（材料加工工程专业论文）基于伺服电机直接驱动的折弯机数控系统研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 基于伺服电机直接驱动的折弯机数控技术是九十年代发展起来的高新技术，属于 先进制造技术前沿。它的研究和开发工作对于提高国产设备综合性能指标和打破国外 在这一鼓零上懿垄叛像爨鸯重要意义。 本课题对构建基予伺服电机直接驱动的折弯机控制系统的关键技术闻蹶进行了 详细研究。开发了一种基于变频控制器直接驱动伺服电机的折窍机数控系统，全面而 详鳃邀分缀了剥用v i s u a l c + + 进行寝数整剽台软l 孛豹设计以及剃鼹n t d d k 遴 亍底层 设备驱动程序的设诗。箕主要内容镪括： 对锻压成型设备常用数控系统的优缺点及发展趋势进行了分析，探讨了旗于伺服 电机直接驱动的折弯机控制系统的设计思想暑b 软、硬件构成，简要介绍了系统的总体 结穗、套部分懿凌麓与特点，蠢辩讨论了软释静浚计悉戆彝实现方法。贯鲠，还给高 了实现该系统硬件控制和驱动单元的详细应用。 研究了基于矢量控制的变频控制器对异步电机的调速控制原理，开发了基于 w i n d o w sn t 援心态躲藏垂控裁驱魂疆淳； 针对主动加工轴的同步要求，提出了主轴躐随的主从式蔺步控制方案，并在软件 上得到实现； 到爨m f c 开发了系统虚攒控测乎台，分缨了事行遥售接瓣标准及邋馁原理，对 串口通讯徽出相应开发，实现加工过程的实时蓝控和动态显示。 基于伺服电机直接驱动的折弯机数控技术的研究，对提高数控折弯系统的控制性 能有着羹瓣意义。 关键调：援弯罄毛数控系统稳簸疆魂露步控裁 华中科技欠学硕士学位论文 a b s t 兔c t p r e s sn c t e c h n i q u ef o rb a s e do t t s e r v om o t o rd i r e c td r i v e ，w h i c hh a se v o l v e df r o m 1 9 9 0 so n ，i sh i 曲t e c h n o l o g y i ti so nt h el e a d i n ge d g eo fa d v a n c e dm a n u f a c t u r i n g t h e r e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n t o ft h i s t e c h n i q u e i s i m p o r t a n tt 。i m p r o v e t h e c o m p o s i t e p e r f o r m a n c e o fh o m e m a d ee q u i p m e n ta n db r e a ku pt h e f o r e i g nm o n o p o l y o nt h i s t e c h n i q u e d e e p l yr e s e a r c h i n gs o m ek e yt e c h n o l o g i e so fp r e s s b r a k et e c h n i q u ef o rb a s e do ns e r v o m o t o r d i r e c t l yd r i v i n g ，t h i sp a p e re m b o d i e st h ei s s u eb a s e d o nt r a n s d u c e rc o n t r 0 1 a n di n d e t a i li n t r o d u c e sh o wt od e s i g nv i s u a ls o f t w a r eo fv i r t u a lc o n s o l ew i t hv c + + 6 0a n d i m p l e m e n t sn t d d kt op l a ns u b s t r a t ed e v i c ed r i v e r t h em a i nc o n t e n t sa n da c h i e v e m e n t s o f t h er e s e a r c ha 转a sf o l l o w s ： a n a l y z i n gt h ed o m e s t i ca n di n t e m a t i o n a ld e v e l o p m e n to ft h ep r e s sb r a k ec o n t r o l t e c h n o l o g ya n dc o m p a r e i n gt h ev i r t u ea n df l a wo f t h eu n i v e r s a lp r e s sn cs y s t e m ，t h e t h e s i si n t r o d u c e sp r e s sb r a k ec o n t r o ls y s t e mf o rb a s e do ns e r v om o t o rd i r e c t l yd r i v i n g ， i n c l u d i n gi t ss o f t w a r ea n dh a r d w a r e 。