（计算机软件与理论专业论文）基于组件的开放式数控系统软件的体系结构研究.pdf

摘要 本论文讨论的是基于组件技术的开放式数控系统软件的研究。主要工作是基 于开放式系统的思想，总结出传统数控的特点，探索基于组件的开放式数控系 统软件的结构。 开放式控制系统有三个不同的开放程度，环境的开放，接口的开放，组件模 块的开放。三者体现了不同的实现技术，本文讨论的是“标准组件模块体系结 构”的开放。在这个层面上，以通用操作系统作为控制系统的应用平台，以组 件技术为实现技术进行开发。 c o m 组件是一个二进制重用的对象模型。基于c o m 组件技术，可以使系统实 现二进制兼容，不仅可以提高开放式控制系统的可扩展性，而且有助于将系统 的接口标准化。e z c o m 技术是c o m 组件技术的发展。作为我国自己的组件技术， 它的应用有助于实现我国自己的开放式系统，使我国在开放式技术上有自己的 核心技术。 使用组件技术实现开放式数控系统具有许多优势，可以促使一些厂商将精力 集中到一些特定功能的组件上，提高数控系统领域的分工；使用组件技术可以 逐步的实现开放式系统的三个开放程度；并且为网络制造的发展提供了支持。 本文论述了通过使用管道过滤器模型实现了对于不同控制方式采用统一的数 据控制处理方式，和将不同的控制方式都映射为自动加工模式，使用系统配置 等多种设计策略实现开放式数控系统的体系结构。并在论文的最后一部分讨论 了如何使用s t a t e 模式实现不同的控制方式和插补的实现。 关键词开放式系统：数控；软件体系结构：设计模式：组件 北京工业大学 学烦_ l 学位论文 a b s t r a c t i nt h i s p a p e r ，i t r e s e a r c h e st h es o f c w a r eo fo p e nn u m e r i c a lc o n t r o l s y s t e m h a s e do nc o m p o n e n t t e c h n o l o g y w eq u e s tf o rt h ea r c h i t e c t u r eo l t h es o f t w a r eo f t ) p e n n u m e r i c a lc o n t r o l s y s t e m t h i sa r c h i t e c t u r ei s d e r i v e df o mt r a d i t i o n n u n l e r i c a lc o n t r 0 1s y s t e m i t s i m p o r t a n tt on o t et h a tt h e r ea r e t 王1 r e e1 e v e l so fo p e 衄e s st h a to n ec a n a c h i e v ei ni m p l e m e m i n gac o n t r o is y s t e m t h en r s tl e v e l i s “0 p e ne n v i r o m e n t c o n t r o l l e r ，t h es e c o n dl e v e li s o p e ne n v i r o n m e n tw i t hc o m m o ni n t e r f a c e c o n t r 0 1 1 e rt h et h i r d1 e v e ii s “o p e nm o d u l a ra r c h i t e c t u r ec o n t r o l l er ，j t h e s e i e v e l sa r er e a l i z e db y v a t yt e c h n o l o g y i nt h i sp a p e r ，i tm a i n l yr e a c h e st h e “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 er i i nt h i sl e v e l ，w eu s et 1 1 e o p e r a t i n gs y s t e ma s i h e 印p l i c a t i o np l a t f o r m ，a n dt a k et h ec o m p o n e mt e c h n 0 1 0 9 ya st h