（计算机应用技术专业论文）蓝天数控系统配置与调试诊断程序的设计与实现.pdf

摘要 本文是在基于r t - l i n u x 开放式数控系统研发的课题背景下，设计并实现了 蓝天数控系统中控制器软件的一个重要功能模块蓝天数控系统配置与调试 诊断模块。根据课题实际需要，研究了数控系统进程间通信方式，给出一种用于 用户空间进程和内核空间进程间高效通信的方法，并实现了一组进程通讯接口 a p i ，以上述工作为基础完成了蓝天数控系统配置与调试诊断程序的设计与实现， 并成功应用到蓝天数控系统中，运行效果良好。本文重点解决了以下问题： 一是蓝天数控系统进程间通信方式的研究。在分析了r t l i n u x 提供的进程 间通信方式的基础上，结合r t - l i n u x 提供的m b u f f 和实时f i f o ，给出了一种用 于用户空间进程和内核空间进程间高效通信的方法，该方法可有效减少数据拷 贝，并彻底避免了新数据到来的轮询监测等额外操作，提高了数控系统进程间的 通信性能。 二是通讯a p i 库的设计与实现。通讯a p i 库主要封装了一组能对共享内存中 特定数据结构直接进行操作的a p i ，系统配置与调试诊断模块通过调用这些a p i 函数来实现对控制器软件灵活的配置、运行状态的实时监控与诊断。 三是蓝天数控系统配置与调试诊断程序的设计与实现。系统配置与调试诊断 程序分两大模块：系统配置模块和调试诊断模块。系统配置模块由六个子模块组 成，主要负责在系统运行过程中，查看或更改数控系统的配置参数，并使修改后 的参数即时生效( 不需要重启系统) 。调试诊断模块由五个子模块组成，主要是 供数控系统的开发人员使用，提供对共享内存中数据的实时查看和直接修改功 能，方便开发调试人员了解系统的运行状况，提高了系统的开发效率。 【关键字】开放式数控系统进程间通信系统配置调试诊断 蓝天数控系统配置与调试诊断程序的设计与实现 a b s t r a c t d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no ft h em o d u l eo nc o n f i g u r a t i o na n dd e b u g g i n g i nt h el t - c n cs y s t e m z h a n gj i e ( c o m p u t e ra p p l i c a t i o nt e c h n o l o g y ) d i r e c t e db yp r o f e s s o r 场w e n j i a n g b a s e do nt h es t u d yo fo p e nc n cs y s t e mo nr t - l i n u xp l a t f o r m ，t h i sd i s s e r t a t i o n d i s c u s s e st h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no ft h ec o n f i g u r a t i o na n dd e b u g g i n gm o d u l e ， w h i c hi sa l li m p o r t a n tf u n c t i o n a lm o d u l eo fl b c n cs y s t e m a e c o r d i n gt ot h ea c t u a l n e e d so ft h et o p i c ，t h ed i s s e r t a t i o ns t u d i e sm e c h a n i s mo fi n t e r - p r o c e s sc o m m u n i c a t i o n o nc n cs y s t e m a n dw h a t sm o r e ，t h ed i s s e r t a t i o np r e s e n t sa ne f f i c i e n tm e t h o do f c o m m u n i c a t i o nb e t w e e nk e r n e lp r o c e s sa n du s e rp r o c e s s a n dt h e ni ti m p l e m e n t sas e t o fa p i sf o rc o m m u n i c a t i o no fp r o c e s s e s o nt h eb a s i so ft h ea b o v ew o r k , t h e d i s s e r t a t i o nh a sf u l f i l l e dt h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no ft h ec o n f i g u r a t i o na n d d e b u g g i n gm o d u l e ，w h i c hh a sb e e ns u c c e