（机械电子工程专业论文）基于实时linux平台的cnc系统研究与实现.pdf

南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 麴蓬墨笙是数控产品的核心技术之一，数控系统的实时性、稳定性直接影 响着数控产品的性能。当前，市场上已有的数控系统大都基于d o s 或w i n d o w s n t 系统，而这两种操作系统都不能很好的用于工业控制。l i n u x 操作系统具有真正 的多任务、源代码全开放、极佳的稳定性、优秀的内存管理以及强大的网络功能 等特性，使其经改造后能很好的满足数控系统的平台需求。本论文以实时l i n u x 和工业p c 机为软、硬件平台，以c 语言、g n o m e g t k + 库以及g c c 编译器为开 发工具，进行了计算机数控系统的研究和开发。论文主要内容包括： 1 从数控系统的实时性、稳定性和开放性等方面，分析了现有p c 化数控系 统支撑平台的不足，讨论了基于实时l i i l u x 平台开发c n c 系统的优势； 2 研究了在l h u x 平台上实现实时控制的途径，并采用r t l m u x 内核对l m u x 进行实时化改造； 3 构造了l i n u - x c n c 系统的结构，分析了该系统的优点和开放性，并在实 时化后的l i n u x 平台上进行原理样机系统的开发。 关键词：c n c 实时操作系统l i n u x r t l i n u xc o r b a 基于实时l i n u x 平台的c n c 系统研究与实现 a b s t r a c t c n c s y s t e m sa r et h em o s ti m p o r t a n tp a r t so fc n cp r o d u c t s t h er e a l t i m ea n d s t a b i l i t yo fc n cs y s t e m sa r e t h em o s ti m p o r t a n tp e r f o r m a n c e c u r r e n d y ，m o s tc n c s y s t e m s i nt h em a r k e ta r eb a s e do nd o so r w i n d o w s n t u n f o r t u n a t e l y ，n e i t h e ro f t h e m i ss u i t a b l ef o ri n d u s t r i a lc o n t r 0 1 i a n u xh a sm a n y a d v a n t a g e s ，s u c ha st r u em u l t i m a s k s ， o p e n s o u r c ec o d e s ，g o o ds m b i l i t y ，e x c e l l e n tr a m m a n a g e m e n t a n d s t r o n gn e t w o r kf u n c t i o n ， w h i c hm a k ei tag o o dc h o i c ef o rc n c s y s t e m s i nt h i sp a p e r ，ac n c s y s t e m i sr e s e a r c h e d a n d d e v e l o p e d b a s e do nr e a lt i m el i n u xa n di n d u s t r i a l p e r s o n a lc o m p u t e r w i t hc l a n g u a g e ， g n o m e g t k + l i ba n dg c cc o m p i l e r t h em a i nc o n t e n t so ft h ep a p e ri n c l u d e ： 1 d i s a d v a n t a g e so fc u r r e n tp l a t f o r