ei m p l e m e n t t e c h n 0 1 0 9 y c o mi sap l a t f o n n i n d e p e n d e n t ，o b j e c t o r i e m e ds y s t e mf o rc r e a t i n gb i n a r y s o a w a r e c o m p o n e n t s t h a tc a ni n t e r a c t c o mn o t o n l y e n h a n c e st h e i n t e r o p e r a b i l i t y o ft h e o p e ns y s t e m ，b u t a l s or e d o u n d st os t a n d a r d i z a t i o no f s y s t e mi m e r f a c e s e z c o mt e c h n o l o g yi se x p a n d e df r o mt h ec o m t e c h n 0 1 0 9 y t h e a p p l i c a t i o no f t h ee z c o mh e l p s t or e a l i z ec h i n e s e o p e ns y s t e m t h e r em a n ym e r i t so f u s i n gc o m p o n e n tt e c h n o l o g yt 0i m p l e m e n tt h eo p e n 1 1 u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m ：p r o m o t i n gs o m ee n t e r p r i s e s f o r c i n go ns o m es p e c i a l f u n c t i o n c o m p o n e n t s ，d i v i d i n gt h ew o r km o r ep r e c i s e l y ；u s i n gt h ec o m p o n e n t t e c i m o l o g y c a l la l s o i m p l e m e n t t h en l r e e o p e nl e v e l ；a n ds u p p o r t i n g t h e d e v e i o d m e n to f n e tm a n u f l a c n l r e t h j s p a p e rd i s c u s s e dh o wt oi m p l 。m e 照tn n i 如m 1 如t 哦o n 堙。lm o d e 岛r ( 鞋f r e n c o n t r o lf n o d e sb y u 鲥n gp i p e a l t e rm o d e i ；a n dm a p p i n gd 王l 琵r e f l tc o n c r o i m o d e st oa u t o m 。d e ；u s i n gs y s t e 涨c o n 鑫g 娃憩圭i o ne et o & s i g n 也e 姻e nn 啪e 妊e a l n t r o ls y 融e m a tt b ee n do ft h e p a p e r t h e r ei sad i s c u s s i n go nh o wt oi m p l e m e n t d i f 惫r e n tc o n 拓。l 稚o d e sb y u s 廷毽s 髓el n o d e l 鑫n d 墩e 珏￥警l e l n e n to f n 印o i a t i o n 抵y w o r do p e ns y s t e 激； n 螂e i i e 醴e o n 的l ；最w 戳澉h 汝c t 辩；& s l g n 筘氇钍e m ；辩p e n e 嫩 ”i 第l 辛缝沧 第l 章绪论 裁造渡是国涎经济发糕酌基础产、韭。随着羊尊学技术的发展及铺造按术的避 步，社会对产品多样化的需求越来越强烈，产品的更新换代周期也越来越短， 中小批量生产韵比重明撬增加，从而对制造设备提出了藤高的螫求。为满足市 场的霞要，要求制造设备具有裹效率、燕质量、裹柔性及低戏本的性能，雕此， 数控机床作为种自动化的加工设备而被广泛采用。 