s s f u l l ya p p l i e dt ol t - c n cs y s t e m n o wt h e s y s t e m r u n ss m o o t h l y t l l i sd i s s e r t a t i o nf o c u s e do ns o l v i n gt h ef o l l o w i n gp r o b l e m s ： 1 s t u d ym e c h a n i s mo fi n t e r - p r o c e s sc o m m u n i c a t i o no i lt h el t - c n cs y s t e m t h i sd i s s e r t a t i o np r e s e n t san e wm e t h o do fc o m r n u n i c a t i o nb e t w e e nk e r n e lp r o c e s sa n d u s e rp r o c e s st oi m p r o v ep e r f o r m a n c eo fi n t e r - p r o c e s sc o m m u n i c a t i o no i lt h ec n c b y c o m b i n i n gr e a lt i m ef i f oa n ds h a r e dm e m o r ye f f e e t i v e l y , t h em e t h o dr e d u c e sm e s s a g e d a t ac o p i n ga n ds h a r e dm e m o r yo p e r a t i o n sg r e a t l y 2 d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no ft h ec o m m u n i c a t i o na p i s u s i n gt h e s ea p i s ，t h e c o n f i g u r a t i o na n dd e b u g g i n gm o d u l ec a nd i r e c t l ya c c e s st op a r t i c u l a rd a t as u - u c t u r ei n s h a r e dm e m o r y a n di th a s t h ea b i l i t yo ff l e x i b l ec o n f i g u r a t i o na n dm o n i t o r i n go fs t a t u s m e s s a g e s 3 d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no ft h em o d u l eo nc o n f i g u r a t i o na n dd e b u g g i n g i n t h el t - c n cs y s t e m s y s t e mc o n f i g u r a t i o nm o d u l ei n c l u d e ss i xs u b m o d u l e s t h e ya r e p r i m a r i l yu s e df o re d i t i n go rm o d i f y i n gt h ec o n f i g u r a t i o np a r a m e t e r so ft h ec n c s y s t e m a n dt h er e v i s e dp a r a m e t e r sb e c o m ee f f e c t i v ei m m e d i a t e l yd e b u g g i n gm o d u l e i n c l u d e sf i v es u b - m o d u l e s t h e y 咖d i r e c t l ya c c e s sa n da m e n dt od a t ai nt h es h a r e d m e m o r ya n df a c i l i t a t et h ed e v e l o p e ra n du s e rt ov i e ws t a t u sm e s s a g e so ft h ec h i c s y s t e m k e y w o r d s o l x mc n ci n t e r - p r o c e s sc 0 衄：t m i c a t i o n 洳c c 幢酉嘶加画i 】g 玎 引言 引言 数控技术作为未来先进制造技术的核心内容之一，正在朝着开放化，网络化， 柔性化和智能化方向发展，数控装备产品的设计制造和应用开发都日益显示出基 于开放接口标准的模块形态。 