m sf o rc n cs y s t e m sb a s e do np ca r ea n a l y z e da n d a d v a n t a g e so f c n c s y s t e m sb a s e d o i lr e a l t i m el m u xa t ed i s c u s s e df r o ms u c hs i d e sa sr e a l t i m e ，s t a b i l i t ya n do p e np e r f o r m a n c e 2 s e v e r a la p p r o a c h e st or e a l i z er e a l - t i m ec o n t r o lb a s e do nl m u xa r e i n v e s t i g a t e da n d r t i a n u xi su s e dt og e tar e a lt i m el i n u xk e r n e l 3 a no p e na r c h i t e c t u r eo fl i n u x c n ci s i m p l e m e n t e d ，t h ea d v a n t a g e s a n do p e n c h a r a c t e r i s t i c so ft h es y s t e ma t ea n a l y z e d ，a l s o ，t h ed e v e l o p m e n to ft h es y s t e mo h r e a lt i m e l m u xi si n t r o d u c e d k e y w o r d s ：c n cr e a l t i m eo sl i n u xr t l i n u xc o r b a i i 南京航空航天大学硕士学位论文 第一章绪论 随着全球经济竞争h 益加剧，对制造行业的要求日新月异：被加工零件复杂度的 增加，加工单元的柔性化，无人化工厂的实现等等。数控机床作为一种自动化的加工 设备而被广泛采用。同时，随着现代机械制造业向更高层次的发展，数控机床也成为 柔性制造单元( f m c ) 、柔性制造系统( f m s ) 以及计算机集成制造系统( c i m s ) 的 基础装备。数控技术是数控机床的关键技术，它的迅速发展和广泛应用，使得普通机 械逐渐被高效率、高精度的数控机械所代替，从而形成了巨大的生产力，其水平高低 已成为衡量一个国家工业现代化的重要标志。计算机数字控制f c o m p u t e rn u m e t i c c o n t r o l ，简称c n c ) 系统是数控技术的核心，也是制造行业智能化的基础。因此，c n c 系统作为数控机床中的重要部件之一，其性能的好坏直接影响产品在市场上的竞争能 力。 1 1 数控技术的发展 1 1 1 数控技术的发展历史 二战后，美国为了革新飞机制造业中用于仿形机床上的靠模和样件加工的设备， 开始研制新型机床。1 9 5 2 年，美国帕森斯公司( p a r s o n sc o ) 与麻省理工学院伺服机 构实验室( s e k - v om e c h a n i s m sl a b o r a t o r yo f t 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 t m o l o g y ) 合 作，研制成功世界上第一台数控机床，这是一台三座标立式数控铣床，采用的是脉冲 乘法器原理，其数控系统全部采用电子管元件。从那时起，半个世纪以来，随着计算 机技术，特别是微电子技术的发展，数控系统已经历y k 代，可分为四个发展阶段。 ( 1 ) 硬件数控( n c ) 阶段 如果把最早期采用电子管制成的数控系统称为第一代数控系统的话，那么从1 9 5 9 年开始，随着晶体管和印刷电路板被广泛应用到数控系统中，数控系统进入第二代。 1 9 6 5 年，小规模集成电路出现，由于它体积小、功耗低，使数控系统的可靠性得以进 一步提高，数控系统发展到第三代。