a w 等) 制作出精美、复杂的图形、图像；由于计算机的速度快、运 算能力强，因此可以采用比较复杂但精度很高的插补算法：控制过程比较容易。 但这种控制模式也存在着缺陷：首先，作为功能十分强大的上位机大部分时间只 是在输出简单的控制脉冲信号，造成了资源的浪费；上位机通常采用工业p c 机，价 格昂贵，提高了整个系统的成本；其次，每台打标机都必须配备一台计算机，增加了 激光打标机的价格；另外，计算机体积较大，重量较重，不利于激光打标机的小型化， 由于采用软件控制，不够直观，并且要求操作人员具备一定的计算机知识。 2 2 2 通过p c 机& 单片机实现【7 9 】 该系统结构如图2 4 所示，由上下位机结构组成，上位机采用普通p c 或笔记本 计算机实现，主要功能是实现中西文及各种图形的图文混排。p c 机在标刻文件完成后 通过串口将标刻文件传送到下位机，文件传送完后，上位机可以离线，由下位机单独 完成打标控制。下位机采用单片机实现，主要完成打标程序的运行、振镜的驱动、键 盘管理、状态管理以及与上位机的通讯等。 图2 4p c 机& 单片机控制系统结构图 该模式的优点在于：底层采用单片机控制，不需要为每台设备都需配置单独的工 业控制机，大大降低了产品的成本，同时减小了激光打标系统的体积。 该模式的缺陷在于打标仅局限于简单的直线、圆、椭圆等较规则的图形，或者是 一些固定的字符、汉字；由于单片机不论是运算能力、运行速度还是内外部资源都明 显比不上计算机，所以对于矢量图形的打标只能采用较简单的插补算法，如逐点比较 插补算法，要是使用复杂的算法，则打标速度极慢。 2 2 _ 3 现有系统软件平台的不足 基于p c 机的控制系统方案由于考虑到系统的使用及用户的操作方便，系统软件 华中科技大学硕士学位论文 开发平台大多选用人机接口友好，软件资源丰富的通用操作系统w i n d o w s 。w i n d o w s 系统是非实时操作系统，其内核本质上是分时内核【。实时性不足，是w i n d o w s 操作 系统作为数控系统软件平台的根本弊端。由于w i n d o w s 是源代码保密的商业操作系统， 因此对其内核进行实时改造几乎是不可能的。 w i n d o w s 环境下的实时问题，有一些局部的解决方案 1 1 - 1 3 。在现在常用的 w i n d o w s 9 5 、w i n d o w sn t3 5 以上的版本中，由于应用程序不能绕过操作系统直接访 问硬件，而只能通过系统提供的接口函数构造所需要的功能，所以高频率定时任务的 实现不能采用d o s 系统下调用系统中断的方法。获得较高频率定时精度的方法是利用 w i n d o w sa p i 的多媒体扩展库( m m s y s t e m l i b ) 提供的多媒体定时函数或者采用虚拟 设备驱动程序( v x d ) 技术获取底层中断以实现高频率定时任务f l3 1 。由于w i n d o w s 内 核的非实时本质，用这些方法获得的定时精度最高只能达到l o m s 1 3 】，无法满足激光 打标系统对不同的材质、不同的激光功率的要求。因此在现有的激光打标系统大多采 用两种方法来解决激光打标系统对作用时间的实时性要求： ( 1 ) 将w i n d o w s 系统用作上下位机结构数控系统的上位机操作系统，主要负责事 务管理和实时性不强的数据处理，而实时性很强的激光束运动控制任务则由下位机 ( d s p 、单片机等) 及其实时操作系统来完成。这种结构办法的实现成本较高，开发 不容易。 ( 2 ) 通过调用w i n d o w s 系统提供的高精确度定时函数，使系统处于等待状态，获 得微秒量级的系统延时，从而实现对激光束运动的实时控制。这样作使c p u 完全由打 标系统占有，难以实现系统的多任务运行。 