（机械制造及其自动化专业论文）基于linux平台的开放式数控系统研究.pdf

摘要摘要开放式数控( o n c ) 系统已经成为现代数字化制造技术的发展趋势，体系结构由封闭走向开放，对数控技术的发展产生了深远的影响。相对于传统的数控系统，开放式数控系统在体系结构和具体实现技术上都有很大差异。本文对基于r t - l i n u x 的开放式数控系统体系的软硬件架构的进行了研究，并对整个体系结构上层的操作系统平台和机床数据库系统的搭建作了较深入的分析，提出了具体的实现方案和技术。首先，本文在全面探讨数控系统的分类特征，总结不同分类特征下数控系统特点的基础上，归纳和提炼开放式数控系统的结构特征和开放特征，并建立了基于r t - l i n u x 的新型开放式数控系统的软硬件系统模型。其次，参照实时系统的体系结构，在p c i 0 4 + 工业主机板上设计开发嵌入式r t - l i n u x 系统作为数控系统的操作平台，分别介绍了l i n u x 系统的启动引导过程、l i n u x 内核的裁剪、b u s y b o x 的编译、文件系统建立( 包括配置文件和u 盘的初始化) 以及操作系统移植，经过测试，系统已经成功启动。接着，本文综合比较了l i n u x 系统下常见的几种数据库管理系统，选择m y s q l作为开发工具。在详细分析刀具信息、报警信息和机床信息的基础上，开发了数控机床的数据库系统，包括刀具库的设计，报警库的设计和机床库的设计，并利用o t 设计开发了部分人机界面。最后，给出了本文的结论和进一步研究的思路和工作。关键词：l i n u x ：开放式数控系统；数据库；嵌入式a b s t r a c ta b s t r a c to p e na r c h i t e c t u r ee o n t r o lh a sb e e nb e c o m i n gt h ee s s e n t i a lr e q u i r e m e n tf o rm o d e r nc n cs y s t e m t h ed e v e l o p m e n to fc n ct e c h n i q u eh a sb e i n gi n f l u e n c e dg r e a t l yb ys y s t e mt e c h n o l o g i c a lr e v o l u t i o nf r o mt h ec l o s ea r c h i t e c t u r et ot h eo p e na r c h i t e c t u r e c o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a lc n cs y s t e m ，o n cs y s t e md i f f e r sg r e a t l yo nb o t ht h ei n t e g r a t e ds y s t e ms t r u c t u r ea n dc o n c r e t ea l g o r i t h m s t h ed i s s e r t a t i o nr e s e a r c h st h e0 n cs o f t h a r da r c h i t e c t u r eb a s e do nr t - l i n u x ，a n a l y z e sd e e p l yb o t ho p e r a t i o ns y s t e mo ft h ew h o l es t r u c t u r ea n dt h es e t u po fm a c h i n e t o o ld a t a b a s es y s t e m ，p u t sf o r w a r dt h ec o n c r e t ei m p l e m e n t a t i o na n dr e l a t i v et e c h n o l o g yo fo n cs y s t e m f i r s t l y ，b a s e do nt h ed i s c u s s i o n sa n ds u m m a r i z a t i o n so ft h ec h a r a c t e r i s t i c so fc n cs y s t e mi ns o m ed i f f e r e n ta s p e c t s ，t h i sd i s s e r t a t i o ng e n e r a l i z e st h en e wc h a r a c t e r i s t i c so fo p e nc n cs y s t e m ，s e t su pt h es o f t h a r ds y s t e mm o d e lo fn e wo n cs y s t e mb a s e do nr t - l i n u x s e c o n d l y ，t h ea u t h o rd e s i g n sa n dd e v e l o p e st h ee m b