前三代数控系统均采用专用计算机，各种控制基 本由硬件来实现，所以通常称为硬件数控系统( n c ) 。其功能简单，灵活性差，设计周 期长，系统可靠性低，因而限制了其进一步的发展和应用。 ( 2 ) 计算机数控( c n c ) 阶段 7 0 年代初，通用小型计算机业出现并成批生产，随着微电子技术和集成制造技术的 发展，数控技术也不断更新。使数控技术进入了飞速发展的时代。1 9 7 0 年在美国芝加 哥数控展览会上，首次展出了由小型计算机为核心的计算机数控系统，标志着数控系 基于实时l i n u x 平台的c n c 系统研究与实现 统进入了计算机为主体的第四代。至此，原来由硬件实现的功能逐步改由软件完成， 从此系统进入了软件数控时代。 1 9 7 4 年，首次出现了采用微处理器芯片的软件c n c 系统，象征着数控系统进入了 以微机为背景的第五代。这一发展真正实现了机电一体化，进一步缩小了体积，降低 了成本，简化了编程和操作，使数控系统达到了普及的程度。 7 0 年代末、8 0 年代初，随着超大规模集成电路、大容量存储器、c r t 的普及应用， c n c 系统进入了第六代。它虽然仍以微处理器为基础，但控制功能更为完备，达到了 多功能的技术特征，尤其在软件技术方面发展更快，具有了交互式对话编程，三维图 形动态显示校验，实时精度补偿等功能。在系统体的结构上，开始出现了柔性化、模 块化的多处理机结构。数控系统产品也逐步实现了标准化，系列化。 ( 3 ) 高速高精度c n c 的开发与应用阶段 进入八十年代，为了实现高速、高精度曲面轮廓精加工，必须提高微轮廓线的解释 处理能力和伺服驱动特性，为保证零件程序的传送、插补、加工线速度控制等连续处 理，c n c 系统应具有足够高的数据处理速度和能力。3 2 位c p u 以其很强的数据处理 能力在c n c 中得到了应用，使c n c 系统进入了面向高速、高精度的第七代。1 9 8 6 年， 三菱电机公司率先推出了c p u 为6 8 0 2 0 的3 2 位c n c ，掀起了3 2 位c n c 的热潮，并 逐渐成为当今数控系统的主流。 ( 4 ) 基于p c 的开放式c n c 的开发与应用 进入九十年代，个人计算机( p e r s o n a l c o m p u t e r ，p c ) 的性能已发展到很高的阶段， 从8 位、1 6 位发展到3 2 位，可以满足作为数控系统核心部件的要求，而且p c 机生产 批量很大，价格便宜，可靠性高。数控系统从此进入基于p c 的c n c 系统阶段。1 9 9 4 年，这种基于p c 的c n c 控制器在美国首先亮相市场，并在此后获得了高速发展。p c 的引入，不仅为c n c 提供高性能价格比的硬件资源和极其丰富的软件资源，更为c n c 的开放化提供了基础，使之成为数控历史最具影响的发展。人们常称这种p c n c 结构 为第八代数控系统。 1 1 2 我国数控技术的发展历程 我国数控机床的研制起步于1 9 5 8 年，到现在已经历了4 4 年的发展历程。从5 0 年 代到6 0 年代，我国数控机床处于研制开发时期，直到6 0 年代末7 0 年代初，已经研制 出一些晶体管式的数控系统，并用于生产。但由于历史的原因，一直没有取得实质性 的成果。数控机床的品种和数量都很少，稳定性和可靠性都比较差，只在一些复杂的、 特殊的零件加工中使用。8 0 年代初，随着国门的打开，我国先后从日本、美国、德国 等国家引进一些先进的c n c 装置及主轴、伺服系统的生产技术，并陆续投入了生产。 由于这些数控系统性能比较完善，稳定性和可靠性都比较好，使我国数控机床有了质 的变化。 2 南京航空航天大学硕士学位论文 1 9 8 6 年至1 9 9 0 年( 七五) 期间是我国数控机床大发展的时期。我国数控行业， 在引进吸收国外技术的基础上，进行了大量的开发工作，一些较高档次的数控系统陆 续开发出来，把我国的数控技术推向了新的高度。9 0 年代以来，我国一方面从日、德、 美等国购进数控系统，另一方面积极开发、设计、制造具有自主版权的中、高档数控 系统，并且取得了可喜的成果。自1 9 9 5 年以来先后有北航、西工大、南航、华中理工 大，沈阳自动化所等多家单位推出了基于p c 的c n c 系统。