人们在8 0 年代提出了开放式数控系统( o p e nn u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m ，简 称为o n c 系统) 的概念，其主要目的是拟订并推进关于新一代开放式控制系统 的详细分析规范。开放式控制系统是以通用的个人计算机的硬件和软件为基础， 采用模块化、层次化的体系结构，能通过各种形式向外提供统一应用程序接口的 系统。其特点是具有可扩展性、可移植性、互换性、可操作性和可配置性，即系 统组成的内部开放化和系统组成各部件之间的开放化。 随着微电子技术、计算机技术以及以互联网为代表的信息技术的发展，为数 控技术的进步提供了新的条件【1 1 。开放式和智能化的数控系统是现代数控系统发 展趋势的两个重要方面。 本论文的研究背景是中国科学院知识创新工程重大项目“开放式和智能化的 数控系统平台及产业化”。基于模块化和组件化的系统构建策略更能体现产品设计 制造过程中的人性化思想，每一个模块都是一个有针对性应用领域的技术产品形 式，是该领域技术原理，应用方案和实现形式的综合体现，是其在数控加工环境 下的具体应用，其设计理念和性能指标都体现数控加工技术的要求和市场应用的 需求，这些充分体现设计者个性化的产品组件通过开放的标准接口形式有机的结 合，组成了功能丰富性能完善的数控装备产品。 蓝天数控系统中的系统配置与调试诊断程序就是这样一个重要的功能模块。 它不但使蓝天数控系统的功能更加丰富，而且进一步提高了其调试手段。 蓝天数控系统配置与调试诊断程序在蓝天数控中扮演着重要角色。它改变了 传统的系统配置模式，在系统运行期间可根据需要随时修改系统配置，并使其在 不重启系统的情况下即时生效。符合开放式数控系统对系统可操作性和可配置性 的要求。它的调试诊断模块通过调用自定义的一组通讯a p i ，可完成对蓝天数控 系统运行状态进行实时的跟踪调试。不论在系统开发阶段还是正式运行阶段该功 能均具有比较现实的意义。 蓝天数控系统的开发思想，是在降低系统各模块的耦合度的同时，增强各模 块之间的互操作性、可扩展性、可移植性及通信接口的统一性。 本论文根据课题实际需要，顺次展开。后面的要完成的工作均以其前期工作 蓝天数控系统配置与调试诊断程序的设计与实现 为基础，环环相扣。在认真研究了数控系统进程间通信方式的基础上，给出一种 用于用户空间进程和内核空间进程间高效通信的方法，再以该方法为基础，设计 了一组进程通讯接口a p i ，并以库的形式实现，最后，以上述工作为基础完成了 蓝天数控系统配置与调试诊断程序的设计与实现。 目前，蓝天数控系统配置与调试诊断程序已经作为一个独立的软件模块成功 应用到蓝天数控系统中，运行效果良好，丰富了蓝天数控系统的功能，对蓝天数 控的推广应用起到积极的作用。 2 第一章绪论 1 1 数控系统的发展 第一章绪论 1 1 1 数控技术是制造业的重要基础 装备工业的技术水平和现代化程度决定着整个国民经济的水平和现代化程 度，数控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业的重要技术和最基本的 装备。马克思曾经说过“各种经济时代的区别，不在于生产什么，而在于怎样生 产，用什么劳动资料生产 。制造技术和装备就是人类生产活动的最基本的生产 资料，而数控技术又是当今先进制造技术和装备最核心的技术。因此，专家们预 言：机械制造的竞争，其实质是数控技术的竞争1 2 1 。 数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术；是制造业实 现自动化、柔性化、集成化生产的基础；是提高产品质量、提高劳动生产率必不 可少的物质手段；是国防现代化的重要战略物质；是关系到国家战略地位和体现 国家综合国力水平的重要基础性产业。当今世界各国制造业广泛采用数控技术， 以提高制造能力和水平，提高对动态多变市场的适应能力和竞争能力。大力发展 以数控技术为核心的先进制造技术己成为世界各发达国家加速经济发展、提高综 合国力和国家地位的重要途径。此外世界上各工业发达国家还将数控技术及数控 装备列为国家的战略物资，不仅采取重大措施来发展自己的数控技术及其产业， 而且在“高精尖一数控关键技术和装备方面对我国实行封锁和限制政策。 根据国民经济发展和国家重点建设工程的具体需求，设计制造“高、精、尖 重大数控装备，打破国外封锁，掌握数控装备关键技术，创出中国数控机床品牌， 提高市场占有率是全面提升我国基础制造装备的核心竞争力的关键所在。 1 1 2 数控技术的发展趋势 随着微电子技术和计算机技术的发展，数控系统的性能日臻完善，数控系统 应用领域日益扩大。为了满足社会经济发展和科技发展的需要，数控系统正朝着 高精度、高速度、高可靠性、多功能、智能化及开放性等方向发展1 3 1 。 1 高速度高精度化 速度和精度是数控系统的两个重要指标，它直接关系到加工效率和产品质 3 蓝天数控系统配置与调试诊断程序的设计与实现 量。对于数控系统，高速度化首先是要求计算机数控系统在读入加工指令数据后， 能高速度处理并计算出伺服电机的位移量，并要求伺服电机高速度的做出反应。 此外。要实现生产系统的高速度化，还必须谋求主轴转速、进给率、刀具交换、 托盘交换等各种关键部件实现高速度化。 