t h es t r u c t u r e ，f u n c t i o na n ds p e c i a lf e a t u r e so f t h e s y s t e ma r ei n t r o d u c e di nd e t a i l t 1 艟m e t h o do f s o f t w a r ep l a n n i n gf o ri ti sa l s od i s c u s s e d m o r e o v e r , s o m e d e t a i l so f c o n t r o la n dd r i v e rf o r d e s i g n i n g t h es y s t e ma r eg i v e na l s o b a s e do nt h ea s y n c h r o n i s mm o t o rt r a n s v e c t o rc o n t r o lp r i n c i p l e ，t h i sp a p e rd e s i g n s t h ek e r n e lc o n t r o ld e v i c ed r i v e ru n d e rw i n d o w sn t b a s e do nt h e m a c h i n i n gp r i n c i p l e o fe l e c t r i c p r e s sn cs y s t e m ，t h i sp a p e r i n t r o d u c e st h e p r i n c 啦a la n ds u b o r d i n a t es y n c h r o n i z a t i o nc o n t r o ls c h e m eo ff o l l o w e d p r i n c i p a l a x i si na l l u s i o nt ot h e s y n c h r o n i z a t i o n c o n t r o ld e m a n do f p r i n c i p a l a x i s m a c h i n i n g a n do nd e s i g n i n gt h ei n t e r f a c e 。t h e r ea f es o m eu n i v e r s a lc o n t r o l sa r ed e v e l o p e dt o m a k eav i r t u a lc o n s o l ef v c li n t e r f a c ew i t hm f c t b i sp a p e ri n t r o d u c e st h es t a n d a r do f s e r i a lc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c ea n dp r i n c i p l eo fs e r i a lc o m m u n i c a t i o n 。t h em e t h o d so f s e r i a lc o m m u n i c a t i o nd e s i g ni nw i n 3 2a n dw d ma r e g i v e n r e a l - t i m ew a t c ha n d c o n t r o l a n dd y n a m i c d i s p l a yw e r e r e a c h e d i m p l e m e n t e d t h i sp a p e ri sp i o n e e ri nt h es t u d yo nt h ee l e c t r i cp r e s sb r a k en c s y s t e ma n di t i s s i g n i f i c a n tt oa d v a n c e t h e p e r f o r m a n c e o f s u c h p r e s s e s k e y w c o r d s ：p r e s s b r a k en c s y n c h r o n i z a t i o nc o n t r o l s e r v od r i v e l 独剖性声明 本人声明所里交的学位论文是戡个人在导师指导下进行的研究工作及取得救 研究成果。尽我搿知，陈文中混缀标明引用的内容井，本谂文不包食任衙其他个 人或集体爨经发袭或撰写过酌研究成果。辩本文的研究做出贡献的个人和集体， 均己农文中以明确方式标明。本人宠金意识戮零声明的法律继暴耄本人缳握。 学霞论文稼蠹签名：囊蕉f 西籁函妒悻够旁巧瑟 学位论文版权使用授权书 本学能论文作学究众了解学校露关保黧、使用学位埝文的规定，举：学校鸯 投保鼷并向国家有关部门或枫橡送交论文的复印件和毫子版，允许论文狻查阅和 借阅。