但这些系统的开放性仍不 够，整体的c n c 系统并不能实现真正开放，用户既无法重构系统功能，也不能开发自 己独特的操作界面和专用功能，同时硬件也缺乏兼容能力，所以不属真正的开放系统。 所以，应当看到，我国的数控技术与发达国家相比仍有相当差距，数控产业仍十 分薄弱，而且国产数控绝大部分是功能简单的中低档经济型，高档数控又是国外发达 国家对我国进行技术封锁的主要方面。为了促进我国数控技术的发展，使数控技术接 近和赶上世界先进水平，一方面国家正在不断调整政策，制定发展计划，为数控技术 的发展提供良好的环境；另一方面，作为科技工作者，要不断吸收和借鉴世界先进技 术并结合我国的实际情况，努力研制出更多更好的数控系统。 1 1 3 数控技术的发展趋势 随着科技的发展，机械产品的形状和结构不断改进，对零件加工质量的要求也越来 越高。为了满足制造行业中高难度加工工艺、高精度、高复杂度和高生产率的需要， 尤其随着f m s 的迅猛发展和c i m s 的兴起和不断成熟，数控机床在性能上也要求向更 高精度、更高速度、更高可靠性及更完善的功能方向发展。目前，数控系统的发展趋 势集中在以下几个方面： f 1 ) 向高速度、高精度发展 主要体现在不断的采用性能先进的c p u 和多c p u 并行技术，提高主轴转速，优化 插补算法：提高数控系统分辨率，采用高精度补偿技术等；采用数字式伺服系统并运 用前馈控制技术减少伺服系统跟踪滞后误差； f 2 ) 集成化和智能化 新一代数控系统大量采用大规模和超大规模集成电路、表面集成技术，使整个系统 小型化、经济和可靠。还引进适应控制技术，使数控系统能检测对自己有影响的信息， 并自动连续调整系统相关参数，达到改进系统运行状态的目的；引进专家系统和知识 库，增加人工智能的功能，从而达到提高排除故障的能力和功能。 ( 3 ) 可靠性更高 由于现代数控机床数控系统的模块化、通用化和标准化，便于组织批量生产，故可 保证产品质量。现代数控系统大量采用大规模和超大规模集成电路，采用专用芯片及 混合式集成电路，提高了集成度，减少了元器件数量，降低了功耗，提高了可靠性。 3 基于实时l i n u x 平台的c n c 系统研究与实现 ( 4 ) 开放化和p c 化 数控系统的开放化和p c 化可以通过建立一个统一地、可重构的系统工具平台，解 决用户需求的频繁变动与控制系统专一、固定的框架之间的矛盾。极大的增加数控系 统的柔性和适应性。使系统的升级和维护更为方便、容易。 ( 5 ) 具有更好的通讯功能 为了适应自动化技术的进一步发展，适应工厂自动化规模越来越大的要求，对现代 数控系统的通讯功能要求也越来越高。 1 2 数控系统的p c 化与开放化 1 2 1 开放式c n c 的产生 传统的数控系统，不论以f a n u c 为代表的专用芯片和印刷电路板相结合的体系结 构，还是以美国a b 公司为代表的总线式结构，厂家为了垄断市场，c n c 都采用封闭 式结构，即组成系统的硬件模块和软件结构是专用的、互不兼容的，系统各模块间的 交互方式、通讯机制也各不相同，因此造成了不同厂家控制系统的相对独立彼此封闭。 这种专用体系结构的数控系统，虽然具有结构简单、技术成熟、产品批量大、生产成 本低的优势，但随着技术的进步，市场竞争的加剧，越来越暴露出其固有的缺陷。例 如：数控系统价格昂贵，交货时间长，系统结构灵活性很差。 另外，由于控制器功能与机床功能不匹配，机床厂家和最终用户自己特有的技术 不能或只有很少一部分被纳入数控体系；由于没有统一标准接口，无论是产品升级、 服务、更换部件以及增加新特性，都不得不依赖控制器生产商，另一方面，系统的封 闭性使得对它的扩充和修改极其有限，造成数控设备制造商( n c 系统中间用户1 对系统 供应商的依赖，难以将自己的专门技术、工艺经验集成入控制系统形成自己的产品特 色，不利于主机产品的竞争力。此外，专用的硬软件结构也限制了系统本身的持续开 发，使系统的开发投资大、周期长、风险高、更新换代慢，不利于数控产品的技术进 步。总之，数控系统的这一现状已不能适应当今制造业市场变化频繁，竞争加剧的形 势，也不符合现代制造业向信息化、敏捷制造模式发展的要求。 