数控系统是数控掇臻中的重癸蘩 孛之一，是数控撬床熬技术孩心，萁鞋艟豁 好坏直接影响产龋在市场上的竞争能力，因此，数控系统的发展趋势为众多的 箱造裔、销售裔掰关注。 i 1 开放式数控技术概述 在激黧酌市场竞争祭件下，随着被魏工零律静复杂程瘦越来趱高及微麓计算 机的迅速发展，加工单元的柔性化及计算机集成制造系统的发展对数控系统提 出了更高的要求。高速度、高精廉、高可靠性；模块化、智能化、柔性化、集 成化、开放性成为目前数控系统盼发展方向“1 。 开放式数控系统概念的提出是现代机械制造行业的竞争及计算机技术共同 蕈趱鹄缝粱。一方覆，激往麴数控系统鑫l 子其封溺瞧不荔将每 箕凝技术、螽动 控制技术、制造技术发展的最新成果运用于数控系统中，严重的阻碍了数控技 术的发震。另一方面，赉予热工静多样纯，专盟纯，对热工“个襁纯”酌要求 越来越商。体现加工“个性化”的专门加工设备、专业加工知识、经验如何在 粕工系统中集成成为一个霾要问题。 对此，实现数控系统的开放他，针对不同的应闵要求与应雳环境，程较大范 围内让用户自由的选择和配置不同的硬件和软件，并根据实际需疆在开放系统 燕京e 控走学f 掌磺p 学盥谂史 的撩础：开发适台嚣求的专照系统，是数控技术发展的一个必然要求。 i e e i 对开放式系统的舰定。：个开放式的系统必须具备不同应用程序能很 好的运行予不舄供应商提供豹不露平台土的鼹力、不 霹应掰程序之阐巯够辆互 操作的能力和一致的用户交互风格。 参照j e e 对开藏式系统懿定义，可以得窭一个开放式控铡系统酶岔义：搔寝嗣 软件构筑于遵循可扩展性、兼容性原则的浆统平台之上的数控系统。使应用软 俘爨各可移搴矗淫、互搡俸缝和入辊界面韵致往等特征。“” 出此可知，开放式数控系统应舆备以下特点： ( 1 ) 模软性：系统被分为逻辑独立的模块，不同的开发商可以穗供功能相同 蛉模块。 ( 2 ) 可移植性：系统平台提供统的应用程序接口a p i ( 3 ) 互操终淫：鬟有标准爨议煎透瀑接霹 ( 4 ) 可置换性：县有统一的接口，相同功能的模块可以相互替换。 ( s ) 哥扩震性：系统功滟模块纯，能实时增减功能模块 满足这些特点的系统，茭开发过程不依赖于巢一控制器制造商，且可融入鼹 户的专用功能。从而使最终用户、机床制造商和控制器开发商在设计、实现、 安装、操佟、维护、重配鬟等多方藤受益。 l ，2 开放式控铡系统鳍开放程度 牙敝式控铡系统按开放程痰霹以分为三个等级5 1 ，热下嚣掰示： 图1 1 舞旅式控制系线滟拜救程度 羁昏l - j t h ep m g r e s s i o no f o p e ns y s t e m 第1 荦绪论 第一个开放等级为“开放式环境控制器”。“开放式环境”在如今的市场上就是 与i b mp c 兼容的硬件平台和微软的w i n d o w s 操作系统或l i n u x 操作系统。目前 许多商用硬件和软件控制产品都符合这个要求，可以被集成到系统执行控制任 务。然而，将这些组件集成到一个控制系统中还需要很大的工程上的努力。如 果需要对控制器的一部分进行替换的和升级，那么还要进行进一步的努力。虽 然，这个等级不具有模块化和可扩展性，用户还是可以从开放式环境中获益， 因为可以在从不同销售商处获得可用的组件，来自由的配置系统满足特殊的应 用需求。 增加开放程度的一个重要的方面是定义一套标准的a p i 。如果存在一套标准 的a p i ，并且产品都遵守这些标准，用户就可以重新配置控制系统而不用进行额 外的工作。这就是第二个等级的开放式控制器“开放式环境和标准接口控制器”， 允许用标准的接口集成特殊目的的硬件和软件环境。这就实现了“即插即用” 和“可扩展性”。 开放的最后一个等级将继承来的硬件元素从控制系统中去掉。这个“开放 式标准组件模块体系结构控制器”等级可以被认为是一个基于软件的控制器， 利用通用的处理器运行软件模块而不需要特殊的硬件( 比如：插入主板的运动 控制卡，离散逻辑控制卡等等) 。在目前实现这个等级的开放还有技术上的困难， 因为普通w i n d o w s 或l i n u x 操作系统还不能实现实时控制湖( 有些数控厂商将 操作系统内核进行改造来实现实时控制) 。一个可能的解决办法是使用两个操作 系统，在实时澡作系统中处理实时任务，在w i n d o w s ，l i n u x 等非实时操作系统 中处理非实时任务；或者在一个通用的实时操作系统中，通过建立一个实时性 的系统结构来实现这一任务。 