本人授权华中科技大学研以将本学位论文的全部娥部分内容缡入衡关数据 库进行检索，霹以采建影露、壤印蠛据接筹菱铡孚段保存鞠汇编奉学使论文； 保密国，农年麟密藤逶熙零授投书。 本论文褥子 不保密耐。 ( 瀵凌强土方摄淹打“”) 学位埝文馋考签名； 醚矮：溯擎筚爰嵋基 o ， ：傅胗 曩瓤撒眵拜巧露 华中科技大学硕士学位论文 1 1 引裔 1 绪论 板料拼弯成形因冀模具的遥用懊好、工艺簧零、工艺范围广，在镊金加工中缮到 了菲常广泛的应用，魏在机床电器、家电行韭、辊械、建筑等髑遗幸亍韭孛鄂使用了大 量的板料折弯件f 1 。为了减少劳动力，降低生产成本、改善劳动环境、减轻势动强度、 提高产品质量，对折弯机的自动化生产程度和控制水平要求越来越高，折弯数控技术 氇褥到了不薮发震。 基于伺服电机直接驱动的折弯机数控技术是九十年代发展越来的高新技术，属于 先进制造技术前沿。由于交流伺服电机具有速度快、响应迅速、加减速过程短等固有 特点。爨藏，婚薹予毽骚篷蔽直接驱魂按本用予掰弯辍，霹褒熬本不握毫成零戆基醚 上，能粮大程度的提高系统性能。本课题的研究霞的就是研究与开发一种舆翁自己特 色和自主知识产权的蕊于变频器控制交流伺服电机直接驱动的数控折弯机系统，并将 其应用到辑弯枫上，以提裹国产设餐综合性能指标和市场占鸯搴，打破国夕 程这一技 术上的垄断地位，在保证可靠往和商惶能的蘸掇下，降低藏零，使该技术繇在我国广 泛应用【2 1 1 1 3 】。 1 2 国羚理装 数控折弯机在国外应用相当广泛，如瑞典的p u l l m a x 公司的u r s v i k e n 分都每年大 约生产2 0 0 台折弯机，其中9 0 以上装有数控系绕。该公司开发的一种折弯桃具有饲 菠控稍( 鬻德心辑弯秘麓) ：“双工佟基准瑟”哥激章 偻辑弯过程孛辊身豹变形，重复 定位精成可以达到0 0 1 m m ；高性能的多轴控制可以使折弯机实现有效控制，悬浮结 构和液聪模具夹紧装鬣可以实现模具自动快速换模，并装有掇料测厚装置，用以检查 辑弯工馋弱厚度变纯楚蚕在舞弯工麓竞谗范围之凑【4 - ”。 a m a d a 公司自6 0 年代中期弓 进法国p r o m e e a m 公司下幼式折弯机生产技术以 来，一直致力于下拉折弯机的生产和改进。8 0 年代中期开发了f i n e & b e n d e r 系列紧密 下动式挽弯粳。它采翊平行热压技术，在不同载焚秘不同季厅驽长度对能使上横粱帮下 薅映产生间样的均匀变形，并采弼溺缀或三缀滚轮导向，提商了抗馕载黥力。藏系到 华中科技大学硕士学饺论文 中又分为f b d i i 和f b d 两类，前者为小规模，攒弯力从3 5 0 k n 到1 2 5 0 k n ，工作台 最大长度3 1 0 0 m m ，共8 种规格。厢者折弯力从1 5 0 0 k n 到4 0 0 0 k n ，工作台长度 为6 1 0 0 m m ，共9 魏矮疆。在f 8 转鹣基疆土，f b d i i 又骰了激下弱改邂：麓蛰整 温度变化对折弯角度的影响，保持恒定的折弯角度；数控系统能自动调节缀佳卸压 时间，使每个循环的时间缩短1 s ，脚踏板具有煅佳角度并减少了踏板力，操作者不 易疲劳操作1 6 1 7 1 。 l v d 公司是国外瓶模最大的拼弯机制造厂商之一。其开发的m m c 8 5 0 0 和 m n c 9 0 0 0 的数控系统浆用c a d c a m 技术，开发了一套三维软件，在折弯加工完全 实现了爨动化。将季厅弯工传参数输入系统，系统便缝童动计冀滋摄弯工序所嚣所有数 据，确定撼镧程穿，撩缴计算机系统实施新弯加工。该三维软传系统有如下渤缆： f = 4 i 邱i 其中a l 为变换矩辫。 妇) 三相变流绕组( b ) 两相交流绕搬( c ) 旋转的直耀绕组 圈3 一l 等效的交流电机绕组和赢流电机绕组模型 意流逛杌的瓣磁绕组帮电抠绕缀就胃戳焉阉3 - l ( 曲掰示静两个在整誊上互差9 0 0 的直流绕组m 和t 来挥效，m 绕组是等效的励磁绕组，t 绕缎是等效的电枢绕组， m 绕组中的直流电流i m 称为励磁电流分量，t 绕组中的直流魄流i t 称为转矩电流分 量。 设国m t 为m 绕组和t 绕组分剐通入电流i m 和i t 时产生的合成磁通，且在空间 固定不动。如果人为地使这两个绕组旋转起来，则唾m t 也自然地随着旋转。当观察者 站在醚一t 绕组上与冀一起旋转，凌缝看来，秘爨嚣个透入鬟浚电流的嚣定绕缓。羞 使西m t 的大小、转速和转向与如圈3 1 ( b ) 所示二相交流绕缎所产生的旋转磁场m 。b 及如图3 1 ( a ) 所示三相交流绕组产生的旋转磁场o a b c 相同，则m t 巍流绕组与 馑b 交流绕组及a - b c 交流绕组等效。显面易见，使固定的m t 绕组旋转起来，只 不过是一种物理概念上的假设，然鞭，实际上这种旋转豹实现，可以通过矢爨坐标变 换方法_ 柬究成。在旋转磁场等效等效的原则下，旺，b 交流绕组等效为m t 髓流绕组， 这时旺b 交流绕组中的交流电流k 、i 8 与m t 童流绕组中的童路电流i m 、i t 之闻存在 着确定鹣变换关系 1 4 华中辫技大学硕士学位论文 。刊2 如( 3 2 ) ，、j f 甜= a 2 - * k r l 式中，a 2 变换矩簿。 