为从根本上解决这个问题，提高数控系统的开放性就变得非常重要，为此，人们 提出了一种全新的数控系统概念一开放式数控系统。根据i e e e 的定义，一个开放 式的系统应能够在多种平台上运行，能够与其它系统进行互操作，并能给用户提供一 致的交互界面。从技术上来说，开放式控制系统结构应有以下特点： ( 1 ) 互操作性提供一个统一标准的通讯系统来实现各模块间的数据交换。 ( 2 ) 可移植性使用平台提供的标准a p i ，应用程序可在不同的平台上运行。 ( 3 ) 伸缩性可任意增删各功能模块。 ( 4 ) 可互换性可任意互换功能模块。 4 南京航空航天大学硕士学位论文 1 2 2 开放式c n c 的发展状况 许多国家，特别是工业发达国家从8 0 年代末期开始就纷纷制定有关开放式控制系 统的计划，它们也正代表了当前开放式控制系统的研究与发展现状乜”。 1 美国的n g c 和o m a c 计划 早在1 9 8 7 年，里根政府为振兴美国的机械制造业，推动工业形成一个广泛的合作 关系，以增强对外竞争力，出台了n g c ( t h en e x tg e n e r a t i o nw o r k - s t a t i o n m a c h i n e c o n t r o l l e r ) 研究计划。该项目由美国国家制造科学中心( n c m s ) 与空军共同领导，于 1 9 8 9 年开始实施。 n g c 计划的目标是，为基于开放式体系结构的下一代机械制造控制器提供一个标 准，在这一标准的支持下，不同的设计人员可以开发出具有互换性和互操作性的控制 部件。基于这一标准的控制器具有体系结构开放、适用范围广、能适应技术发展的特 点。n g c 计划已于1 9 9 4 年完成了原型研究，并已转入工业开发应用。例如美国f o r d 、 g m 和c h r y s l e r 等公司在n g c 计划的指导下，联合提出了o m a c ( o p e nm o d u l a r a r c h i t e c t u r ec o n t r o l l e r ) 开发计划，定义了系统基础框架、信息库管理、任务调度、人 机接口、运动控制、传感器接口等标准的o m a ca p i ，构造了完整的体系结构。该计 划的实现将使系统制造厂、机床厂和最终用户分别从缩短开发周期、降低开发费用、 便于系统集成和二次开发、简化系统的使用和维护等方面受益。例如d e l t at a u 公 司利用n g c 和o m a c 等协议，成功地开发出了具有良好开放特性的多轴运动控制卡， 该卡提供了丰富的接口函数，可以方便地应用于p c 。p m a c 卡与p c 之间具有双端口 r a m 、并行总线、串口等多种信息交换接口，它还提供了丰富的i o 接1 ：2 、电机控制 接口，能与交、直流等多种电机连接实现运动控制。采用p c 和p m a c 控制卡构成的 p m a c 开放式c n c 系统，获得了良好的应用效果。 2 日本的o s e c 计划 日本是数控系统生产大国，仅一个f a n u c 公司每年生产的数控系统就占世 界产量的一半以上。为了继续保持其领先地位，1 9 9 4 年1 2 月，6 家日本企业发起 成立了开放式系统环境研究会( o s e - - o p e ns y s t e me n v i r o n m e n t ) ，至目的，已经提 出了开放控制器2 0 版本标准。其主要思想是： 进化即在原有技术上利用最新技术发展原有技术； 尽量做到软件组态化，以提高系统互操作性、可扩展性、可配置性和可 移植性； 尽可能利用计算机领域的最新技术： 5 基于实时l i n u x 平台的c n c 系统研究与实现 3 欧盟的o s a c a 计划 面对日本强有力的竞争和美国制造业的再度崛起，欧洲人的策略是联合起来发挥 各家长处，积极吸收世界上各种新技术，并提出了一项著名的计划一开放式自动化 控制系统体系( o s a c o p e n s y s t e m a r c h i t e c t u r e f o x c o n s o l s w i t h i n a u t o m a t o n s y s t e m ) 。 