1 3 研究现状 9 0 年代，在m a p t o p 用户组织制定的m a n u f a c t u r i n ga u t o m a t i o n 拣寨置照x 孥夏擘棼擎搜诧究 p r o t o e o lf 淞p 孛蕊挺趱了套键遂暴浚孛鏖溪器靛黢黪戆簿。嚣辩窀还撬窭了悫 撩设蔼( 潲) 瓣辍念。激然淞p 璃予通讯协议的范嘛，但依据i s 0 0 s r 檬凇l ；= 京荚熬舅羧系蔻鹣蕊囊，疑惑了交爨嚣蕊赣逡浚簧羧菰漆，霞激瑟￥瓣鬣念寒 滋，漱p 可戳讽魏溪晕辩歼敞式嫱榭纳控制嚣豹雉彤。 赛蘸g 每饯薅 熬漤潦，嚣鼗式黎掩聚蘸嚣躐惫嚣拣漆 ：鏊撩露鬻鼗褥懿述麓 设怒已经淤搿广泛豹支捻，嚣澎嗡蟪诗划毙矮稳。：n 计燃，o 醛趟技拳，蕊避 臻 ，燃魏诗燎。 熙谤划 n e x s e n e r 鞋宅i o n 漱醢i n 棼熟蟪s 瞧 i 淤黯爨t 羚 ! q 爨筵溪溪 瓣帮辨麓瓣美乎燕越悉筏释器簌诗黼端删。该计煳铡畿了麓予l7 5 个z 业控制器 蕊瀑慕，渗爨裂寝静爨磷蒋蕊黧簧爹蠢鬻。它淡嚣藏羲燕笺憝稳隽蕊袋瑟瑟+ 隶漓鲦蔽诗稻制遗乏籍豹分离敞态。将设计靼朋工结合谯怒。n g e 槎嫩了基本 鼹瑟蔑式戆恶辫；蓑暴魏篡寒嚣演式翁蠖药，灏避器蕊褡豫热潦籍豢褥，运避 蚕蕊拣件之鲻憋缀台潦搂聪躲个控铡聚筑；誊隧感与实理无关憋辕恣抟佟，选 怒供了斑绞备个攘释泰窝瑗禁释装蒸蘩麓麓辩辩寿演。 燃e 诗戴 值参数( b y v a l u ep a r a m e t e r s ) ：避免将结构和联合通过值传递。对c 程序员来说，通过指针传递更自然。当需要跨进程时，创造一个拷贝则 是必须的。 传递接口指针：当接口指针作为输入或输出参数时，不要使用v o i d 类 型，而使用i u n k n o w n 木。但是由于用户得到了这个指针将很可能使用q i 请求其他的接口，因此如果使用个希望得到的确定类型会提高效率。 如： h r e s t l t c r e a t e s u b o b j e c t ( i n r e f i i d r i i d ， 。u t ，i i d is ( r i i d ) iu n k n o w n 丰半p p u n k ) ： h r e s t l tc r e a t e s u b o b j e c t ( o u t i s o m e o t h e r 木半p p s o m e o t h e r ) ： 回调( c a b a c k s ) ：c o m 接口不再使用传统的基于w i n d o w s 的回调( 方法 的参数中有一个函数指针) 。c 0 m 中使用“出接口( o u t g o i n g ) ”。推荐使 用连接点机制因为它提供了更活的灵活性和扩展性。 庄我们丌发式数控系统中，采用的接口命名标准为： 接口函数名必须有可读性，按照固定习惯使用动词如：s e t g e t r e a d w r i t ei n i t i a l i z e u n i n i t i a l iz e 接口函数名要是一个动宾短语，避免无意义或有模棱两可的动词 接口函数名长度为1 5 、2 0 个字符。 鬻2 蕈c o m 蛆肄与撼z e o m 组 哮二技术横述 接口的函数的参数个数不同超过6 个。 接口函数必须逐蔺际s u l ， 按照输入修改输出熬顺序搀列参数 如果多个接口函数使用了相似的参数，他们要有致的排列顺序。 懿采函数只使爝慕令结翰髂鲢部分成员，应该考虑只铸遂遮部努数据。 参数列表中要尽蹩少的包禽函数中不使用的参数。 参数名不笈超过1 5 令字瓣。 2 。i 3 。c 溯对象 在e 渊趣蓬中，著浚寄对e 淡对蒙进行严臻懿定义，辍e 溺攘供静楚藕 龟对 浆的组件模型，c o m 组件提供给客户的是以对象形式封装起来的安体。客户程序 写c 蕊缀件程序遴幸亍交曩的实髂鼹醅对象，它并不关心组件模诀的名称和位 髯( 即位露透明性) ，但它必须知道皇己焱与那个c 啾对象进行交互。 类似于c + + 语富中类( c l a s s ) 的概念，c 叫对繇也包括属性和方法，对象的 状态反欧了对象的存在，也是区别于其他对象的簧素；而对象所掇供的方法就 是对象提供给外癸靛接弱，客户必须通过接口才鼹获缮麓象的羧务。对予e 蕊 对象来说，接口鼹它与外界交互的唯一途径，因此，封装特性是m 对象的基 本祷在。 2 。l 。连。c 蹶组件模型 e o 醚缀传模型怒一转鞋缝 孛为发毒擎元懿对象模型，这耱模燮谴各较俘缝传 可以用一种统一的方式进行交互。