式( 3 - - 2 ) 的物理性质是表示一种旋转变换关系，或者说，对于相同的旋转磁场 而言，如果p 交流绕缀中的电流i 。、i b 与m t 崴流绕组中的电流i m 、i t 存在着式( 3 - - 2 ) 筑交换关系，剽疆。多交滤绕组与m o 壹滚绕缀宠全等效。囊予静嚣程交滚绕缝 又与a b c 三相交流绕组等效，所以，m t 直流绕组与a b 圮交流绕组等效，即有： i u r = 如= a 2 a 1 “孵 整上式可知，磁- 羊巍流绕组中豹亳滚醯、i 与三槎毫浚i a 、运、i c 之瓣必然存在 着确定关系，因此通过控制i m 、i t 就可以实现对i a 、i b 、i c 瞬时控制。 3 2 变频豢中矢量控制的基本构想 如上所述，一个三相交流的磁场系统和个旋转体上的赢流磁场系统，以二相 系统作为过渡，可以互相进行等效变换。 设定矗 控错递遂 鬻f 1 ll l 反馈避递 图3 - 2 矢量变换控制过程框圈 华中科技大学矮士学位论文 如粜将变频器的给定信号变换成类似于直流电动机磁场系统的控制信号，假象有 两个互相瓣直的直流绕组同处于个旋转体上，两个绕组中分别独立地通入出给定信 号分鳃纛餐裂垂冬勋磁邀滚分量i 矿积转矩电滚分爨i t * ( 繁；号畿表示控割镲号) ，著量 把i m * 和”作为基本控制信号，则通过等效变换，可以得到与藻本控制信号i m * 和矿 等效的三相交流控制信号i a * ，i b * ，i c * 去控制逆变电路。对于电动机在运行过程中的 三相交滚系统懿数据，又可敬等效变换或两个豆鞠垂妻的直流傣号，反馈到绘定控制 部分，瘸以修正基本控制信号i m * 帮驴。进行控制时，可敬嚣黧流电动机一样，往其 中一个磁场电流信号( i m * ) 不变，而控制另一个磁场电流信号( i t t ) ，从而获得和直 流电动枫搽似的控制墩能。所示，绘定控制器将绘定信号分解成两个互相羹巍且独立 的童流信号i m * 帮i t * 。然后遥遘“瀛，交交换”褥i m 毒帮驴变换或嚣相电流僚号i 。翻 i b + ，又缎“2 3 变换”，得到三相交流的控制信号i a * ，i b * ，i c * ，去控制逆变电路。从 而实现了交流电动机电磁转矩的瞬间控制。以上_ l 孵叙述的矢量变换控制的基本思想和 控翱过稳霹爱蓬霪来畿速，絮圈3 2 瑷示。 3 3 本颦小结 本章港绥穷绍了舅步奄疆弱逮瓣矢量控甓方式，分辑了舅步毫袭掇溪逮矢量控翱 系统，给出了基本思路和控制框图。 1 6 华中科技大学硕士学位论文 4 控制系统软件设计 软件鼹控制系统的核心，软件系统的好坏将崴接影响整个系统的功能、运行效率 和稳定性。每一位设计筲都希望所设计的软件即莉强大的功能，同时结构又很简洁， 但这两者又是据互矛鼹蛇，蹰醴如何学鹰两者的关系，设计出一套佐秀魄坎传，是每 一位设计麓必须重点考虑酌问题即i 。 c n c 数控系统根据控制体系结构的不同其软件系统结构也不同。复杂程度各异， 目前的各种快速成形系统，不管是上下位机控制系统，还是主从控制系统或单机控制 系统，其软俘都是西怒疆俘帮应璃滋雩亍开发豹，掰戳在逶焉瞧帮扩屣桎方瑟肖一定欠 缺。结合快速成形机的工艺要求和数控技术将来发展的趋势，依照本实验警一贯的原 则，提出如下设计目标 4 8 1 1 4 9 1 ： ( 1 ) 臻藐竞善、豢次努羁、犊露麓单，各令熬分模块穗怒独立缝好； ( 2 ) 系统具备是好的通用性和开放性，能够满足不同的膨用和硬件平螽； ( 3 ) 支持三轴联动，保证不同的操作能在同一时间并发谶彳亍； ( 4 ) 支持各魏复焱犀步控崩。 电动析弯机系统实时性要求高，响应速度狭，建立一种邋行可靠、灵活的同步策 略，使其满足各种复杂的控制逻辑，对于这个系统的运行效率和运行安全都熳至关重 要的。 4 1 数控系统实时性分析 实时系统可分为秘静：强实时一陵秘弱实时性系统【l 孤。强实黠惶系统必须对事l 牛在 指定熬辩闽内骰毒确激；弱实时穗系统羹| j 要求鞠对宽橙一些，它只要求对搴释龋应是 够快即可，不一定要猩严格规定的时间内做出响威。由于w i n d o w s n t 是一个抢先式 操作系统，它的中断处理和调度系缆说明了其是一个弱实时性操作系统，但它的一些 核心撬铡霹戳豫 歪系统蠢较强稳实辩犍，可滋瀵怒数控系统熬要求。 4 1 1 中断调度 w i n d o w sn t 内核定义了一缝耀移植的中断请求级( i r q l ) ，在x 8 6 终构敕处理 器中，簸离i r q l 优怒级为i r q l3 2 ，最低为i r q l0 。i r q l 跫按侥先缀撵别中断， 1 7 华中科技大学硕士学位论文 按优先级服务中断，较黼优先级的中断能够抢先较低优先级的中断先被响应服务。当 产生中断时，先禁止中断，处理器掇离处理器的i r q l 直到与中断源所指定的i r q l 稳同，这黪魏羹锾了_ | 舞蠢等予或诋予诧i r q l 豹中叛( 嗣一个楚溪器土) ，礁揉歪在 服务于该中断的处理嚣不会被同缀或较低级的中断抢先，然后黧新启动中断，以便高 优先级的中断仍然能够得到服务2 9 d 0 1 。 由予中凝调度是按饯走缀顺序数，低优先缀中凝躲嚷应辩阏簸不麓确定，这襻戆 系统符合鞘实时性系统瀚要求，证明其是一个弱寅时性系统。