o s a c a 认为一个开放式控制系统应以一个平台为基础，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好的接口， 允许不同供应商提供的组件之间的协调工作，正确工作的控制器可运行于不同的系统 平台之上。o s a c a 的核心部分是通讯系统( c o m m u n i c a t i o ns y s t e m ) ，它屏蔽了操作 系统的差异，保证了各功能单元( a o ) 的可移植性和互操作性以及系统配置文件的通 用性。在o s a c a 开放式控制系统中，应用程序接口( a p i ) 是系统平台向外部提供服 务的通道，也是结构功能单元访问系统平台的唯一途径，它屏蔽了平台的真实实现， 保证了系统平台的硬件无关性和操作系统无关性。o s a c a 体系结构的主要目标是： 系统硬、软件平台都定义统一标准，功能可由用户选择和配置；用户可 以开发自己的应用程序或使用第三方提供的程序； 在适应有特殊需求的机床控制时，要缩短开发时间，增加灵活性； 经过几年的努力，开放式数控系统己取得了不少的成果，有些技术和标准在实际 应用中己被采用，取得了良好的效益。但总体来讲，目前开放式开放式数控尚未形成 商品化产品。 1 3 本论文选题背景及设计思想 1 3 1 背景 我国发展数控系统起步较早，但大多数为简易数控，已不能适应市场的要求。引 进、消化吸收国外产品虽然是追赶世界先进水平的一个途径，但却无法从根本上解决 自主开发数控系统的问题。为了摆脱这种被动局面，就必须具有超前意识，因此，利 用现有的资金、资源、人才与技术，研制我国自己的实时多任务数控系统，才是改变 我国数控现状的唯一出路。l i n u x 是个开放源代码的操作系统，在它的基础上实现实 时多任务的数控系统，是开发自主知识产权c n c 系统的一个可行的途径。 发展基于p c 的开放式数控系统已成为数控系统发展的新浪潮，许多发达国家和地 区的研究机构纷纷投入巨资对其进行研究和开发，并且己取得了定的进展。商业和 市场的分析也证明了这个观念有一个潜在的巨大市场。我国的数控产业只有发展开放 式的c n c 系统，才有可能在整个数控产业界及学术界展开广泛及多层次联合，在产品 的设计与开发过程中有效地对产品、资金、技术等进行重组，进一步缩短新产品的开 发周期、提高开发效率、降低开发成本，增强产品在国际、国内市场上的竞争力，促 进我国数控产业的进一步健康发展，缩短我国与世界先进水平的差距。 6 南京航空航天大学硕士学位论文 以往基于p c 的数控系统大都是以通用操作系统作为软件平台，通用操作系统虽能 提供最优化的全局性能和便捷的计算机资源，但不能满足数控系统的实时性要求。 g i n u x 系统的迅猛发展尤其是实时l 血u x 版本的出现为p c 化数控系统的软件平台提供 了一个好的选择。以p c 机为硬件平台在实时l i n u x 环境下开发开放式数控系统，是一 项紧跟数控发展前沿的开拓性开发工作，对于应用高新技术提高设备的性能，促进企 业经济效益和振兴国民经济意义重大。 1 3 2 设计思想 本论文的主要设计思想是利用工业p c 机和实时l i n u x 操作系统的优势，设计开放 化、多任务、高精度的c n c 系统。目前的数控系统的操作系统平台，除了专用操作系 统外，通用操作系统绝大多数使用的都是d o s 或w i n d o w s ，这两种操作系统用于c n c 尚有不少欠缺。d o s 本质上是一种单任务操作系统，在d o s 下的多任务只能通过中 断技术来实现。而且，d o s 的系统接口简单，造成软件的低水平重复开发，代码复用 率低幻1 。而w i n d o w s 平台的不稳定性和非实时性使其无法很好的用于工业控制。近 几年，l i n u x 操作系统以其真正的多任务、源代码全开放、极佳的稳定性、虚拟内存、 共享库、按需求装载、优秀的内存管理以及强大的网络支持功能风靡全世界，在我国 更是有过之而无不及。l i l l u x 作为u n i x 系统的一个变种，在继承了u n i x 稳定、开放、 易于移植等优点的同时，源代码对用户是完全公开的。