c o m 既提供了组件之间进行交互的规范。也提 供了实魂交互懿环境。c 。酗缀锌对象模型主要龟播：每个缀件可敬 翅用户掇供一 个减多个接口；用户只能邋过接嗣访问组件提供的功能。这一点母搴现了c 渊维 件技术真币的封爨。组件的接口可以直接 | 央射到计算桃的物理地址空阗。每个 搂嗣类似c * 的盛函数袭，它是一个多种计算机语吉相互调用的标准。 2 1 5 c 0 黼组件的二进制互操作性 二遘翩互澡 窜髓是软件重掰的个耄嚣方面。在c o m 中二避制的互操作性 是通过接醴来实现的。对予任意平台( 包糖硬 譬黢款 牛 ，e 瀚通过定义一个爽 存中虚函数表( v t a b l e ) 和从虚函数表中调用函数的方法( 通过v p t r 指针) 来实 瑷。蠢越，任簿鼹通过指针潺霜函数斡缡毽语言( e ，e + + 等 都西强弱寒缡写 组件。按照同一二进制标准编写的组件可以互相操作。 锵警瓣茸畦o 萄e c t c en l v a r i a b e ，v i b l 懈世 rt ， 鲫v m e 喇耐a a 0 涵o f u 瞅两如删确1 茸硼1 呼， 把f b u r c 口 口6 m b 删 瓣2 2e 0 艟接舀的波存续籀 稻g 2 - 2m e m o r ys f r u c l u r eo fc o mi n t e 柏c e 2 。2 e z e o m 组件技术与和欣操作系统 2 2 1 e z c o m 组件技术 e z e o h l 技术“”怒科泰世纪公司捌有自主知识产权的组件技术，该技术与微 软懿c o 翳( 缝 掌对象横型) 技术二避裂蓑容，姣零蓑上与蜒技术是一撵斡，采 l 村j ”c o m 的基本原瑷，也是增强软件之间互操作性的一种组件技术。e z c 0 m 技术 鎏漱移发震了e 醺缀释援零，穗育c 翎缀释技术豹全部伉点，丽且在实现时更 易于学习和掌握。 第2 章c o m 组件与e z c o m 组件技术慨述 e z c 。m 技术是基于客户中间件月日务器三层结构模型。在该模型下，组件的 运行空间对用户程序来说是透明的，同一个组件模块可以根据不同需要加载到 与用户程序相同或不同的地址空间，甚至可以加载到内核空间，以提高组件的 运行效率，例如采用e z c o m 实现的驱动程序。中间件组件提供了透明的应用组 件的能力。这样三层组件模型为编程的灵活性与透明性提供了清晰、坚实的理 论基础。 、h 嘭 j ，j i 、 、登j 弄、 ，、 、一， - 鬈j i 磊、? 、：i i 二：夕 代理组件组件模块 图2 - 3e z c o m 组件运行环境的模型 的2 3e n v i r o n m e n lm o d e lo fe z c o mc o m p o n e n l s 2 2 1 1 e z c o m 组件技术与c o m 组件技术的关系 e z c o m 组件技术是基于c 0 m 组件技术的，与c o m 组件技术在软件互操作上基 本是一致的： 接口：e z c o m 组件也是通过接口向外界提供服务。同c o m 组件模型接口的 内存结构本质一样，是一个二进制的内存结构。e z c o m 的接口同样也是与 语言无关。 生命周期的管理：e z c o m 采用引用计数的方法来实现组件的生命周期的管 理。在提供管理时，e z c o m 技术本身进行计数的处理，不需要用户来处理 组件的生命周期，避免了因对引用计数的不正确处理而引起的问题。 跨进程或远程之间通讯的透明性：根据中间件的三层模型，无论e z c o m 组件是位于同一机器不同进程还是不同机器上的进程中，都是由e z c o m 痒中瞧供的中闻 牛m 采实璇。中糍俘鏊本鲍= 佟就是实褒底麓的数掇逶嘏 簿与组 譬本盛要勰决豹阀题无关黪任务。 2 。2 1 。2 。嚣z o 好秘组件搜零浆特点 e z e o i l 孵决了缒 牛遇蹙、访闽顺序控制、安全( 容爨) 憾控测、软饽蕊爝投 静挖测、遴程延续( p e r s i s t e n o e ) 鲍捷割、事务嚣( 零r a n s a c t i o n ) 黪铡等编 程过程中瓣运，穗对予c 潍魑馋羧零鸯5 个特点： 爱活鹣实鬟梳懿：提供了旋纯、方硬鹃羹z c o 珠工兵簿亵跣c o 臻痒支持环 凌。最添抟e z c o 蕊黻务器稻8 z c o m 客户的熨魏概制。 麓纯瓣缀 牛封装技术：e z e o m 客户帮掰捷瘸熬z c o m 龋l 譬对象之淘增加了 国e z o m 工凝瘴舞动实溅的辫装漂，群蔽了潺惩e 饿组件对象过程的繁 琐霸节，大大簿纯了赫襄户的窭蕊。 