提高微处理器的位数和速度是提高c n c 速度的最有效的手段。日本f a n u c 公司曾宣称，该公司所有最新型号的c n c 都使用3 2 位微处理器技术。f a n u c 公司f s l 5 数控系统采用3 2 位机，实现了最小位移单位为0 1 u r n 情况下达到最大 进给速度l o o m m i r af a _ i c 公司f s l 6 和f s l 8 数控系统还采用了简化与减少控 制基本指令的精减指令计算机( r e d u c e di n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r - r i s c ) ，它能进行 高速度的数据处理，其执行指令速度可达到1 0 0 万条指令每秒。现在一个程序段 的处理时间可缩短到0 5 m s ，在连续l m m 的移动指令下能突现的最大进给速度可 达到1 2 0 m m i n 。在数控机床的高速度化中，提高主轴旋转速度占重要位簧。有研 究报告指出，由于主轴的高速度化，使得切削时间比过去缩短了8 0 。主轴的高 速度化的手段是采用高速内装式主轴电机，使得主轴的驱动不必通过变速齿轮 箱，而是直接把电机和主轴连接成一体装入主轴部件之中，从而可将主轴转速提 高孔4 0 0 0 0 5 0 0 0 0 r m i n 。 提高数控机床的加工精度，一般是通过减少数控系统的误差和采用补偿技术 来达到。在减小c n c 系统控制误差方面，一般采用提高数控系统的分辨率、以 微小程序段实现连续进给，使c n c 控制单元精细化、提高位置检测精度( 日本交 流伺服电机已有装上每转可产生1 0 0 万个脉冲的内藏式位置检测器，其位置检测 精度能达到0 0 1 u r n 脉冲) ，以及位置伺服系统采用前馈控制与非线性控制等方法： 在采用补偿技术方面，除采用间隙补偿、丝杆螺距补偿和刀具补偿等技术外，最 近人们颇为注意热变形补偿。电动机、回转主轴和传动丝杆副的发热变形会产生 加工误差。为减少变形，一方面采取减少热量，如采用流动油液对内装主轴电机 和主轴轴承进行冷却，另一方面则采用热补偿技术。 2 多功能化 一机多能的数控系统，可以最大限度的提高设备的利用率。数控加工中心 ( m a c h i n i n gc e n t e r - m c ) 便是一种能实现多工序加工的数控机床。这类数控系统控 制的机床，一般配有机械手和刀具库( 可存放1 6 1 0 0 把刀具) 。工件一经装夹，数 控系统就能控制机床自动地更换刀具，连续对工件的各个加工面自动的完成铣 削、键削、铰孔、扩孔及攻螺纹等多工序加工，把许多工序甚至许多不同的工艺 过程都集中到一台设备上来完成，从而可以避免多次装夹所造成的定位误差，减 4 第一章绪论 少设备台数、工夹具和操作人员，节省占地面积和辅助时间。为了提高效率，新 型数控机床在控制系统和机床结构上也有所改革。例如，采用多系统混合控制方 式，用不同的切削方式( 车、铣、攻螺纹等) 同时加工零件的不同部位等。现代数 控系统控制轴数有的多达1 5 轴，同时联动的轴数有的已达到6 轴。 3 智能化 数控系统发展的重要目标是智能化。智能化技术主要体现在以下几个方面： ( 1 ) 自适应控制技术。 自适应控制系统( a d a p t i v ec o n t r 0 1 a c ) 是上2 0 世纪6 0 年代末发展起来的高精 度、高效益的数控系统，目前有的c n c 系统兼有a c 功能。通常数控机床是按照 预先编好的程序进行控制，但随机因素，如毛胚余量和硬度的不均匀、刀具的磨 损等难以预测。为了确保质量，势必在编程时采用较保守的切削用量，从而降低 了加工效率。a c 系统可对机床主轴转矩、切削力、切削温度、刀具磨损等参数 值进行自动测量，并由c p u 进行比较运算后发出修改主轴转速和进给量大小的信 号，确保a c 处于最佳切削用量状态，从而在保证质量条件下使加工成本最低或 生产率最高。a c 系统主要在宇航等工业部门用于特种材料加工。 ( 2 ) 附加入机会话自动编程功能 建立切削用量专家系统和示教系统，从而达到提高编程效率和降低对编程人 员技术水平的要求。 ( 3 ) 具有设备故障自诊断功能 数控系统出了故障，控制系统能够进行自诊断，并自动采取排除故障的措施 以适应长时间无人操作环境的要求。 4 小型化 蓬勃发展的机电一体化设备，对c n c 系统提出了小型化的要求，使体积小 型化便于将机、电装置揉合为一体。日本新开发的f s l 6 和f s l 8 都采用了三维安 装方法，使电子元器件得以高密度的安装，大大的缩小了系统的占有空间。此外， 它们还采用了新型1 f t 彩色液晶薄型显示器，使c n c 系统进一步小型化，这样 可更方便的将它们装到机械设备上。 5 提高可靠性 数控系统比较贵重，用户期望发挥投资效益，要求设备可靠。特别是要用在 长时间无人操作环境下运行的数控系统，可靠性成为人们最为关注的问题。提高 可靠性通常可采取如下一些措施： ( 1 ) 提高线路集成度 蓝天数控系统配置与调试诊断程序的设计与实现 采用大规模或超大规模的集成电路，专用芯片及混合式集成电路，以减少原 器件的数量，简化外部连线和减低功耗。 ( 2 ) 建立由设计、试制到生产的一整套质量保证体系 例如，采取防电源干扰，输入腧出光电隔离；使数控系统模块化、通用化及 标准化，以便于组织批量生产及维修；在安装制造时注意严格删筛选元器件；对 系统可靠性进行全面的检查考核等。通过这些手段，保证产品质量。 ( 3 ) 增强故障自诊断和功能保护 由于元器件失效、编程及人为操作错误等原因，数控系统可能出现故障。数 控系统一般具有故障自诊断功能，能够对硬件和软件进行故障诊断，自动显示出 故障的部位及类型，以便快速排除故障。新型数控系统还具有故障预报和自恢复 功能。此外，注意增强监控和保护功能，例如，有的系统设有刀具破损检测、行 程范围保护和断电保护等功能，以避免损坏机床及报废工件。由于采取了各种有 效的可靠措施，现代数控系统的平均无故障时间可达到m t b f = 1 0 0 0 0 3 6 0 0 0 h 。 6 功能强大的内装式可编程控制器 机床数控系统中有内装可编程控制器( p l c ) ，可用其指令来编制p l c 程序， 绘制梯形图( l a d d e r ) 。利用p l c 的高速处理功能，使c n c 与p l c 之间有机的结 合起来。而且可以利用梯形图的监控功能，使机床的故障诊断和维修更为方便。 新型数控系统p l c 基本指令执行时间为0 2 s 步( s t e p ) ，梯形语言程序为1 6 0 0 0 步以上，可以用c 语言或p a s c a l 语言编制程序，程序容量为6 8 - 2 5 6 k b 。在p l c 与c n c 之间有高速窗口。采用c 语言编程的p l c ，可以在个人计算机的开发环 境下工作。功能强的可编程程序控制器，还具有轴控制的功能。 7 高速通讯功能 为了适应f m c ，f m s 以及进一步联网组成c i m s 的要求，一般的数控系统都 具有r s 2 3 2 c 和r s - 4 2 2 串行接口。可以按照用户级的格式要求，同上一级计算 机进行多种数据交换。高档的数控系统应具有d n c 接口，可以实现几台数控机 床之间的数据通信，也可以直接对几台数控机床进行控制。 现代数控机床，为了适应自动化技术的进一步发展，满足工厂自动化规模越 来越大的要求，满足不同厂家不同类型数控机床联网的需要，纷纷采用m a p 工 业控制网络，现在己经实现了m a p 3 0 版本，为现代机床进入f m s 及c i m s 创 造了条件。它使各机种便于联网，有可能将不同制造厂的智能设备用标准化通信 网络设施连接起来，从工厂自动化( f a c t o r ya u t o m a t i o n - f a ) 上层( 设计信息、生产 计划信息) 到下层( 控制信息、生产管理信息) 通过信息交流，促进集成化与综合化， 6 第一章绪论 实现分散处理体系，以及建立能够有效的利用系统全部信息资源的计算机网络。 8 开放性 传统的数控系统是一种专用封闭式系统，各个厂家的产品之间以及与通用计 算机之间不兼容，维修、升级困难，越来越难以满足市场对数控技术的要求。针 对这种情况，人们提出了开放式数控系统的概念，国内外正在大力研究开发开放 式数控系统，有些已进入了实用。 1 2 课题的研究背景、目的和意义 中科院知识创新工程重大项目【4 】“开放式和智能化的数控系统平台及产业 化 ，旨在突破和掌握制约国产数控产业化发展的关键技术，开发面向产业化应 用的数控系统软、硬件支撑平台，并以平台技术作为基础，研制出具有开放式和 智能化特点的可面向产业应用的新型中高档蓝天数控系统，使产品通用功能强， 性价比高。 数控系统不但要求控制器软件要满足实时性能和精度要求，还应具有模块 化、可集成、可重用以及配置灵活等特性。 本课题是以上述项目为背景，详细论述了在硕士学位论文期间，在基于 r t - l i n u x 平台的开放式数控系统研究领域里所做的研究和开发工作。本人的主要 工作大致分为两大部分：蓝天数控系统进程间通信方式研究和蓝天数控系统配置 与调试诊断程序的设计与实现，以此实现对控制器软件灵活的配置、运行状态的 实时监控、故障诊断等功能。 本课题的研究使蓝天数控系统更趋完善；对蓝天数控的推广应用起到积极的 作用。 1 3 本文组织结构 本人工作分三部分：蓝天数控系统进程间通信方式的研究，以此为基础完成 可配置参数的结构和通信a p i 设计，并以库的形式实现，设计并实现了蓝天数控 系统配置和调试诊断程序。论文分五章阐述所做工作： 第一章为“绪论。本章主要介绍了数控技术在制造业中的重要地位，发展 趋势，以及课题的研究背景、目的和意义，最后介绍了论文的组织结构。 第二章为“蓝天数控系统结构与开发环境 。本章介绍了蓝天数控系统整体 的软硬件结构和系统的软件开发环境，整个系统以实时操作系统( r t - l i n u x ) 和 r c s 开发库作为底层支撑软件。 7 蓝天数控系统配置与调试诊断程序的设计与实现 第三章为“蓝天数控系统的控制器软件 。本章首先介绍控制器软件在整个 数控系统中的层次，然后介绍其设计思想、构成、各模块的功能和相应模块之间 的通信机制，重点介绍了系统配置和调试诊断模块在控制器软件中的地位以及与 其它模块之间的通信机制。 第四章为“蓝天数控系统进程间通信方式研究 。