在任务调度效率方面，由于w i n d o w s 的调度器在设计时没有考虑实时应用，因而 其调度效率较低。更重要的是，无论是w i n d o w s 9 x 还是w i n d o w sn t ，其内核的许多机 制都是与实时应用相矛盾的，很难保证任务调度的效率和时机。 2 3 嵌入式激光打标控制系统软硬件平台解决方案 基于上述两节对现有系统平台的结构分析及其在系统实时性及多任务调用上的 不足，特提出了利用p c 机和p c 1 0 4 组成的激光打标控制系统解决方案。该系统的结 构如图2 5 所示： 华中科技大学硕士学位论文 燮e c 0 0 3 圊 切毕瑶利卜_吐至堕卜 广 - _ 一 - - 4咂畎蔷 叫亚孙蓁h 磊 机 图2 - - 5p c 机& p c 1 0 4 控制系统结构图 系统由上下位机结构组成，上位机采用普通p c 或笔记本计算机实现，完成打标文 件的生成与传输，在将打标文件传输到下位机后，p c 机可以离线，由下位机单独完成 打标控制。下位机由基于p c 0 4 的嵌入式控制板实现，主要完成振镜的控制、激光 器的控制、与上位机的通讯等。 本系统中将激光打标控制系统的图文输入与打标控制分离，一方面可以利用p c 机的强大功能，制作出精美、复杂的图形、图像；另一方面通过嵌入式p c f 0 4 系统 实现对激光打标机的控制，在实现激光打标系统的小型化的同时可以实现一些复杂的 图形处理算法以获得精确的激光打标效果，同时利用p c f 0 4 系统的网络通讯功能可 以实现p c 机对打标机的集中控制。 该系统的优点是相对于p c 机控制系统，该控制模式不需要为每台打标机配备一 台p c 机，可以多台打标机共享一台p c 机，因此大大降低了成本；相对于p c 机和单 片机混合控制系统，该控制模式可以实现一些复杂的图形算法，提高打标的精度，此 外还可以利用p c f 0 4 丰富的通讯功能，实现对激光打标系统的远程控制及故障诊断。 下面详细介绍嵌入式系统的软硬件平台及其优点。 2 3 1 以p c 1 0 4 为硬件平台 为了使系统具有一定的开放性，同时考虑到系统的成本和通用等因素，本系统选 用p c l 0 4 作为嵌入式系统的硬件平台，其优势在于： ( i ) p c f 0 4 可降低系统成本，增加系统的开放牲 在硬件和软件上，p c f 0 4 与标准台式p c ( p c a t ) 体系结构完全兼容，但在形态 上p c f 0 4 是十分紧凑( 9 0 x 9 6 m m ) 、自栈式、模块化结构【1 4 1 。诞生以来，经过多年的 发展，它的软硬件大都己标准化。这样，使用p c 1 0 4 做数控系统的开发平台，可解 决软件公用问题和硬件标准化问题，外围设备、应用软件等实现标准化，用户可方便 华中科技大学硕士学位论文 地对其进行组合和使用，从而降低成本，增加系统的开放性。 ( 2 ) 基于p c 1 0 4 的控制系统具有更大的灵活性 基于专用处理器的控制系统，大部分功能的实现是由硬件来完成的，硬件不仅成 本高，而且功能扩展、更新困难。而基于p c 1 0 4 的控制系统，其主要任务在p c 1 0 4 上以软件方式实现，这样模块的更新相对简便，既降低了成本，也提高了控制的灵活 性，使控制的开放更易实现。还可使用通用高级语言开发，方便地进行程序的编辑工 作。 总之，基于p c 1 0 4 有利于控制系统的开放性和降低成本，也有利于持续吸收当 今计算机发展的最新技术，不断开发新型的激光打标控制系统。 本系统中采用s b sp c 1 0 4 模块，该模块采用d x 4 8 6 c p u ，内存为1 6 m ，板载8 m 的电子盘( d i s ko nc h i p ) ，n e 2 0 0 0 兼容网卡。 