袋筏港燃橡壤谈鼯的实避类来宠姨黠标准接鞠翡实现：该梅聚接口类懿 实蕊可以密z e o 瓣工暴露鸯戳宠藏，嚣= 发卷程实筏8 z c o m 缆释粪辩，强 餮它继零了搽准接懿实瑷类簸不臻褥关；0 拣摧接固酾实蕊，凭送篓毫币 会改变接嗣= 进铡搂口稼准。霞时这毽爵良方便蠲户的使用，简化用产 竣王佟。 统一的类厂实现：阮c o f f i 黎统实瑷了统一盼类厂。 2 。2 1 。3 。e z e o 撒系统提供的功能 缀髂模型黪安域嚣要在搽作系统款髂屡耀上提供一个支掩联缀释技术黪 缎 串集合，鼹以构成c o 醛系统支持。 基本熬婶l 遗数：是组裁建e z 醅客户戏蠲覆滓鞠辍务器褒臻毽潜豁 基本静 添数。黠露户程滓援供一套瓣缀传髓象铺建涵数，凳鼹务嚣摸 嚣2 章c o m 缎棒与e 2 c o m 缀体技术搬述 块提供注册组僻对象的函数。 服务器定位与剖建：邋遭服务器定位功熬，从类标识掰确定哪个二避潮 软件横块提供这个类的服务，以及服务嚣_ | 舞在懿位鼹。e z m 为服务器挺 供一个注璇系缀，弱户通过注麓系统瓣接锲建缀务器。遮秘闽接支持镬 怒饔户懿e z e 嘲模块程序霹以独立龟装，避露缝经其程序模块独立舞缀。 远程懑谖服务稷滓；e z e 翎组 掌鲠存在的运行环境对臻户逶饔。运行环境 包括霜户的线穰环境、逡程环凌、跨邋程环襞及远程环境。 元数据的建立和维护：e z c 嘲键供辩解释程序语言黥支待。用户与接日瓣 的通讯也可由筑捧提供鲍元数攥囊动究戚。 e z c 咖系统掇供的功能趋与e z e 咪采愆的三层结构楣吻合的。为用户的应用 提供了方埂。下翔攒遮戆是题产程序遴遗e z e 铡系统与缎传交互熬过程。 嚣户裁痔帮糕转鹃调用撼摆： 客户糙拳调用进糕幽静代理壤糌 e z e 强臻壤砖悫生藏壤转运 环境 e z c o m 蕉统篱理远程组件对象 l 搿e ：b c 越r 蝴蒜# 跏蒋融e 蚓 袋p c 、r 。h 烈e p 拇槐妇c a u 黧2 4 援户疆痔避避e z e 粥系统与缀转交互 爨g 2 - 4c e n ti n t e f a c t sw 疆he z c o ms y s t e m 2 2 1 4 e z c o m 技术对软件工程的作用 在实际的编程应用中，e z c o m 技术可以使程序员得到以下几个方面的受益： 易学易用 基于c o m 的构件化编程技术是大型软件工程化开发的重要手段。微软 w i n d o w s2 0 0 0 的软件全部是用c o m 实现的。但是微软c o m 的繁琐的构件描述体 系令人望而生畏。e z c o m 的开发环境和欣s d k 提供了结构简洁的构件描述语言和 自动生成辅助工具等，使得p + 程序员可以很快地掌握e z c o m 编程技术。 可以动态加载构件 在网络时代，软件构件就相当于零件，零件可以随时装配。e z c o m 技术实现了构 件动态加载，使用户可以随时从网络得到最新功能的构件。 采用第三方软件丰富系统功能 i ! z c o m 技术的软件互操作性，保证了系统开发人员可以利用第三方开发的，符合 f z c o m 规范的构件，共享软件瓷源，缩短产品开发周期。同时用户也可以通过动 态加载第三方软件扩展系统的功能。 软件复用 软件复用是软件工程长期追求的目标，e z c o m 技术提供了构件的标准，二进制构 件可以被不同的应用程序使用，使软件构件真正能够成为”工业零件”。充分利 用”久经考验”的软件零件，避免重复性开发，是提高软件生产效率和软件产品 质量的关键。 系统升级 传统软件的系统升级是一个令软件系统管理员头痛的工程问题，一个大型软件 系统常常是”牵一发而动全身”，单个功能的升级可能会导致整个系统需要重新 凋试。e z c o m 技术的软件升级独立性，可以圆满地解决系统升级问题，个别构件 的更新不会影响整个系统。 捕2 章c o m 组件7 je z c o m 组件技术概述 实现软件工厂化生产 上述几个特点，都是软 孛零件王厂化生产的必要条 牛。构件化软件设诗思想般 范了工程化、工厂化的软件设计方法，提供了明晰可靠的软件接口标准，使软 件穆 串霹以豫王篷零饽释生产制造，零 串可耀予各穆不同弱浚蚤土。 提高系统的可靠性、容错性 e 于稳件运行环境可擦翎，可黻避免因个剐梅件的崩溃瓣波及舞整个系统，撬 高系统的可靠性。同时，系统可以自动重新启动运行中意外停止的构件，实现 系统的容错。 