e d d e dr t - l i n u xa so p e r a t i o ns y s t e mo fc n cr e f e r e dt ot h ea r c h i t e c t u r eo fr e a l t i m es y s t e m ，i l l u s t r a t e sr e s p e c t i v e l yt h es t a r t - u pp r o c e s so fl i n u x ，t h er e d u c t i o no fl i n u xk e r n e l ，t h ec o m p i l i n go fb u s y b o x ，t h es e t u po ff i l es y s t e m s ( i n c l u d i n gc o n f i g u r a t i o nf i l e sa n di n i t i a l i z a t i o no fu - d i s k ) a n dt h et r a n s p l a n to fo p e r a t i o ns y s t e m a f t e rs o m et e s t s ，t h ew h o l es y s t e mh a sa l r e a d yb e e nc o m p l e t e ds u c e s s f u l l y t h i r d l y ，s e v e r a lf a m i l i a rd a t a b a s em a n a g e m e n ts y s t e m si nl i n u xa r ec o m p a r e da n dm y s q lh a sb e e nc h o s e na st h ed e v e l o p m e n tt 0 0 1 o nt h eb a s i so fa n a l y z i n gt h ei n f o r m a t i o no fc u t t i n gt o o l s ，a l a r m sa n d m a c h i n et o o l s ，t h ea u t h o rh a se x p l o i t e dt h ew h o l ed a t a b a s es y s t e mf o rn cm a c h i n et o o l s ，w h i c hi n c l u d e st o o ld a t a b a s ed e s i g n s a l a r md a t a b a s ed e s i g n sa n dm a c h i n et o o ld a t a b a s ed e s i g n s a n dp a r t so fh u m a nm a c h i n ei n t e r f a c e sh a v eb e e nd e v e l o p e db yq t f i n a l l y ，t h ei d e a sa b o u th o wt or e s e a r c ht h ep r o j e c tf u r t h e ri sg i v e nb r i e f l y k e y w o r d ：l i n u x ；o p e na r c h i t e c t u r ec n cs y s t e md a t a b a s e ；e m b e d e di i 华南理工大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名：绣拿日期：斯年6 月z ；日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入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。保密口，在一年解密后适用本授权书。本学位论文属于不保密口。( 请在以上相应方框内打“4 ”)作者签名：理奇_翩触：锄乞日期：川- 年6 月2 日日期：j r 矿年z 月o ；日第一章绪论1 1 引言第一章绪论随着机械制造业的发展，机械产品中小批量生产的趋势日盏增强，产品结构越来越合理，其性能、精度和效率也日趋提高，同时制造行业的技术信息越来越全球化共享，这就对数控系统的柔性、通用性提出了更高的要求，以此来保证制造业向着高精度、高速度、高效率、易操作、快速响应市场等方向发展1 。这一切的变化直接引发了近年来诸如：网络数控、制造集成化、远程加工等技术快速发展，这些概念最终基于一个事实：当前制造系统已不是简单的游离体，而更需要具有模块化、可扩充、相互兼容、开放式的可重构数控系统l2 | 。人们已逐步认识到传统专用c n c 系统的自成一体特性所带来的互不兼容的弊病，迫切需求具有配置灵活，功能扩展简便，基于统一规范和易于实现的开放式系统 3 | 。1 2 数控系统的发展及研究现状1 2 1 数控系统定义数字控制( n c n u m e r i c a lc o m r 0 1 ) ，简称数控，是相对模拟控制而言的，是一种自动控制技术，它是用数字化信号对机床的运动及加工过程进行控制的一种方法。