2 3 2以嵌入式实时l i n u x 系统为软件平台 p c 1 0 4 的硬件特点要求软件平台具有健壮、微内核等特性：同时激光打标系统又 要求软件平台具有实时多任务的特性。这就要求软件平台是嵌入式实时多任务系统。 目前市场上有许多商业的实时多任务操作系统，如q n x 、v x w o r k s 、p s o s 、l y n x o s 等 都是被广泛采用的商业化通用r t o s ，但它们不是价格昂贵就是功能有限。伴随着l i n u x 这种自由软件的迅速发展，用于实时领域的实时l i n u x 操作系统也开始出现。实时 l i n u x 系统以稳定、高效的l i n u x 内核作为基础，通过扩展而建立开放、标准、高效、 便宜的多任务实时操作系统。实时l i n u x 操作系统能够在使用通用l i n u x 的网络和开 发环境等资源的同时，提供很好的实时能力。 实时操作系统的实现一般有三种方法【”1 6 】：第一种方法是从零开始，设计一个 完整的实时操作系统，如r t _ i x 。这种方法的优点是能够得到一个功能强大的实时内 核，但工作量非常大。第二种方法是设计一个实时操作系统的微内核，再在此微内核 上逐步增加功能，如q n x 、v x w o r k s 等。这种办法的优点是工作量小，系统灵话。对 于一些不要求硬实时的功能，如网络通讯、图形显示，可做成软实时而不影响内核的 实时能力。第三种方法是改造己有的通用操作系统，使其具有实时能力。实时l i n u x 系统的实现就是采用的这种方法，这样做的好处是既有硬实时能力又编程简单，充分 华中科技大学硕士学位论文 发挥了原操作系统的功能和资源。 2 3 3 基于嵌入式实时l i n u x 系统开发的优缺点分析 在嵌入式实时h i n u x 系统中，标准l i n u x 所拥有的强大的、非实时的服务，比如 网络功能、图形功能、窗口系统、设备驱动程序以及p o s i x 标准的a p i 等仍可利用， 这些为基于嵌入式实时l i n u x 的实时控制系统各种功能的实现带来了方便。 基于嵌入式实时l i n u x 开发控制系统有以下优点： 在实时性能方面，实时l i n u x 的强实时特征为基于它的实时应用软件的控制性能 提供了根本保证，有利于充分发挥硬件的性能潜力，也使得软硬件的结合更加容易。 在多任务功能方面，利用实时l i n u x 的多进程、多线程特点以及基于优先级的抢 占式多任务调度机制，可以很容易地实现数控系统软件中的多任务功能。 在没有实时性能要求的功能的实现方面，由于在实时l i n u x 中实时应用程序可以 使用l i n u x 的所有功能，这使得基于实时l i n u x 的激光打标控制系统能够轻而易举地 实现多线程、图形、网络通信等功能。 在基于实时l i n u x 的控制系统的结构特点方面，由于实时l i n u x 的开放性、模块 化、可扩展的系统结构，使得基于实时l i n u x 的控制系统开发也具有上述特征。在开 发过程中可以采用开放式的系统结构，并根据通信协议合理定义各功能部件间的接 口，有利于系统功能的剪裁和提升。可以采用系统功能分层实现的思想对底层的不同 硬件定义相应的驱动模块，有利于系统的稳定性。 在系统的可用资源方面，由于l i n u x 是一个源代码开放的产品，所以任何人都可 以以很小的代价获得它，并且在升级换代时没有任何额外费用。这也为基于l i n u x 的 激光打标控制系统提供了更多的便利。 当然与d o s 和w i n d o w s 相比，l i n u x 的开发环境比较简陋，开发工具也不丰富， 这给开发人员带来了许多不便。实时l i n u x 的强实时性是基于内核线程实现的，但是 内核编程调试起来比较困难，处理不好容易损害系统的稳定性，且内核实时线程可以 利用的资源非常有限。