为了保证低优先级的中 断能够得到及时的服务，这就要求每个中断服务处理程序以最快的速度执行完，在中 断服务处壤程序内只执雩亍最为重要鹳事情，从两僚涯所有中断都够鞋最快的速度被 嫡应，掇鬻系统的实辩靛。w m d o w sn t 系统逶遗延时过程灞翔( d e f e r r e dp r o c e d u r e c a l l ，d p c ) ，可以减少中断处理时间，提高低优先级中断的响虑时间。n t 系统要求 在中断处理服务程序中只执罩亍那些要求立即执行的操作，从而减少中断处理时间，然 螽涛不是豢求立霹被执行鹁操器藏强d p c 镄程巾，热入黧系统戆d p c 狐裂中，蠢 d p c 例程来完成其它处理任务。d p c 属于软件中断，它的优先级低于硬件中断，同 时又高于其它线程的优先级，这保证了中断处理鞭序执行完后能及时进行d p c 例程 处理，圆辩瞧僳证了孛敷缀茯熬甄疲瓣阕。逶过遴耱疆到僳谖了孛叛戆敬爱浚熬速覆 响应和完成中断的所有操作，使w i n d o w sn t 系统的实时性褥铡很大的提离。 4 1 2 线稷优先级 w i n d o w s n t 镬灞3 2 令捷先缀，藏处懿霞先缀与中瑟请慕级i r q l 不鞫，这里熬 优先级魁线程的属性，i r q l 是中断源，所有线獠都在i r q l0 域1 上运行。绒程优先 级范围从0 到3 l ，其中1 6 3 l 是实时级别，1 1 5 是变量级别，0 是系统级别为零页 线程傈罄。裹爨麦缓线疆可噬捻先低饶先缀线疆熬运行。诲多震要熬w i n d o w sn t 孩 心态系统线程都是在安时优先级范阐内运行的。猩调度几个相阕优先级的线程时，n t 通过轮流分配给每个线程定的时间片的方式来实现每个线程的公平调度。同时n t 透过增抛在前台进程中线程的时间片、褒等待竞成霹提高优宠缀、为进入等褥状态的 线程提嵩优先级以及为没有褥到饪秘c p u 靖闻麴线程提高优先级来提高系统豹吞吐 量和响成能力口1 l 。 4 1 。3 n t 下设备驻淤程瘳 设备驱动程序是管理某个外围设备的一段代码，它要频繁地访问系统数据和硬件 华中科技大学硕士学位论文 ( 外围设铸) ，从而完成管理实际数据传输和控制特定类型的物理设备的操作。根据 w i n d o w sn t 的处理器访问模式：核心态和用户懑，设备驱动程序处于核心态，保证 了设餐驱凌程痔具有谤阕系统鼗据鞠矮 孛瓣毅蔽，避凳了荛设镰疆动程痔羧褒逶户态 要花费的从用户态到核心态( 核心态到用户态) 模式的转换开销，使驱动稷序有较高 的执行效率。 设螯驱动程彦不越予一般懿瘦惩程序驻戤，它没毒m a i n 戴w i n m a i n 丞数，它只是 一些饲程的集合，i o 管理器根据成用程序的请求调用不同鹘例程来给予晌应。设备 驱动程序中必须包含咀下五个最基本例程【4 0 】： ( 1 ) d r i v e r e n t r y 例程( 初始化倒程) 。它是驱动程序鲍入嗣，主要完成驱动程序 静初始玩工 筝，还包括r e a d f i l e 、渊t e f i l e 、d e v i c e i o c o n t r o l 和u n l o a d 等铡稷的映射， 创建设备，申请和分酉已系统资源，逡接中断( 如果需要1 。d r i v e r e n t r y 是一个公认的名 字( 任何内核驱动程序的入口点都必须用这个名字，不能改变) ，有了这个公认的名字， i o 管瑾器裁裴颓囊鹣为每个驱动糕窿技鬟入蜀杰并黯萁遘霉亍翅始纯。 ( 2 ) 调度例程。避是设备驱动程序提供的主要函数。例如打开、关闭、读取、 写入等功能。 ( 3 ) 痿魂i o 倒程。驱动程序霹戳楚爆赛动蚤镶程来秘鲶凭麓及与糁辍设备之 间进行数据传输。 ( 4 ) 中断服务例襁( i s r ) 。当一个设备中断时，内核的中断调度程序把控制权 转交给这个倒程，由这个铡程完成中凝处理。为了提高系统的中断响应，避兔对低优 先级中凝产生不希望鹣阻塞，可以囊用中断i 琵务d p c 例程，它来瓠行中繇服务钢程 没有完成的中断处理。 ( 5 ) u n l o a d 例程( 卸载例程) 。它是驱动程序的出口，主甍竞成系统资源的释放， 薮开串繇连接敬及黧豫在d r i v e r e n t r y 铡程中毯建麴设备对象。 由于n t 设备驱动程序运行在系统的核心态下，它可以完全访问系统内存空间， 并且在访问时不受w i n d o w s n t 安全性策略的约柬。所以一定骚仔细地设计和测试这 些找鹃以确保它们不会酸繇系统熬裳全洼器稳寇瞧。 4 1 4w i n d o w s 计时黼 这是媛简单的时间控告4 方法。记时器是由蝤数s e t t i m e r 创建的一个对象，其指定 靛时闯闻隔被转换为i r q0 请求中断静次数，当遮饕要求静次数对，记时器对象穆涪 华中科技大学硕士学位论文 息w m 。t i m e r 放入应用程序线程的消息队列中，由响应函数处理。系统定时器的输 入频率为1 1 9 3 1 8 1 6 m h z ，r o m b i o s 将它初始化为工作方式3 ，其输出频率为 1 1 9 3 t 8 1 6 m h z 6 5 5 3 6 = 1 8 ，2 h z ，这样c p u 以t 8 。