数字控制技术主要包括计算机软件技术( 多任务，实时调度等) 和硬件( 数字电路，接口等) 技术，电子电器技术( 开关量继电器控制等) 和伺服驱动技术( 步进或伺服电机控制等) 以及新兴的信息技术( 网络，数据库技术等) 。数控系统由硬件和软件组成，硬件包括微处理器、存储器、位置控制、输入与输出接口、可编程序控制器、图形控制、电源等模块。软件则由系统软件和应用软件组成。系统软件又包括管理软件和控制软件，管理软件承担零件加工程序的输入输出、系统的显示和故障诊断。控制软件则承担译码处理、刀具补偿、插补运算、位置控制和速度控制等。数控系统有广义和狭义之分。广义数控系统是指实现机床自动控制的整套硬件和软件，如图1 1 所示。伺服装置( 交赢流伺服驱动器或步进驱动器) 与电机( 交直流伺服电机或步进电机) 配套使用，构成何服系统，伺服系统技术已发展得很成熟，因而相对独立。狭义上的”数控系统”不包括伺服系统，其含义主要指广义数控系统的主控制华南理工大学硕士学位论文部分，即控制计算机及其软件系统本文所说的”数控系统”，除非特别声明，都是指狭义数控系统。图1 1 数控系统构成图f i g 1 - 1n cs y s t e ms t r u c t u r e1 2 2 数控系统的发展历史1 9 4 6 年在美国诞生了世界上第一台电子计算机。1 9 5 2 年美国的麻省理工学院( m i t ) 伺服机构实验室( s e r v om e c h a n i s ml a b o r a t o r yo ft h em a s s a c h u s e t t si n s t i t u t eo f t e c h n o l o g y ) 研制出世界上第一台三坐标数控铣床，它的诞生代表了机械加工技术的一大飞跃。2 年后，第一台工业用数控机床在美国本迪克斯公司( b e n d i x - c o p e r a t i o n ) 研制成功。此后，数控机床在各国蓬勃发展。加工中心的出现，使数控机床的发展向前迈进了一大步，并大大的促进了柔性制造单元( f m c ) 、柔性制造系统( f m s ) 和计算机集成制造系统( c i m s ) 的发展。数控机床的大力推广，促使数控技术不断更新和进步。半个世纪以来，数控技术无论在硬件还是软件方面的发展都很迅速。目前，在市面上已经很难看到普通的数控( n c ) 装置，即硬件数控装置，取而代之的是计算机数控( c n c - c o m p u t e rn u m e r i c a lc o n t r 0 1 ) 装置。n c 装置由各种逻辑元件、记忆元件等组成数字逻辑电路，由硬件来实现数控功能，是固定接线的硬件结构。c n c 装置采用存储程序的专用计算机，由软件实现部分或全部数控功能，具有良好的“柔性”，容易通过改变软件来更改或扩展其功能。c n c装置由硬件和软件组成，软件在硬件的支撑下运行，离开软件硬件无法工作，二者缺一不可。目前人们所说的数控，一般均指计算机数控。从2 0 世纪5 0 年代的硬件数控到今天的基于p c 的开放式计算机数字控制系统，以硬件构成为标志，数控系统经历了以下几代变化 5 ：第一代数控：1 9 5 2 1 9 5 9 年，采用电子管构成的专用数控系统m c l ：第二代数控：从1 9 5 9 开始采用晶体管电路的n c 系统；第三代数控：从1 9 6 5 年开始采用中小规模集成电路的n c 系统：2 第一章绪论第四代数控：从1 9 7 0 年开始采用大规模集成电路的小型计算机数控( c n c ) ；第五代数控：从1 9 7 4 年开始，采用内嵌式微处理器芯片的计算机数字控制的系统( m i c r o c o m p u t e rn u m e r i c a lc o n t r o l 或m n c ) ：2 0 世纪9 0 年后，基于个人计算机( p c ) 的c n c 系统得到了很大的发展。1 9 9 4年基于p c 的c n c 控制器在美国首先亮相市场，此后这类系统获得了高速的发展，成为自有数控以来最具影响的变革，这个发展的热潮就是开放体系结构数控系统的研究与开发，这种基于p c 的开放式数控系统，被称为第六代数控系统。具有代表性的数控系统产品有s i e m e n s 的8 4 0 d ，f a n u c 的1 6 i l8 i 2 l i 系列等。但目前数控系统多采用的是封闭式体系结构，c n c 只能作为非智能的机床运动控制器。加工过程变量根据经验以固定参数形式事先设定，加工程序在实际加工前用手工方式或通过c a d c a m 及自动编程系统进行编制。c a d c a m 和c n c 之间没有反馈控制环节，整个控制过程中c n c 只是一个封闭式的开环执行机构。这种数控系统在结构上提供给用户有限的选择，用户无法对现有数控设备的功能进行修改以满足自己特殊的需求，它越来越不能满足市场发展的需要。其缺点如下：( 1 ) 与通用计算机不兼容。不同厂家的数控系统不兼容，甚至同一个厂家的不同系列的数控系统也不兼容。( 2 ) 各种数控系统的内部结构复杂。一旦数控系统发生故障，往往需要找生产厂家来维修，很不方便，而且大大提高了维修费用。