尽管实时l i n u x 还不是很完美，但是由于其开放性和优秀的实 时多任务能力，其应用前景依然被许多人看好。 华中科技大学硕士学位论文 2 4 本章小结 本章对现有激光打标控制系统的组成进行了分析，指出了现有控制系统软件平台 的不足。在此基础上提出了由p c 机和p c 1 0 4 构成的激光打标控制系统解决方案。在 嵌入式控制系统的软件开发上，根据激光打标系统对软件平台的实时多任务特性的要 求，引入了以嵌入式实时l i n u x 系统为软件平台的嵌入式系统解决方案，分析了采用 嵌入式实时l i n u x 作为系统软件平台的优势。 1 4 华中科技大学硕士学位论文 3 软件平台的构建及应用软件开发关键技术 根据p c 1 0 4 硬件平台和激光打标控制系统的要求，应用软件系统平台应具有内核 小，运行效率高，实时性强等要求。下面介绍了如何从通用的l i n u x 系统中生成一个 嵌入式实时l i n u x 系统及应用软件开发的关键技术。 3 1使用嵌入式实时l i n u x 系统构建激光打标控制系统的软件平台 通用l i n u x 有很多发行版本，如r e d h a z 、d e b i a n 、s l a c k w a r e 等，但不管哪个版 本，都是一个很庞大的系统。要将其用于嵌入式工业控制，必须将其小型化，也就是 去除掉内核中不需要的部分。通用l i n u x 系统和w i n d o w s 系统一样是并不是实时操作 系统( r t o s ) ，要将其应用于激光打标控制系统，必须进行实时化改造。下面详细介 绍具体的实现方法。 3 1 1 嵌入式l i n u x 系统的实现 一个最小的嵌入式l i n u x 系统仅需要下面三个基本元素【1 7 】【1 8 l ： ( 1 ) 引导程序： ( 2 ) l i n u x 微内核( 由内存管理、进程管理和事务处理构成) ( 3 ) 初始化进程： 为让最小嵌入式系统具有一定的实用性，还需要添加 ( 4 ) 硬件驱动程序； ( 5 ) 一些应用进程来提供必要的功能； 然后再根据p c 1 0 4 和激光打标系统的要求，添加下述模块。 ( 6 ) 网络支持； ( 7 ) 文件系统； 实现的方法是从标准的l i n u x 系统内核( 这里采用l i n u x2 4 4 ) ，按照功能的需 求裁剪内核，重新编译得到嵌入式l i n u x 系统内核，最终得到的嵌入式l i n u x 内核有 2 3 0 k ：然后再添加必要的系统文件，即可得到嵌入式l i n u x 系统。 具体实现步骤如下：首先在普通p c 机l i n u x 系统上根据嵌入式激光打标系统的 华中科技大学硕士学位论文 需要对标准的l i n u x 系统内核进行重新编译，得到所需要的内核映像文件：然后将目 标系统挂载到普通p c 机上，创建文件系统，将编译好的内核映像文件装入系统，同 时放置必要的目录及文件以提供一些基本的操作命令；接着修改目标系统的启动脚 本，使目标系统从电子盘启动；最后在目标系统上创建主引导分区。 这里要注意的是标准l i n u x 有一个特点是使用虚拟内存，程序过大，可以交换到 虚拟存储器上，它使得程序有很大的运行空间，给程序设计带来了方便。然而，在嵌 入式系统中，这个功能似乎没有用武之地，因为没有磁盘，而且会花费时间，所以， 嵌入式系统的应用程序还是在固定的地方运行比较好。这里需要把交换空间的长度设 置为零，就可以关闭虚拟内存的页面换入和换出功能。 3 1 2 嵌入式l i n u x 系统的实时化 如上所述实现了一个小型的l i n u x 系统，虽然可以使系统更灵活、更高效、运行 开销更低，但是要将其用于激光打标数控系统这样的工业控制的场合，还是不够的。 