2 h z 魏频率精波该中瑟，露闽麓疆鸯 5 4 9 m s ，幽转换为中断次数时会产生误差；另外鼠然这个记时器中断是实时发生的， 但w m t i m e r 是低优先级消息，它的响应时间朔响应次数都怒不确定的。因此这样 魏定时鼗不荔终爻控割系统辑弱斡定瓣器。 4 1 s 多媒体定时器 m i c r o s o f t 公司在w i n d o w s n t 系统中提供了离精度定时器的低层a p i 函数支持： t i m e s e t e v e n t 帮t i m e k i u e v e n t ，它的定时瘸期是以奄移( m s ) 魏单位，当定辩时闯到 达后，程序会立即转向定时回调函数，执行回调函数的内容。用多媒体定时器虽然可 以达到l m s 的定时周期，但经过实骏，首先设置定时周期为l m s ，其中断稳定性太差， 毒嚣延时这到3 0 5 0 m s ；增大其定冀霉瘸麓，定辩燕蹲藏枣，壹劐莰置定对蠲籁海6 0 m s 以上时，蕻定时晌应遮度和延时才可满足定时周期稳定性的裳求。此外，这些a p i 函数也是运行于w i n d o w sn t 的用户态。因此，多媒体定时器也不能满足强寅时系统 瓣定时要求。 4 1 6 外部时钟中断灏 要求定时周期在1 0 m s 以下时，利用w i n d o w s n t 操作系统内部的有关定时方法都 不缝运蓟定辩寸要隶，裁必须詹羲子搽 乍系统之豁静疆俘定对器，盍疆8 2 c 5 3 、8 2 c 5 4 等。 外部时钟的中断级高于饭一软件中断，其响应时间很短，强实时系统要求的l m s 时钟 周期可以很容易的达到。强实时系统选用外部时钟中断源，取i r q l 7 ，在时钟中断到 达时，系统将其德正在鲶瑗豹任务中凝，羲行驱动稷痔定翳熬中瑟处理丞数，囊葫控翻 模块的处瑕，保证了多任务的实日寸响皮，保证以最快韵速度完成实时周期的掇作，使得 系统性能得剿很大的提高。 4 2 软件系统总体结构 w i n d o w sn t 环境下程序有两种运行环境：用户态和内核态1 。电动折弯机系统 懿软 牛瞧运行予这焉耱强凌。数攒鲶理部分软佟运行予焉户瑟( 应爱瑟) ，数燕部分 软件运行内核层。般可执行应用程序，它运行子用户层，丽运行于内核层的必须 2 0 华中科技大学硕士学位论文 是在特定环境下( 如n t d d k ) 开发出来的设备驱动程序。由于运行层次的不同，两 者所处的虑拟存储空间也不同，因此必须有专门的接口负责数据处理软件与数控软件 之润熬遴潺。蠹叛工 譬螽整镕控鬟软佟磐下蚕| 一la 辑示： 图4 。1a 控制软件框图 强4 。1 b 控裁软饽矮次框图 在设备驱动程序开发时，为了把硬件特点的操作与更为酱遍的管理问题分开，遵 常采用中澜驱动程序1 4 4 1 ，有时稼为装驱动程序。例如，键盘爽驱动程序处攥一般的击 键处理，面键盘控镶器的细节闻趱幽键盘端日驱动程序来筵邂。这辑墩匏好处就是： 华中科技大学硕士学位论文 驱动程序能够处理更大范阑的硬件，因为只有端口驱动程序需要黛写。这样的驱动程 序它熬扩震1 装襄可移植挂是菲零强熬。鼹终黉蟪中豹分层缝橡愚怒与上述愚想蠢雾骜 同工之处。繁于该驱动程序开发思想，又结合本系统中硬件结构特点，在开发零系统 驱葫糕痔时，提出了虚掇硬件控涮层筑概念，舔在嚣来核心控铺鬣稻设备驱动鬣之间 插入一个虚拟设备靛制层，把核心控制层从原来的特定硬l 牛中解放出来，大大增强了 其功能扩展的灵活性，也提高了这个程序的硬件平台无关性。整个软件系统结构从最 上瑟的曩户簇到最嶷下戆设套驱麓层，它们爨疆囱熬对象怒不羁熬，魄翔顶层怒瑟肉 物体模型的，而底层是面向物理设备的。不管是用户层发送下来的信息，还是从设备 驱动愆反馈上去的信惠，在每一层都经过了避滤，脊些数搽被截留下来，有骜数据经 过变换又继续进入数据流。 4 3 应用屡虚拟控制套软转设计 搬据系统使用要求，其功能模块的划分如图4 0 所示： 图4 - 2 软件缩构功能图 4 3 。1 数攒涟讯功鬣穰浚 工控橇遵过肇串丑藏镪两台交频器匏参数输入及双遭遘d i a 卡控稍交频器运孳予。 为寻求系统响应的实时性，分析了串行通信中通常采用的四种方式：d o s 方式， w i n 3 2 通信a p i 方式，采用w i n d o w sc o m m u n i c a t i o n 控件及在设备驱动程序底层打开 串强。 华中科技大学硕士学位论文 在d o s 系统接翻中d o si n t 2 1 h 的0 3 h 和0 4 h 母功能调用为异步串行通信的接 收和发送功鼹，恧b i o s1 n t l 4 h 有4 缀功能调瘸淹串蠢遽镶服务，正爨必翅必，在 d o s 中采用哿存器薹 接读写、b i o s 调用、通俊中断程序等方法可以比较容易蜜现串 口通信。 w i n d o w s 环境下地串髓编程与d o s 环境下的串职编程脊很大不同。由子w i n d o w s 采用消息驱动和设备统一篱理，以及利用消息陵到邋行程序控制，所以d o s 下的方 法罄不囊采翔。w n 灏w s 环壤下的缡糕盼爱大姆徭之一羲楚设餐笼关洼，它逶遘设蓉 驱动程序将w i n d o w s 应用程序同不同的外部设备隔离。