本章主要是对r t - l i n u x 操作系统提供的用于内核空间进程和用户空间进程间通信的机制进行研究。首 先，分析了普通l i n u x 提供的用户级共享内存机制不适用于数控系统的原因，然 后，重点研究了由r t - l i n u x 提供的共享内存和实时f i f o 两种通信机制，有机结 合二者提出一种用于用户空间进程和内核空间进程间高效通信的方法，并通过实 验证明了该方法的高效性、易操作性。为第五章的工作做好了技术储备。 第五章为“蓝天数控系统配置与调试诊断程序的设计与实现”。在第四章研 究成果的基础上，完成可配置参数的结构和通信a p i 设计，并以库的形式实现。 设计并实现蓝天数控系统配置和调试诊断程序。 8 第二二章蓝天数控系统结构与开发环境 2 1 概述 第二章蓝天数控系统结构与开发环境 本章主要介绍蓝天数控系统整体的软硬件结构和系统的软件开发环境，整个 系统以实时操作系统( r t l i n u x ) 和r c s 开发库作为底层支撑软件。 2 2 蓝天数控系统结构 蓝天系列数控系统是基于组件的开放式数控平台，具有可伸绵的体系结构、 层次化的控制结构、可设定的控制精度、柔性化的机床控制逻辑、超前程序段处 理等技术特点，现已经发展到n c 11 0 、n c 2 0 0 及n c 一3 0 0 系列吼e t t 的系统采 用n c 一2 1 0 作为硬件平台，采用新一代开放式体系结构。 基于p c n c 模式开放数控系统的结构和构成如图21 、图22 所示。 ! * 持= 】 圈2ip c n c 模式开放数控系统的结构 望一缈t - 垦谚 自自& 目自目a m 口目g m 、* 日 幽2 2p c n c 模式开放数控系统的构成 蓝天数控系统配置与调试诊断程序的设计与实现 基于p c 总线结构的数控系统具有开放性、低成本、高可靠性、软硬件资源 丰富等特点，已成为开放式数控系统硬件结构的主要趋势。因此，数控装置的底 层由通用计算机结构组成，包括通用计算机硬件平台和n c 硬件，例如伺服装置 接口和p l c 数控装置接口等。数控装置的上层是操作系统、硬件设备驱动模块以 及r c s 库和控制器软件等。 为了满足数控系统的实时性要求，我们采用r t l i n u x 作为操作系统。r c s 库为设计与实现实时控制系统提供了良好的思想与方法。蓝天数控的控制器软件 就是基于r c s 方法设计的。 2 2 i 蓝天数控系统的硬件结构 蓝天n c - 2 1 0 硬件由三个单元组成，即控制单元、显示器操作单元、机床操 作站单元。 控制单元是系统的主体，内有中央处理模板、轴控制模板、输入输出模板、 电源模板。其中中央处理模板内装工控计算机( p c ) ，完成所有的计算功能和 插补功能等，轴控制模板对轴进行位置速度控制，输入输出模板完成物理信号的 输入输出传送。 显示器操作单元包括人机界面的显示屏和操作键盘，机床操作站包括多个可 定义的操作机床的功能按钮。结构如图2 3 所示： 显示操作单元工控计算机 机床操作站 t f t ( c r t )( i p c ) 0 l i s a 总线底板 ?：? 运动控制模板 电源 ( 5d ) i 0 模板 ( 6 41 4 8 0 ) ( 4e n c o d e r ) 图2 3 系统硬件平台结构 n c - 2 1 0 数控系统的控制单元采用工业标准的高性能的工控计算机，其硬件 配置为： p c 一2 0 0 2 3 0 m h z 中央处理器，3 2 m 以上s d r a m ，3 2 md o c d o m 。 1 0 第二章蓝天数控系统耋占构与开发环境 1 04 英寸彩色t f t 显示及机床操作单元。 轴控制( e c d a ) 模板，有5 路d a 输出和4 路编码器反馈。 输入输出( i o ) 模板，输入6 4 点，输出4 8 点，可扩展。 机床操作站。 n c 一2 1 0 控制面板结构布局如图2 4 所示，除了用户可直接对硬件进行操作的 电源开关、急停按钮、进给保持、循环启动、点动等按键外，它还有相当于个人 p c i 0 1 1 0 2 键盘的标准按键区，包括数字键、字母键、修饰键和方向键等。 图2 4n c 2 1 0 控制面扳结构示意圈 由于采用了较高配置的工控计算机，使得蓝天n c 。2 1 0 在硬件上与p c 机保持 了很好的兼容性，系统即可以很好的利用p c 上丰富的软件资源，又能够适应复 杂的工业现场环境。 2 2 2 蓝天数控系统的软件结构 在蓝天c n c 硬件之上的层次包括r t - l i n u x 操作系统、控制器软件和两者之 间的开发工具库、支撑软件库。 蓝天数控系统配置与调试诊断程序的设计与实现 操作系统提供了对硬件时钟、中断处理、网络通信、进程任务调度、系统资 源分配、输入输出设备管理和文件管理等功能。 开发环境提供了软件开发所需的编辑、编译、链接、调试环境和工具，而支 撑软件为控制器软件的开发提供了功能完善的开发库。 图2 5 蓝天数控控制器软件在整个系统中的层次 在此之上就是控制器软件层，它提供了数控程序的输入输出、显示，诊断、 控制、译码、插补、速度控制、位置控制等诸多数控系统的基本功能。