这是由于l i n u x 本身并不是实时操作系统( r t o s ) ，虽然可以通过提高实时进程的优 先级权值，使其优先于普通进程运行，但它在任务调度策略、内存管理等方面的特点 使其无法很好的应用实时控制。r t o s 是实时应用软件开发的基础平台。“实时”和“多 任务”是现代实时操作系统应具备的两个基本特征。首先，实时操作系统应有很强的 实时处理能力，以满足实时应用的需要。同时，实时操作系统还应是一个多任务操作 系统。因为现在的实时应用除了要求处理高实时性的工作外，往往还要求数据同步处 理，网络通讯等功能。 l i n u x 出现后，由于其源码开放，免费共享等优势，吸引了世界各地的开发组对 l i n u x 进行改造，产主了若干实时l i n u x 扩展模块，如h a r dh a l i n u x ，r t a i ，r t l i n u x 等口3 1 。r t l i n u x 是其中较为稳定和完善的版本，在一台普通配置的x 8 6 p c 上，其最大 中断延迟时间( 从处理器检测到硬件中断信号到中断处理子程序开始运行的时间间 隔) 不超过1 5 u s ( 微秒) ，最大任务切换延迟( 从调度程序开始运行到任务被启动的 时间间隔) 小于2 5 u s ( 微秒) 。这些数据已经接近了硬件能力的极限。如果是普通的 l i n u x ，一般是在6 0 0 微秒内开始一个中断服务程序，对周期性的任务很可能会超过 2 0 毫秒( 2 0 ，0 0 0 微秒) 。 1 6 华中科技大学硕士学位论文 r t l i n u x 对l i n u x 内核进行改造，将l i n u x 内核工作环境做了一些变化，如图3 1 所示。 l中断控制硬件 l jl 1r ll i n u x 内核 jl 1r il i n u x 进程 i l中断控制硬件 0 t r t l i n u x 内核l 工i l i n u x 内核 l i 实时任务 上 ll i n u x 进程 l 图3 - 1r t l i n u x 对l i n u x 内核工作环境的变化 由这张图可以看出，在l i n u x 进程和硬件中断之间，本来由l i n u x 内核完全控制， 现在在l i n u x 内核和硬件中断的地方，加上了一个r t l i n u x 内核的控制。l i n u x 的控 制信号都要先交给r t l i n u x 内核先进行处理。在r t l i n u x 内核中实现了一个虚拟中断 机制，l i n u x 本身永远不能屏蔽中断，它发出的中断屏蔽信号和打开中断信号都修改 成向r t l i n h x 发送一个信号f 2 1 】。 r t l i n u x 实现了一个在l i n u x 本身内核之下的一个小而精巧的内核，这个内核只 需要完成底层任务创建、中断服务程序，并为底层任务、i s r 和l i n u x 进程之间进行 通信排队的工作。将原来的l i n u x 作为实时内核下的一个随时可被实时任务抢占的优 先级最低的任务。因为r t l i n u x 工作是和l i n u x 相结合进行工作，因此它可以设计得 很简单，大部分的应用都不需要考虑，可以由l i n u x 来完成。因为简单，使得它不容 易出现错误；即使出现错误也容易得到更正。同时因为简单，并且完全抢占l i n u x 内 核任务，使得它的响应速度特别快。 1 7 华中科技大学硕士学位论文 这里体现了r t l i n u x 设计过程中的原则：在实时内核模块中的工作尽量少，如果 能在l i n u x 中完成而不影响实时性能的话，就尽量在l i n u x 中完成。因此，r t l i n u x 内核尽量做的简单，在r t l i n u x 内核中，不应该等待资源，实时任务和l i n u x 进程间 的通信也是非阻塞