这些优点使其非常适合用于工 业控制。本论文期望通过对l i n u x 的内核和运行机制进行研究，寻找一条在i a n u x 平台 上实现实时控制的途径，进而开发出一套基于p c 平台l i n u x 环境的开放式c n c 系统 i j n is m 。_ i x c n cs y 1 3 3 研究目标及意义 本论文主要设计目标： 对通用n n u x 系统进行小型化，以便应用于工业控制； 利用r t l i n u x 实时模块对通用l i n u x 系统进行实时化； 利用c 语言和g n o m e g t k + 库以及g c c 编译器实现人机界面，包括数控程 序的编辑、译码，数控加工的状态显示、参数设置、仿真模拟等； 利用r t i a n u x 提供的函数库开发实时模块，完成对数控加工过程的速度控制、 插补运算、位置控制、实时状态反馈等功能： 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c n c 系统的网络通 讯功能。 本论文的研究意义： 真正的实时控制会大大提高数控系统的整体性能： 系统极佳的稳定性会大大降低出故障的可能性： 7 基于实时l i n u x 平台的c n c 系统研究与实现 采用c o r b a 技术易于实现系统的组件化和分布式； 与d o s 相比，基于g u i 的图形化用户界面使操作简单化 由于平台是免费的，会大大降低整个数控系统的成本。 8 南京航空航天大学硕士学位论文 第二章l i n u x c n c 系统的优势和开放性 2 1p c n c 的发展背景 近几年，p c n c 是c n c 发展的新动向。所谓p c n c ，即在p c 机硬件平台和操作 系统的基础上，使用市场上销售或自行开发的应用软件和硬件插卡，构造出数控系统 功能。p c 自诞生以来，经过若干年的发展，其计算能力和可靠性飞速提高，硬件已完 全实现标准化，这些使得它越来越适合于工业环境下使用。p c 具有丰富的支持软件来 改善c n c 系统的用户界面、图形显示、动态仿真、数控编程、故障诊断、网络通讯等 功能。利用p c 上功能强大的开发工具，机床制造商和用户可以采用通用的编程语言编 制软件模块代替系统的原有模块，便于机床厂和用户添加具有自己独特技术诀窍的模 块。 基于p c 发展c n c 系统的背景在于： 1 p c 的性能不断提高，价格不断下降 近几年，p c 的性能，特别是其运算速度、存储容量、i 0 接口能力、可靠性等方 面有了显著提高。在运算速度方面，由于微处理器技术的迅猛发展，其运算速度越来 越快，性能己能与七八十年代的大型机相比，甚至更好，而且在价格方面也有很大的 优势。8 0 年代中期以前，由于当时的c p u 的性能低，采用硬件要比用软件快得多。现 在常用的p e n t i u mc p u ，一个时钟周期可执行2 3 条指令，2 0 0 m h z 计算速度可达到 仁6 亿次每秒。另外，p c 的硬件价格也在不在下降，这一切，都使得用p c 作为数控 装置的控制系统成为可能。 2 降低c n c 系统成本，增加其开放性的需要 随着高新技术的不断涌现、控制方法的不断更新，c n c 的开发周期越来越短，软 件开发工作量的比重越来越高，开发成本不断增加。使用p c 可解决软件公用问题和硬 件标准化问题，一方面可以降低系统的开发成本，另一方面可以增加系统的开放性。 3 办公自动化技术的发展及p c 文化的渗透 办公自动化技术己以其宠大的市场规模为背景飞速地发展和进步，大有超越机械 产品而站立科技发展最前列之势，作为办公自动化主体的p c 及其软件技术也随之快速 超前发展。使用p c 为控制机，能够有效地利用其已成熟的相关资源。目前，p c 已渗 透于各行各业，并进入了越来越多的家庭。使用p c 作为数控机床的控制平台将会使人 感到自然、亲切、方便，并且将会有大量优秀的软件开发者涌现。可见，使用p c 是 c n c 面向用户开放的最佳途径。 4 先进制造技术发展的需求 c a d c a p p c a m 之间的数据处理等信息集成技术是f m s 、c i m s 的关键技术， 也是制约先进制造技术快速发展的因素。