下面分别 对r t - l i n u x 操作系统、r c s 开发库和控制器软件作简要的介绍。 目前的蓝天数控的控制器软件由h m ( 人机接口) 模块、任务控制模块、运 动控制模块、p l c 模块、系统配置与调试诊断模块组成。 2 3 蓝天数控系统的开发环境 在这里开发环境指的是蓝天数控系统的软件开发环境。 蓝天数控系统的控制器软件是以r t - l i n u x 作为操作系统，根据r c s 方法进行 了总体结构的设计，同时，在开发过程中利用了r c s 库所提供的软件包。开发过 程中还需有编辑、编译、链接等工具和调试环境，这里我们使用了l i n u x 自带的 g e e 和g d b 作为编译和调试工具1 6 1 。开发h m i 时使用的是q t f _ , m b e d d t l ( q t 的嵌 入式版本) ，商效快速，缩短了系统开发周期。下面对作为底层支撑软件的实时操 作系统( r t - l i n u x ) 和r c s 开发库做简要介绍。 1 2 第二章蓝天数控系统结构与开发环境 2 3 1 支撑软件 控制器的支撑软件除了底层的实时操作系统以外，还包括对图形显示、进程 间通信、网络通信等功能进行支持的库、驱动程序或者支撑软件，这里重点介绍 r t l i n u x 操作系统。 2 3 1 1c n c 系统对操作系统的要求 c n c 系统是一个专用的实时多任务计算机系统，它的控制软件融合了当今计 算机软件技术中的诸多先进技术，其中最突出的是多任务并行处理和多重实时中 断。 c h i c 装置通常作为一个独立的过程控制单元用于工业自动化生产过程中，因 此它的系统软件必须完成管理和控制两大任务。系统的管理部分包括输入输出， i o 处理，显示，诊断。系统的控制部分包括译码，刀具补偿，速度处理，运动 轨迹插补，位置控制。c n c 系统的多任务性和实时性决定了系统中断成为整个系 统必不可少的重要组成部分。c n c 系统的中断类型包括外部中断，内部定时中断， 硬件故障中断和软件中断。 c h i c 的这些特性对操作系统提出了近似苛刻的要求，特别是对实时性能的要 求。过去，国内的数控系统大多建立在d o s 操作系统平台上或者其他专用的实 时操作系统上。专用实时操作系统价格一般都比较昂贵，d o s 比较经济，但是它 本身有很大缺陷( 6 4 0 k 内存限制、网络功能欠缺、缺乏保护机制等) 。w i n d o w s 克服这些缺点，但它本身不是实时操作系统，在w i n d o w s 上开发数控系统存在诸 多限制。 近年来，l i n u x 系统越来越受到人们的关注，应用也越来越广泛1 7 1 。随着l i n u x 操作系统的迅猛发展，它的很多优秀的特性得到体现，这促使了实时化l i n u x 的 出现( 新墨西哥大学开发的r t - l i n u x 就是其中之一) 。可以把数控系统建立在实时 l i n u x 之上并且保留l i n u x 绝大部分好的特点，有效缩短开发周期，减小开发成 本，以更快的速度响应市场的需求变化。基于以上因素的考虑，蓝天数控系统中， 采用在l i n u x 7 0 的基础上打上r t l i n u x 3 0 实时补丁的方式，让系统具有实时的 功能【钔。 蓝天数控系统配置与调试诊断程序的设计与实现 2 3 1 2r t - l i n u x 的实现原理 r t - l i n u x 是源代码开放的具有硬实时特性的多任务操作系统，它是通过底层 对l i n u x 实施改造的产物。通过在l i n u x 内核与硬件中断之间增加一个精巧的可 抢先的实时内核，把标准的l i n u x 内核作为实时内核的一个进程与用户进程一起 调度，标准的l i n u x 内核的优先级最低，可以被实时进程抢断。正常的l i n u x 进 程仍可以在l i n u x 内核上运行，这样既可以使用标准分时操作系统一l i n u ) 【的各 种服务，又能提供低延时的实时环境。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2 - 6 所示： 中断控制硬件 王 l i n u x 内核 3 l l i n u x 进程 中断控制硬件 r t l i n u x 内核 i 了了 il i n u x 内核 ll 实时任务 i l i n u x 进程 图2 6 ：r t - l i n u x 与l i n u x 内核工作环境的对比 从图2 6 可以看出，本来是由l i n u x 内核完全控制l i n u x 进程和中断控制硬 件的，现在在l i n u x 内核和中断控制硬件之间，增加了一个r t - l i n u x 内核。l i n u x 的控制信号都要先交给r t - l i n u x 内核进行处理。在l i n u x 中，用禁止中断的方法 作为同步机制，通过向x 8 6 处理器发送“s t i ”和“c l i 宏指令来开中断和关中 断，由于关中断和开中断的混合使用使得中断的分派延时不可预测。而r t - l i n u x 修改了这些宏指令，分别用宏ss t i 和sc u 替换。