毒效地实现系绞安全牲 系统可根据构件的自描述信息自动生成代理构件，通过代理构件进行安全控 潮，霹以有效怒实瑰嚣不网来源熬稳捷：实行访阏权羧控割、楚爨、套份容镄、 通信加密、自渤更换通信协议等等安全保护措施。 2 2 2 和欣操作系统 和欣操作系统是3 2 位嵌入式操作系统，该操作系统有基于微内核，具有多 进程、多线程、抢占式调度、蒸子线弦酶多德先缀任务调度等特性。它提供写 f a t 兼容的文件系统，可以从软盘、硬盘、f l a s hr o m 扁动，也可以通过网络启 动。和欣操作系统体积，j 、，速魔侠，适合网络时代的绝大部分嵌入式信怠设备。 和砍操据系统可以麓成是出微内核、构件支持模块、系统暇务器组成的。 微内核：主要可分为4 大部分：硬件抽蒙层( 对硬件的抽象描述，为浚 层之上熬软孚攘块提供统一粒接口) ；凌存管壤( 援蕊纯戆内狂警理接 口，虚拟内存管理) ；任务管理( 进程管理的慕本支持，支持多进程， 多线程) ；遂稷阔逶信( 实残进程闯遴信豹辊涮，是梅稃技术豹基磷设 施) 。 构件支持模块：提供了辩e z c o m 构件的支持，实现了构件运行环境。构 北泉工鼗大学1 学皱量学位沦文 件支持模块并不是独立于微内核单独存在的微内核中的进程问通讯部 分为其提供了必要的支持功能。 系统服务嚣：在微内核体系结誊的操 乍系绞中，文件系统、设备驱动、 网络支持等系统服务是由系统服务器提供的。在和欣操作系统中，系统 缀务器邦楚以动态链接瘁翁形式存在。 从应用编程的角度看，和欣操作系统提供了一套完整的、符合e z c o m 规范的 系统鼹务搦释及系统好i ，为在荟耱嵌入式设备静硬件平台上运行e z m 二二迸割 构件提供了统一的编程环境。 和砍揉作系统还提供了一组动态链接构件库，这些构件库通常是开发嵌入式 应用系统时不可缺少的。包括：图形系统构 牛痒( 方便开发图形用户操作羚露) 、 设备驱动构件库( 各种输入输出设备的驱幼) 、文件系统构件库( f a t 兼容，包 撼对f l a s l 等鲍支持) 隧络系统筏髂瘁 通过控制系统标准化，减少用于设备维护、自动编程、人员培训，系统 的建设投资和人员消耗。 通过公布系列标准，让更多的企业，尤其是小企业，加入到先进制造 技术产业领域，发挥企业的一技之长( 他们不可能与数控系统垄断商全 面抗衡) ，客观上达到破除垄断行为，推动技术进步的目的。 把组件技术应用到数控系统软件中，可以使得机械制造商减小对特定数 控系统厂商的依赖，并针对自己的特殊需求开发具有自己需要的特殊功 能和产权的组件。现在，为了在竞争中获胜，很多机械制造商都有自己 独特的生产工艺，这就需要有特殊的加工设备提供支持。而由于机械制 造商很少自己制造加工设备，各个数控系统提供商提供的设备又互不兼 容，所以多数情况下都不得不依赖特殊的数控系统厂商。而使用开放式 北京工业人学t 学倾 j 学位论义 数控技术和组件技术，机械制造商可以定制自己的加工设备，完成特殊 的加工工艺，从而减小对特殊数控厂商的依赖。 使用组件技术和开放式数控技术，可以促使某些厂商将精力集中到一些 特定功能的组件上，提高数控系统领域的分工，从而实现更好的产品质 量和更高的生产率。对于数控系统厂商，使用组件技术可以降低开发成 本，缩短开发周期，降低开发风险。 在开放式数控技术成熟的条件下，一些厂商将会专门生产某些特定功 能的组件，并在市场上销售，而数控系统厂商则可以将注意力集中到如 何将软硬件系统集成在一起，为机械制造商提供高效、可靠的数控系统。 可以方便对系统进行扩展和升级。随着机械制造业生产水平的提高，机 械制造商对系统进行扩展和升级的要求越来越强烈。在使用开放式数控 技术和组件技术的条件下，机械制造商可以选择将系统进行扩展和对部 分组件进行升级。当购买新的数控系统时，在资金紧张的情况下，可以 只购买部分功能或购买价格较低而性能稍差的组件。 所有支持组件的环境，都需要为组件的运行提供一些基础的设施和标准 的接口，而组件间的互操作又是组件的一个基本特性。因此，使用组件 技术可以逐步的实现开放式系统的三个开放程度：“开放式环境控制 器”；“开放式环境和标准接口控制器”；“开放式，标准组件模块体系 结构控制器” 不同数控厂商提供的系统符合开放式数控的要求，对机械制造商而言， 可以降低培训费用和维护成本。 对网络制造发展的支持：组件技术提供了位置透明性和远程对象激活， 使得一个组件不必知道其他组件的位罱。位于不同主机的组件可以协同 工作。 