( 3 ) 难以进行升级和进一步开发。( 4 ) 专用封闭式数控系统的发展一般滞后5 年左右，在计算机技术迅猛发展的今天，这是一个相当长的时间。开放式数控系统研究的主要目的是解决变化繁杂的需求与控制系统专一固定的框架之间的矛盾，从而建立一个统一的可重构的系统工具平台，极大地增强数控系统的柔性和适应性。1 2 3 开放式数控系统的概念目前对于开放式数控的具体定义还存在争论，具有权威性的i e e e ( i n s t i t u t ef o re l e c t r i c a la n de l e c t r o n i ce n g i n e e r s ：国际电气电子工程师协会) 是这样定义开放式数控系统的：“具有下列特性的系统可以被称为开放式系统：符合系统规范的应用可以运行在多个销售商的不同平台上，可以与其它的系统应用互操作，并且具有一致风格的用户交互界面( a no p e ns y s t e m p r o v i d e sc a p a b i l i t i e s t h a te n a b l ep r o p e r l yi m p l e m e n t e da p p l i c a t i o n st or u no nav a r i e t yo fp l a t f o r m sf r o mm u l t i p l ev e n d o r s ，i n t e r o p e r a t ew i t ho t h e rs y s t e m sa p p l i c a t i o n s ，a n dp r e s e n tac o n s i s t e n ts t v l eo fi n t e r a c t i o nw i t ht h eu s e r ) 6 | 。根据这一定义，开放式数控系统必须是一个模块化、层次化的软件体系结3 华南理工大学硕士学位论文构，它具备相互操作性、可移植性、可扩展性、可互换性的特点，具有定义了标准协议的通讯系统，提供统一的对外应用程序接口，使得各个功能模块能通过应用程序接口a p i 来相互交换信息并相互操作：同时，系统还应具备一个实时的配置系统，使得各个功能模块无论在系统运行之初还是之间都能够被灵活地配置。开放式系统具有以下基本特征：开放性：提供标准化环境的基础平台，允许不同功能和不同开发商的软硬件模块介入。可互操作性：通过提供标准化接口、通讯和交互机制，使不同的功能模块能与标准的应用程序接口运行于系统平台之上，并获得平等的相互操作能力，协调工作。可移植性：系统的功能软件与设备无关，即应用统一的数据格式、交互模型、控制机理，使构成系统的各个功能模块可运行于不同开发商提供的硬件平台之上。可扩展性：c n c 系统的功能模块可以灵活设置，方便修改，既可以增加硬件或软件以构成功能更强的系统，也可以裁减其功能以适应低端用户。可互换性：不同性能、不同可靠性和不同能力的功能模块可以互相替代，而不影响系统的协调运行。具有上述基本特征的数控系统可以称为开放式数控系统，这种开放式数控系统的体系结构并不是现有控制系统体系结构的简单结合，而是在博采众长的基础上，反映控制系统体系结构未来发展的产物，它将引导开放式控制系统产品的发展，并对技术的发展起一定的指导作用。在该体系结构中，提供的是概念性和功能性的结构，而不是系统设施和标准细节的精确定义。1 2 4 国内外开放式数控系统的发展现状国际研究现状上个世纪的8 0 年代，欧美等制造业发达国家便已经意识到开放式数控机床对生产制造变革的重要意义，提出了基于可重构系统的新生产制造业变革，甚至o s e c 将其比喻为第三次工业革命。1 9 8 7 年美国提出了下一代控制器计划n g c( n e x tg e n e r a t i o nc o n t r o l l e r ) 和开放式系统体系结构标准s o s a s ( s t a n d a r d so fo p e ns y s t e m a r c h i t e c t u r e f o r a u t o m a t i cs y s t e m s ) ，首次提出了开放式体系结构的概念。美国提出n g c 计划的目的是为了使美国工业界形成一个广泛的合作伙伴，以利于在日益激烈的国际竞争中占得先机。n g c 计划为基于开放式系统体系结构的数字控制系统提供了一个标准，这种体系结构允许不同的设计人员开发可相互交换和相互操作的控制器部件。n g c 的体系结构是在虚拟机械的基础上建立起来的，通过虚拟机械把系统和模块链接到计算机平台上。其后有许多相关的研究计划在世界各主要制造业发达国家和地区相继启4 一第一章绪论动，其中较有影响的有美国的o m a c 、欧洲的0 s a c a 和日本的o s e c 等计划，因而这3 个计划的发展现状基本上代表了开放性数控的发展现状和开放式系统体系结构标准。( 1 ) o m a c ( 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 0 1 ) 计划：19 9 4 年由美国克莱斯勒、福特和通用三大汽车公司在n g c 的基础上联合提出。