r t l i n u x 引入了一个虚拟 层，采用在l i n u x 内核和中断控制硬件之间增加一层仿真软件的方法截取所有的 硬件中断。将所有的中断分成l i n u x 中断和实时中断两类，如果是实时中断，则 继续向硬件发出中断。如果r t - l i n u x 内核收到的中断信号是普通l i n u x 中断，就 设置一个标志位，等到r t - l i n u x 内核空闲时通过软中断传递给l i n u x 内核去处理。 这样就使得l i n u x 永远不能禁止中断。无论l i n u x 处在什么状态，它都不会对实 时系统的中断响应时间增加任何延迟，以致时间上的不可预测性。l i n u x 程序的 1 4 第二章蓝天数控系统结构与开发环境 屏蔽中断( e l i ) 虽不能禁止实时中断的发生，却可以用来中断l i n u x 。l i n u x 不能 中断自己，而i 玎l i n u x 可以。 r t l i n u x 在默认的情况下采用优先级的调度策略，即系统调度器根据各个实 时任务的优先级来确定执行的先后次序。优先级高的先执行，优先级低的后执行， 这样就保证了实时进程的迅速调度。同时r t - l i n u x 也支持其它的调度策略，如 最短时限最先调度( e d p ) 、确定周期调度( 蹦) ( 周期段的实时任务具有高的 优先级) 。r t - l i n u x 将任务调度器本身设计成一个可装载的内核模块，用户可以 根据自己的实际需要，编写适合自己的调度算法。 对于一个操作系统而言，精确的定时机制虽然可以提高任务调度器的效率， 但会增加c p u 处理定时中断的时间开销。r t - l i n u x 对时间精度和时钟中断处理 的时间开销进行了折中考虑。不是像l i n u x 那样将8 2 5 4 定时器设计成1 0 m s 产生 一次定时中断的固定模式，而是将定时器芯片设置为终端计时中断方式。根据最 近的进程的时间需要，不断调整定时器的定时间隔。这样不仅可以获得高定时精 度，同时中断处理的开销又最d d g j 。 r t - l i n u x 设计过程中体现了这样的原则：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，也不需要 使用共享旋转锁( s p i n l o c k ) ，实时任务和l i n u x 进程间的通信也是非阻塞的， 从来不用等待进队列和出队列的数据。 r t - l i n u x 将系统和设备的初始化交给了l i n u x 完成，对动态资源的申请和分 配也交给了l i n u x 。r t - l i n u x 使用静态分配的内存来完成硬实时任务，因为在没 有内存资源的时候，被阻塞的线程不可能具有硬实时能力。 进行r t - l i n u x 编程的通用方法是：将一个任务分为实时部分和非实时部分， 实时部分通过使用一个模块，在将该实时模块插入之后，运行实时任务；在非实 时部分实现对f i f o 设备的读取，完成和实时任务的通信就可以了。非实时部分 实际上就是应用程序的编写，主要是完成不需要实时的功能如显示等。程序的体 系结构如下所示： 图2 7 实时程序结构图 1 5 蓝天数控系统配置与调试诊断程序的设计与实现 2 313r t - l i n u x 的优秀特性 r t - l i n u x 是一种基于l i n u x 的实时操作系统。它除了具有出色的实时性能和 稳定性之外，还具备以下优秀特性： 小而精巧的实时内核 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。 模块化的设计 对r t l i n u x 的调度方法，用户实时任务的工作是通过l i n u x 的可导入模块的 方式进行的。可以自己实现一个实时调度算法，作为l i n u x 的模块插入到内核运 行空间，作为实时任务的调度策略。用户实时任务的编程也是通过模块编程来实 现的。 和l i n u x 内核无缝结合 r t - l i n u x 的实现方案是双内核系统，即利用l i n u x 内核，同时增加一个实时 内核，两个内核同时工作，获得别的实时系统所不能达到的优势。这样，我们对 r t - l i n u x 应用来看，存在有两个域，一个是实时域，一个是非实时域。放在实时 域的函数能满足其实时的要求，不过这些实时任务必须要简单，因为可用的资源 受到了限制；非实时域的函数可以利用整个l i n u x 的资源，不过不能提供任何的 实时性能。在两个域之间可以通过多种途径进行通信，如f i f o ，共享内存等方法。 2 3 1 4r t - l i n u x 的实时性 r t - l i n u x 具有出色的实时性能和稳定性。在一台普通配置的x 8 6 p c 上，其 最大中断延迟时间( 从处理器接收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 i ls 。这些数据已接近硬件的极限1 0 1 。 r t - l i n u x 在l i n u x 内核与硬件之间增加了一个虚拟层，构筑了一个小的、时 间上可预测的，与l i n u x 内核分开的实时内