第3 章使用组件技术实现丹放式数控系统软件 3 3 本章小结 使用组件技术来实现开放式数控系统，使得机械制造商减小对特定数控系统 厂商的依赖，并针对自己的特殊需求开发具有自己需要的特殊功能和产权的组 件；提高数控系统领域的分工，从而实现更好的产品质量和更高的生产率。对 于数控系统厂商，使用组件技术可以降低开发成本，缩短开发周期，降低开发 风险：可以方便对系统进行扩展和升级；可以降低培训费用和维护成本，并为 网络制造的发展提供基础和支持。 第4 章数控系统软件的体系结构 4 1 数控系统的结构 4 1 1 数控系统的构成 在一个制造业企业中，数控机床是用于实际生产的设备，是制造单元的基本 蕾位。 图4 1 制造业企业中的设备 f i g 4 - le qu i p m e n t si nm a n u f k t u “n ge n t e p r i s e 从硬件的角度看，数控机床包括控制台、监视器、刀架、刀具、工作台、 轴、伺服、电机等单元。数控机床通过这些单元来进行加工工作。 图4 2 数控系统的执行机构 n g 4 2m a c h i n e s i nc n c s y s t e m 数控系统软件是数控系统的核心，主要功能是接受输入的加工信息，完 成数控计算、逻辑判断，输入输出控制等功能。数控系统软件由管理软件和 控制软件组成。管理软件包括输入、i o 处理、显示、诊断等。控制软件包 括译码( 代码解释) 、刀具补偿、速度处理、插补运算等。 译码( 代码解释) 将用户编写的待解释的运动控制代码( g 代码) 转换 为计算机可以理解的形式；刀具补偿将用户编写的控制轨迹转换到切削刀具 的运动轨迹；速度分析模块处理分析两条连续的曲线间的速度变化；插补模 块将前面计算出的运动轨迹进行密化，将曲线分解为一组小直线段，并将这 些小直线段分配到各个轴上。 这些不同的任务在数控系统中有不同的优先级，其中插补运算的优先级 北京工业人学 学顺卜学位论文 为最高，其次为速度处理、刀具补偿、和译码等。 图4 3 数控系统中不同任务的优先级 行g 4 3l a s k sp r i o r i t y 4 1 2 传统数控系统软件的体系结构 传统的数控系统软件结构与硬件结构紧密相关，通常取决于数控系统软件和 硬件的分工。在数控系统中，由硬件完成的工作，原则上也可以由软件来完成， 但各具不同的特点，硬件处理速度比软件高，但远没有软件那样灵活，且造价 第4 章数控系统软件结构 高。硬件和软件的比例随着计算机技术的发展而变化，早期的数控系统( 硬件 数控) ，数控功能全部由硬件完成，而现代数控的功能则有软件和硬件共同完成。 大体分为三种情况：第一种情况是软件完成输入及插补前的准备，硬件负责插 补及位置控制；第二种情况是软件完成输入、插补前准备和插补、硬件仅完成 位置控制；最后一种情况是输入、插补准备、插补、位置控制均由软件完成。 目前，数控系统软件一般采用两种类型的结构”“：前后台型结构和中断型结 构。 前后台型结构的c n c 系统软件： 整个软件分为前台程序和后台程序。前者是一个中断服务程序，实现插补、 应置控制及机床相关逻辑等实时功能；后者实现输入译码、数据处理及管理等 功能，是一个循环程序，又称为背景程序。各种控制功能都被看成任务，编制 成为相对独立的程序模块，通过系统程序，将各个功能联系成为一个整体。当 系统运行在自动方式下时，背景程序循环执行，处理译码和数据管理等功能； 插补在中断服务程序中，该中断为时钟中断，定时打断背景程序的运行；此外 系统中还有键盘中断等随机产生的中断，这些中断的优先级都低于插补的定时 中断，当产生定时中断时也将被打断。 图4 4 前后台型数控系统 n g 4 - 4f o r ea n db a c k c n c 中断型结构的c n c 系统软件 c n c 系统软件的各种功能子程序均被安排在级别不同的中断服务程序中，整个软 北京工业人学1 ，学坝e 学位论艾 件是一个大中断系统。通过各级中断程序之间的通讯实现管理功能。 表4 i 中断级别 t a b4 - l 【n i e r r u d tl e v e 优先级主要功能中断源 0 初始化开机后进入 l c r t 显示，r o m 奇偶校验硬件，主程序 2 工作方式选择软件定时 3 p l c 控制软件定时 4 参数、变量、数据存储控制硬件 5 插补运算软件定时 6监控和急停信号软件定时 7 键盘输入硬件随机 8纸带阅读机硬件随机 9 报警串行传送报警 l or o m 校验，电源断开非屏蔽中断 4 1 3 对于目前不同种类机床的分析 数控机床的种类繁多，为了设计一个开放