其旨在降低数控系统的投资成本和维护费用，提高机床利用率、缩短产品开发周期，提供软硬件模块的“即插即用”和高效的控制器重构机制，简化新技术到原有系统的集成，从而使系统易于更新换代，尽快跟上新技术的发展，适应需求的变化。o m a c 是一种抽象的开放体系结构，通过定义基类和模块形成控制系统的基本元件，然后按体系结构设计和框架细节设计两个步骤，采用“搭积木”的思想来完成整个系统的整体和细节设计。到目前o m a c 仍处于试验阶段，但已定义了标准的用户程序接口( o m a ca p i ) ，使用户可以充分发挥自己的主动性，装入自己所需的特殊功能，或者装入一些控制行业内通用的操作系统软件，如w i n d o w s 或者l i n u x ，并将c a m 等现有的p c 机资源移植到控制器中，同时以实时操作系统为核心，提供高性能的控制功能，利用实时数据库，可以实现数据的高效化、便携化，具有极高的实用价值。由于o m a c 的成员是控制器的用户而不是开发商，从而也就决定了它产品化、实用化步伐不可能很快。事实上美国工业界认为o m a c 是一种设计理念，而不是一种控制器的具体标准，其宗旨是“b u y a n y w h e r e ，u s e a n y w h e r e ”。应用o m a c 所定义的标准a p i 可以实现“p l u g& p l a y ”的功能，只需设计其具体的实现方法即可。从o m a c 提出的整体式结构分析可知，虽然其灵活性较高，可是由于其过分注重功能的分类而非资源的整合，导致其系统独立性下降，而且维护较困难。( 2 ) o s a c a ( o p e ns 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 n ) 计划：1 9 9 2 年由欧共体国家的2 2 家控制器开发商、机床生产商、控制系统集成商和科研机构联合发起的，旨在规范开放式数控系统应用平台、开发标准通用的软件模块和通用的系统平台，以期建立一个国际性的控制器的标准。该计划共分为三个阶段，其中第一阶段和第二阶段均以实现，主要完成了中性的( 即不依附于任何厂家的) 的开放式数控系统的基本规范的定义，同时拟定了中性的可适用于数控系统、机器人、p l c 等统一的参考结构，并依照o s a c a 规范开发了通用系统平台和一批示范性的应用软件模块。0 s a c a 规定的开放式数控系统由一个平台为基础，由一组逻辑的、离散的组件组成，控制系统本身不带有平台的任何信息，而组件与平台之间定义了很多的接口，允许不同的供应商提供的组件之间进行协调工作，正确工作的控制器可运行于不同的系统平台之上。借鉴o s i 的开放系统的标准模型，o s a c a 提出了一个分层的系统平台+ 结构化的系统功能单元的结构，将通用控制系统的功能划分为硬件、系统软件和应用软件三个抽象的层面。按照硬件无关性和操作系统无关性原则，以通讯系统为核心，它屏蔽了操作系统的差异，保证了各功能单元的可移植性。该标准有利于实现计算机硬件的独立性和与操作系统的无关性，可是华南理工大学硕士学位论文对于数控中大量存在的机电设备的独立性解决的并不彻底。同时，该计划由于过于庞大，对于参与者要求过高，一直发展较慢。( 3 ) o s e c ( o p e ns y s t e me n v i r o n m e n tf o rc o n t r o l l e r ) 计划：由日本东芝机器公司、丰田机器厂和m a z a k 公司三家机床制造商和日本i b m 、三菱电子及s m l信息系统公司共同组建，于1 9 9 4 年提出。其目的是开发基于p c 机平台的、具有高性价比的开放式体系结构的新一代数控系统，以适应迅速变化的市场需求。在硬件方面，o s e c 采用p c + 控制卡的结构，有利于层次化、模块化、灵活配置的实现，可以充分利用现有p c 机资源，从而有力地缩短产品的研发周期，具有较强的可操作性。但由于o s e c 采用的是一种较现实的折中方式，所以它的系统结构只是局限于数控系统的直接描述，适应性不够强。o s e c 主要内容是基于p c 平台的开放式系统，旨在确定“不依赖于特定卖主的开放式控制器”的结构。其中研究的重点集中在n c 本身和分布式控制系统上。o s e c 的目标是提出一个国际性的f a ( f a c t o r ya u t o m a t i o n ：工厂自动化)控制设备标准，它提出了控制器的分层模型，明确了各层次模块的功能、服务内容和接口规范，将各功能单元分组并结构化一些功能层，其开放式系统包括了3个功能层共7 个处理阶层。o s e c 分层结构是按照数控系统控制功能划分的，每一处理层都被划分为n c 基本功能和可变功能两部分，其开放性体现在每一功能层的可变功能处理部分，因此是一种阶段性和进化性的开放式体系结构，是可以阶段性地实现的。而o s a c a 和o m a c 在目前阶段还是一个理想。上述三种标准规范至今还未有完全成熟的产品推向市场，就标准本身还在不断的改进与完善之中，且三者之间也相互借鉴。国内研究现状在国内，经过“六五”( 1 9 8 l 一一1 9 8 5 年) 的引进国外技术，“七五”( 1 9 8 6 一- - 1 9 9 0 年) 的消化吸收，“八五”( 1 9 9 1 一一1 9 9 5 年) 国家组织的科技攻关和“九五”n 9 9 6 一一2 0 0 0 年1 国家组织的产业化攻关，数控技术有了质的飞跃，基本上掌握了关键技术，初步形成了自己的数控产业。