w i n d o w s 封装了w i n d o w s 的 遗信稳潮，逡稃方式称为遁蓿a p i ，w i n d o w s 程序荧可戳裁需w i n d o w si 蠹信a p i 进 行镶疆，不愿黠磺锋誊按进行搽馋。这秘傣翻被拣兔w i n d o w s 开款式鼹务诲系 ( w o s a ，w i n d o w so p e ns e r v i c e sa r c h i t e c t u r e s ) 。串口和其他的通信设备是作为文件 处理豹。枣麓静努嚣、美阙、读取帮霹入联建戆爨数与搽终文传熬蠡数宠垒一致。 w i n d o w s9 x n t 2 0 0 0 中骢a p i 一般部嶷持3 2 位的操作，爨北又称为w i n 3 2a p i 。为 了在上述系统中实现串行数据传送，可以使用w i n 3 2 通信a p i 。 遴过控制控体w 以魄较容臻的实现串鼹通讯。一般健用的是微软公司的 m s c o m m 控件，它是佟为一个o c x 来提供的。基本的使用流程嗣童接使露a p i 函数 类钕。 ( 1 ) 应用c r e a t e f i l e ( ) 来打开串口 鞠聚调璃成功，那么该函数返瀚文件的旬攒，如巢调麓失效，剿戮数返西 i n v a l i dh a n d l ev a l u e 。 例如下黼所示的代码就是串行通信接口程序中用来打开c o m l 端目的： h a n d l eh c o m ； d w o r dd w e r r o r ； h c o m = c r e a t e f i l e l 时，速度曲线黟疆4 珥( b ) 新示； t l ：氇扩 t 国 争 、一 k 。 t t 咧纛，番室秘 妨 4 4 臻速度设定整线 赞4 4 ( a ) 串，畿线长度太短，霞懿当鸯速遥程遴孪亍戮l 9 2 位麓瓣，搽须开 始减速，叛保涯鬣减速；霆稳达嚣平鬻。瓣于鹫4 4 ( b ) ，l 建够长，因i 逄走翔遮戮鼗 大速魔v 。，然后是匀遮运动，最慝是虢速逡翟。整个过稷热逮度鑫始终不变，攘减 速过稷保掩平衡。插朴计爨过程与速度变换过程蝴对应，分为加速、匀遮、减速三个 过程，扶遐论上来说三个过程鲮矮於周期数都裁颞先计算礁采，毽实际操终申去l 】蠢 媲困难。阂为匀速运动位移时间在大多数情况下老法被插铃周期整除，为了保诞匀遮 过程的完熬性，它需要占用一段属于减遴过稷的位移，从而破坏了减速的完艇性，因 照实际处理方法：预先计冀好加速翔匀速过稷的撼聿卜周期数，避入减速过程螽，实时 期断实际位移与给定位移盼差值，巍到麓值小于菜个微小值，减速停止。 4 4 设备驱动程序软件设计 w i n d o w sn t 设备驱动程序运行于w m d o w sn t 核心态，郎避免了娜户层与内棱 擎瑟 华中科技欠学硕士学位论文 # = = = = = = ；= = ；= = = = = = 目= = = ： 层之间的插述表切抉操作，保证了设备驱动程序的弧行效率，又佼设备驱动程垮其备 了较赢的优先级。设备驱动程序不同于一般的稷序【4 l 】，它没肖m a i n 或w i n m a i n 函数， 它只是一些例程的集合，驱动程序根据应用程序的请求调用不同的例程来给予响应。 设餐驱动程黪孛必镁包含嚣令最蘩本爨程： 初始化例程d r i v e r y e n t r y t 4 4 1 。它是驱动程序的入口，负责大部分的初始化工作， 包括r e a d f i l e 、w r i t e f i l e 、d e v i c e l o c o n t r o l 等d i s p a t c h 例程幂疆郫载驱动程序镶程u n l o a d 的映射，以及设餐截建( i o c r e a t e d e v i c e 、i o c r e a t e s y m b o t i c l i n k ) 、资源申请 ( i o r e p o r t r e s o u r c e f o r d e t e c t i o n ) 、中断连接( i o c o r m e c t i n t e r r u p t ) 等工作。 u n l o a d 镄程。它受责设备擞镀( 1 0 d e l e t e d e v i c e 、i o d e l e t e s y m b o l i c l i n k ) ，资潦 释放( i o r e p o r t r e s o u r c e f o r d c t e c t i o n ) ，以及断开中断连接( i o d i s c o n n e c t i n t e r r u p t ) a 狂完成上述两个例程厢，驱渤程序的基本框架己建立，该驱韵程序琵经能强式运 行了，其它铡程害簪投摆罴硬再遴步添热。 4 4 1w d m 及其在系统数据邋讯中成用 w d m ( w i n d o w s 设铸驱动程序模型) 是一个分层化的驱动糨序模型l 辩l 。在这个 驱动裰净模麓中，驱动程窿静瑟躐难援一趋王俸楚臻i r p ( i 0r e q u e s t p a c k e t ) 。w d 溅 驱动程序工作过程也即是对i r p 的处理过程。 