值得一提的是：在“八五”攻关中，我国数控产业不失时机地提出了以自主版权为目标，以平台为基础的发展战略，而且在攻关过程中，瞄准或调整到以p c 机为基础的发展路线上，并以此形成了两种平台，开发出了四个基本系统，其中华中数控公司开发的华中l 型和中国珠峰公司的中华i 型是将数控专用模板嵌入到通用p c 机构成的单机数控系统，北京航天机床数控系统集团公司推出的航天i 型和沈阳高档数控国家工程研究中心的蓝天( s k y ) i 型是将p c 机嵌入到数控之中构成的多机数控系统，形成典型的前后台型结构。这些数控系统的大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。由于d o s 系统本身性能较差，因此基于d o s 的数控系统的功能和灵活性都受到较大限制。从数控系统发展的趋势来看，它们还不具备开放式数控系统的本质特征。各系统所采用的体系结构并不一致，仍是宦成体系，相互之间缺乏兼容性和互换性，各系统软硬件不具备可移植性和互操作性。为了解决数控应用软件的产业化6 第一章绪论生产及系统互连问题，在上世纪9 0 年代末，集合当时在我国开放式数控系统领域已有一定深入研究的机构，开始起草制定符合我国实际国情又紧密结合国际开放式数控系统发展趋势的国家标准。2 0 0 2 年6 月我国正式颁布了机械设备一开放式数控系统一总则( g b t1 8 7 5 9 1 2 0 0 2 ) 国家标准，并于2 0 0 3 年1 月1 日正式生效。这份标准总则集合了我国在开放式数控领域研究的各主要机构的综合认识，重点在系统总体构成方面作了较为详细而明确的定义，虽然这仅仅是开放式数控系统标准的总则，还不是真正意义上的完整数控系统的全部标准描述，但是它已经是一个较为完整的系统框架体系标准定义：o n c 系统是指应用软件构筑于遵循公开性、可扩展性、兼容性原则的系统平台之上，具备可移植性、互操作性和人机界面的一致性，具有模块化组织结构，用户可以根据需要进行选配、更改或扩展系统的功能模块。该标准的其余部分现仍在制定中，如总则的前言部分所述其余各部分：第2部分：设计规范( 暂定名称) ；第3 部分：技术条件( 暂定名称) ；第4 部分：接口( 暂定名称) ；第5 部分：通讯( 暂定名称) 第6 部分：硬件平台( 暂定名称) ：第7 部分：软件平台( 暂定名称) 第8 部分：试验与验收( 暂定名称) 等还在制定中。正如该标准所述：“为了解决数控应用软件的产业化生产及系统的互联问题，特制定本总则，用以指导制定开放式数控系统标准”。该总则部分规定了开放式数控系统( o n c ，o p e nn u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m ) 的功能及特征、基本体系结构和通信接口，规定了o n c 系统的模块化拓扑结构及标准化通信接口等方面的基本要求，以利于：1 ) 能以最少的修改，实现应用程序在不同厂商的数控系统间进行移植；2 ) 能使本地或远程数控系统中的应用程序实现互操作；3 ) 能以方便用户迁移的方式实现用户间的交互。该总则对数控系统的开放程度定义了三个层次，每个层次的数控系统的开放程度不同，具体表现在：第一层：具有可配置功能、开放的人机界面和通信接口及协议。系统该层的开放性主要特征为：可进行用户配置的人机界面：可根据制造商提供的软件功能表进行系统功能配置：符合标准协议的通信接口。而o n c 系统功能配置的实现主要表现在对两类主要接口的定义，即伺服驱动单元的运动控制接口和数控装置与p l c 之间的数据和命令等信息的接口。具有第一层开放性的数控系统结构是一种最基本的开放性数控系统结构，它要求设备供应商提供系统应具有并尽可能全的功能配置表。这一层开放系统仅仅是让操作者在供应商已提供的选项内进行选择，可以说在这一层开放系统上用户还无法实现真正意义上的自定义或自主性开发。所以说是较为基础、并且容易实现的开放性。在目前的很多应用性的软件中其实都具有这个功能，比如一些软件中的“设置”，“c o n f i g ”等功能。第二层：控制装置在明确固定的拓扑结构下允许替换、增加n c 核心中的特定模块以满足用户的特殊要求。首先该层的开放性特征必须具有第一层开放7 华南理工大学硕士学位论文性所具有的特征，并迸一步对用户开放内部的体系拓扑结构、应用软件接口a p i等，确保用户自己的或第三方的应用软件可以在系统中安装运行并实现互操作。用户只要不违反供应商已搭建的系统结构体系，可以在体系内结合实际需求按照原有的结构模式对原先不符合实际的硬件或软件做适当扩展或替换，来更好满足实际需求。为了能够达到如上所述的开放功能，系统中相关的硬件接口、软件接口都必须符合国家或国际规定的标准，因而从开放程度上而言这一层的开放程度是较第一层的开放程度更加自由和自主。第三层：拓扑结构完全可变的“全开放”控制装置。具有这一层开放性的数控系统是开放式数控系统发展和研究的目标，即系统完全对用户进行开放，用户可以根据自己的需求如同搭积木一般将行业内已公布的标准数控功能模块按照自己的实际需求来进行搭建，这其中也包括对不同但符合标准规定的系统拓扑结构的选择。