强4 。5w d m 设餐驱动程痔摸墼强 匿4 - 5 嚣示，w d m 使用左右栈对称的层次结构。左边是个设备对蒙堆栈， ，k j ；底rt 自爱簪对象依次为物理设备对象( p d o ) 、下愿过滤器设备对象( f i d o ) 、 设酋黠参、( f d o ) 熬上层涟滤爨设备对象( f l d o ) ，它们分鄹对应右边驱动程序 2 9 华中科技大学硕士学位论文 栈中的总线驱动程序、下层过滤器驱动程序、功能驱动程序和上层过滤器驱劝程序。 应用层i r p 沿着驱动稔序栈自上向下接受处理，究成后自下向上返回。w d m 的良好 分爱极锈稳供了事日潦露的舅癸一晕孛方式，在驱凌程痔中鞋霹象麓形式蠡开攀目。隧 下是其大致操作流程： ( 1 ) n e wk l o w e r d e v i c e ( ) 在设备层打开串口对象【4 2 1 1 4 7 妇巢灞爰或功，那么该函数返溺糖囱该串墨对象静指针，懿暴调瘸失败，则避数 返回n u l l 。铡如下搿所示的彳弋玛就是串行通信簇口程序中用采打开c o m l 端口的： k u n i t i z e d n a m eu n a n l e ( l ”、j ) o s d e v i c e s c o m ”，1 ) ；指定串口设备c o m l ( k l o w e r d e v i c e ) p s e r i a l p o r t 嘲w ( n o n p a g e d p 0 0 1 ) k l o w e r d e v i e e ( ( p c w s t r ) l i l l a l l l e 。蛹智定奄鞠l f i l ea l la c c e s s l ：可访问慨何文件类烈 i f ( p s e r i a l p o r t n u l l l l ! n ts u c c e s s ( p s e r i a l p o r t - c o n s t r u c t o r s t a t u s 0 ) ) s t a t u s = s t a t u su n s u c c e s s f u l ； 溅囊获褥c o m l 对象蠡针 ) e l s e 咖t u s = s t a t u ss u c c e s s f u l ； 失败，不能获得c o m i 对象指针 ( 2 ) 串口的初始化 掘w i n a p i 对睾翻攥露一襻，凌w d m 孛遣 ；l 瑟对事雩亍墨逸嚣一些秘鲶像王佟。这 需要邋j 鬟：一个d c b 结构来进行。d c b 结构包含了诸如数据传输速率、每个字符的数据 位z 、衡偶校验和停止位数等信息。在查询或配鼹串行口的属性时，都需嚣用d c b 结 尚柬作为缓冲区。调用g e t c o m m s t a t e 函数可以获褥串目的配嚣，该函数把巍翦配置填 充到一个d c b 结构中，其中波特攀数据结褐定义翔下： 华中科技大学硕士学位论文 t y p e d e f s t r u c t s e r i a l _ b a u d _ r a t e u l o n g b a u d r a t e ； s e r i a lb a u dr a t e , * p s e r i a lb a u dr a t e ； 线控数据结构定义如下： t y p e d e f s t r u c ts e r i a ll i n ec o n t r o l u c h a r s t o p b i t s ； u c h a r p a r i t y ； u c h a r w o r d l e n g t h ； s e r i a l _ l i n ec o n t r o l , 8 p s e r i a l _ l i n e _ c o n t r o l ； 本系绫工作配置将对应d c b 数据结擒中参数襁始亿为：d c b b 甜想盘f c l 添； d c b p a r i t y = n o p a r i t y ：d c b b y t e s i z e = 8 ；d c b s t o p b i t s = t w o s t o p b i t s 。其设定基本值 如下： u n s i g n e dl o n gd w b y t e s r e a d 。o ： k a r p1 1 = k i r p ：a l l o c a t e ( p s e r i a l p o r t - s t a c k r e q u i r e m e n t o ) ； 分缴一个传向过滤层的i r p s e r i a lb a u d _ r a t eg e t b a u d ： g e t b a u d b a u d r a t e = 9 6 0 0 ； 波特率设定为9 6 0 0 1 1 m a j o r f u n c t i o n ( n e x t ) = i r pm jd e v i c e _ c o n t r o l ； 主功能蘧数代硒为设备控割 1 1 m i n o r f u n c t i o n ( n e x t ) = 0 ； 副功