而供应商提供的数控功能模块完全是标准化的接口，用户可以不加任何限制的进行模块之间的搭建。从某种意义上可以说符合该层开放特性的开放数控系统是一种理想化的模型。国标总则部分对一个完整的o n c 系统应该具有的基本体系结构也做了明确规范，用来指导各机构在今后的开放式数控系统的设计和随后的更深一层的开放式数控系统标准，如前所述的其它各部分制定，作总体体系上的定义。按照总则要求，o n c 系统的基本结构由系统平台、硬件平台、软件平台、o n c 应用软件、配置系统以及功能单元库等组成，如图1 2 所示。台图1 2 ：o n c 系统基本结构图f i g 1 - 2o n cs y s t e m ss t r u c t u r e数控系统的开放式结构的出现将导致新一代控制器的产生，并成为未来制造业的一大支柱。控制器结构的开放性为数控技术能持续不断地吸收日新月异的计算机软硬件最新成果创造了条件，有利于数控产品自身的更新换代，提高性能，8 第一章绪论增强竞争力。目前，世界各国都在积极进行开放式数控系统的研究。现代网络技术、计算机信息技术以及现代控制技术等高新技术的突飞猛进正极大地推动着开放式数控技术的发展。因此我国应该抓住机遇，深入开展开放式控制系统的研究，实现我国数控产业的跨越式发展。1 2 ，5 开放式数控系统的发展趋势2 1 世纪是制造业信息化的世纪，数控系统技术作为制造业的核心加工技术，人们对其性能和技术都提出了更高的要求，在可预料的将来，数控系统将会呈现功能更强，应用更广的新景象。目前，各国纷纷研制高档数控系统，从整体上看，数控系统呈现出以下的新趋势：1 开放性为适应数控进线、联网、普及型个性化、多品种、小批量、柔性化及数控迅速发展的要求，最重要的发展趋势是体系结构的开放性，设计生产开放式的数控系统，例如美国、欧共体及日本发展开放式数控的计划等。具有开放性、互操作性、可移植性、可缩放、可互换性的开放式体系结构使得生产商可以在共同的标准平台上建立广泛的合作，用户则可以根据需要选择最先进的硬件和最新控制软件，实现最优化的系统，这是新一代数控系统的主流结构。2 高速、高效机床向高速化方向发展，可充分发挥现代刀具材料的性能，不但可大幅度提高加工效率、降低加工成本，而且还可提高零件的表面加工质量和精度。超高速加工技术对制造业实现高效、优质、低成本生产有广泛的适用性。新一代数控机床( 包括加工中心) 只有通过高速化大幅度缩短切削工时才可能进一步提高其生产率。超高速加工特别是超高速铣削与新一代高速数控机床特别是高速加工中心的开发应用紧密相关。9 0 年代以来，欧、美、日各国争相开发应用新一代高速数控机床，加快机床高速化发展步伐。高速主轴单元( 电主轴，转速1 5 0 0 0 1 0 0 0 0 0 r m i n ) 、高速且高加，减速度的进给运动部件( 快移速度6 0 1 2 0 m m i n ，切削进给速度高达6 0 m m i n ) 、高性能数控和伺服系统以及数控工具系统都出现了新的突破，达到了新的技术水平。依靠快速、准确的数字量传递技术对高性能的机床执行部件进行高精密度、高响应速度的实时处理，并采用新型刀具，车削和铣肖q 的切削速度己达到5 0 0 0 米8 0 0 0 米分以上；主轴转数在3 0 0 0 0 转分( 有的高达1 0 万转分) 以上；工作台的移动速度( 进给速度) ，在分辨率为l 微米时，在l o o 米分( 有的到2 0 0 米分) 以上，在分辨率为0 1 微米时，在2 4 米分以上；自动换刀速度在1 秒以内；小线段插补迸给速度达到1 2 米分。随着超高速切削机理、超硬耐磨长寿命刀具材料和磨料磨具，大功率高速电主轴、高加减速度直线电机驱动进给部件以及高性能控制系统( 含监控系统)和防护装置等一系列技术领域中关键技术的解决，新一代高速数控机床将会迅速开发出来。3 高精度从精密加工发展到超精密加工( 特高精度加工) ，是世界各工业强国致力发展的方向。其精度从微米级到亚微米级，乃至纳米级( b o o tl o a d e r 一 k e r n e l 一 i n i t 一 l o g i np r o m p t1 b i o s ( b a s i ci n p u t o u t p u ts y s t e ：基本输入输出系统)计算机在接通电源之后首先由b i o s 进行自检，即进行所谓的p o s t ( p o w e ro ns e i f t e s t ) ，然后依据b i o s 内设置的引导顺序从硬盘、软盘或c d r o m 中读入“引导块”。2 b o o tl o a d e r如通常b i o s 中设的引导顺序为i d e 一0 在最前面，那么就把第一个i d e 硬盘的第0 柱面、第0 头的第1 个扇区读入内存，然后跳到那里开始执行。这个扇区有一个大家熟悉的名字m b r ( m a i nb o o tr e c o r d ) 。换句话说，m b r 里面存放的是一小段程序以及分区表的数据。在使用w i n 9 x 和d o s 时，m b r 里面的代码把分区表里标记为a c t i v e 的分区的第一个扇区( 一般存放着操作系统的引导代码) 读入内存并跳转到那里开始执行。在使用l i n u x 时，通常需一系统引导装入程序，如l i n u x 自带的l i l o ( l l n u xl o a d e r ) 、g n ug r u b ( g r a n du n i f i e db o o t l o a d e r ) 、n t l d r ( b o o tl o a d e rf o rw i n d o w sn ts y s t e m ) 等。与l i l o 相比，g r u b 有更强的交互性，下面以g r u b为例讲解。用g r u b ( 安装在m b r ) 引导l i n u x ，b i o s 直接把g r u bs t a g e l 代码调入内存，然后跳转执行g r u bs t a g e 2 代码( 读取m e n u 1 s t 配置文件) ，位置通常设置在b o o t g r u b 。即b i o s - - g r u b ( s t a g e l 在m b r 中) - - k e r n e l 。3 k e r n e l通常情况下，计算机首先用g r u b 程序引导内核的一部分( 这部分没有被压缩) ，以此来引导内核的其他部分。内核被解压缩并装入内存后，开始初始化硬件和设备驱动程序。下面是内核初始化系统的具体步骤( 各个版本之间会有一定的差异) ：3 6 第三章嵌入式r t - l i n u x 操作系统的搭建首先，检测c p u 的主频和控制台的显示类型，并对c p u 速度用b o g om i p s程序进行估算，此后内核通过外设显示系统内存信息和各类h a s ht a b l e 的信息，接着内核加载磁盘空间限量支持，完成c p u 检测( 包括检查数学协处理器) ，以及p o s i x 适应性检测，然后初始化p c ib i o s ，检测系统的p c i 设备，并加载t c p i p 网络支持，内核开始检测其他各种硬件设备，如p s 2 端口设备，串行口设备，硬盘，软盘，s c s i 等。最后，内核将启动i n i t 程序，形成系统的第一个进程( 进程号为1 ) 。内核初始化信息可用d m e s g 命令查看。4 i n i t在k e r n e l 起来之后，将启动i n i t 程序( 实际上是执行了s b i n i n i t ) ，生成系统的第一个进程。i n i t 的工作是根据e t c i n i t t a b 文件来执行相应的脚本进行系统初始化，如设置键盘、字体，装载模块，设置网络等。5 l o g i np r o m p ti n i t 完成系统初始化后，将在指定的各个虚拟终端上运行s b i n m i n g e t t y ，显示“l o g i n ：”提示符，等待用户的登录。至此，l i n u x 的启动结束。3 3 4k in u x 系统内核编译3 3 4 1 编译前的规期和准备在编译内核前，先确定项目的需求，把它们罗列成一张详细的表格，例如需要让内核支持什么硬件，支持多少种分区类型和文件系统，支持哪些网卡，支持哪些网络协议等。如在本地机上操作，那么可使用命令拌s b i n l s p c i 来显示本机硬件情况 3 2 3 7j 。首先，声卡驱动可以不要，一个声卡驱动也许只让内核增大了1 0 k 左右，但是有了一个声卡驱动就务必要有一个播放器，否则声卡驱动就没有意义。打印机串口可以暂时不用。而对于其他的驱动，比如网卡，通常大小只有8 9 k ，因此可以把常用的网卡芯片的驱动都编译进去。其次是文件系统，文件系统指文件存在的物理空间。在l i n u x 系统中，每个分区都是一个文件系统，都有自己的目录层次结构。l i n u x 的最重要特征之一就是支持多种文件系统，这样它更加灵活，并可以和许多其它种操作系统共存。v i r t u a lf i l es y s t e m ( 虚拟文件系统) 使得l i n u x 可以支持多个不同的文件系统。由于系统已将l i n u x 文件系统的所有细节进行了转换，所以l i n u x 核心的其它部分及系统中运行的程序将看到统一的文件系统。随着l i n u x 的不断发展，它所支持的文件格式系统也在迅速扩充。特别是l i n u x2 4 内核正式推出后，出现了大量新的文件系统，其中包括日志文件系统e x t 3 、r e i s e r f s 、x f s 、j f s 和其它文件系统。l i n u x 系统核心可以支持十多种文件系统类型：j f s 、r e i s e r f s 、e x t 、e x t 2 ，e x t 3 、i s 0 9 6 6 0 、x f s 、m i n i x 、m s d o s 、u m s d o s ? v f a t 、n t f s j3 7 华南理工大学硕士学位论文h p f s 、n f s 、s m b 、s y s v 、p r o c 等，其中l i n u x 下主流文件系统有e x t 、e x t 2 、e x t 3 、j f s 、x f s 、r e i s e r f s 等几种。e x t 是专门为开发l i n u x 的第一个文件系统类型，叫做扩展文件系统。它是1 9 9 2 年4 月完成的，对l i n u x 早期的发展产生了重