这之中，c n c 控制数据与其他数据信息的协 9 基于实时l i n u x 平台的c n c 系统研究与实现 调处理是难题之一。为此，寻求一种制造业用的通用控制系统和标准形式，以求解决 信息协调问题，并能使其紧跟高科技发展的步伐，快速组成低成本、高性能的实用控 制系统，便是人们的迫切愿望。而使用p c 的开放式c n c 使实现这一愿望成为可能。 2 2p c n c 的几种组成类型乜。 基于p c 的c n c 系统的组成方式有多种，但总体上可分为p c 连接型c n c 、p c 内藏型c n c 、c n c 内藏型p c 以及全软件型n c 四种。 1 p c 连接型c n c p c 连接型c n c 是将原有c n c 与p c 通过串行线路直接相连的一种组成形式。其 优点是容易实现，且原有c n c 几乎可以不加改动地予以利用，也可使用通用软件。缺 点是原有c n c 部分不能实现开放化，且系统的响应运度、通讯速度都比较慢。这种类 型的系统如图2 1 所示。 图2 一lp c 连接型c n c 2 p c 内藏型c n c p c 内藏型c n c 是在c n c 内部加装p c ，p c 与c n c 之间通过专用总线相连。其 优点是原有c n c 几乎可以不加改动加以使用，且在数据传送以及系统响应方面速度都 比较快。缺点是不能直接使用通用p c ，p c 的开放程度受到限制。这种类型的系统如 图2 2 所示。 图2 2p c 内藏型c n c 3 c n c 内藏型p c c n c 内藏型是在通用p c 的扩展槽中装入专用c n c 插卡而组成。专用c n c 插卡 将完成包括加工轨迹生成等几乎所有的c n c 处理功能。p c 机作为非实时处理，实时 控制由c n c 单元或运动控制板来承担。这种类型能够方便地实现人机界面的开放化和 个性化，能充分保证系统性能，软件的通用性强而且编程处理灵活。缺点是很难利用 1 0 南京航空航天大学硕士学位论文 原有c n c 资源，系统可靠性的确保也是个有待进一步研究的问题。这种类型的系统如 图2 3 所示。 图2 3c n c 内藏型p c 4 全软件型n c 所谓全软件型n c 是指c n c 的全部功能处理工作如编译、解释、插补和p l c 等 全由p c 上的软件模块进行，并通过装在p c 扩展槽中的接口卡对伺服驱动等进行控制。 这种类型的硬件成本是最经济的，但软件开发是最复杂的，开发的重点是系统软件和 设备驱动程序。其优点是编程处理相当灵活，软件的通用性强，能够迅速吸收计算机 技术的最新成果，具有良好的灵活性和可扩展性，可方便地采用新的控制算法，也易 于实现物理设备和操作系统的更新换代。缺点是在通用p c 上进行实时处理较困难，较 难保证系统的性能，而且难以利用原有c n c 资源。这种类型的系统如图2 4 所示。 图2 - 4 全软件型n c 2 3i p c n c 系统的结构与原理 当前，采用工业控制计算机( i n d u s t r i a l p e r s o n a lc o m p u t e r ) 的通用化数控系统，既 i p c n c 系统，已经成为国际研究热点。工业控制计算机采用工业级芯片，在抗干扰方 面采取了有效措施，能够适应国内恶劣的生产现场；同时又与个人计算机兼容，为软 件的开发和扩展提供了优良的平台。基于p c 的数控系统通常由i p c 、饲服步进电机 智能驱动卡、驱动及放大部件、步进电机、位置检测部件、接口控制电路等组成f 见图 2 5 1 。 工业控制计算机主要负责参数设置、数控程序的输入、编辑、语法检查、译码并 生成目标文件，并可以按不同的控制指令以不同的方式将目标文件逐句发送给伺服 步进电机智能驱动卡：还可以查询的方式从饲服步进电机智能驱动卡读回当前刀具坐 标位置，形成坐标位置的实时动态显示和实时仿真。并且可以查询接口控制电路，显 示开关量信号。 基于实时l i n u x 平台的c n c 系统研究与实现 图2 5 数控系统结构和原理图 伺服步进电机智能驱动卡作为实时处理部分，插入到工业控制计算机的标准插 槽中，接收工业控制计算机所发送的零件加工指令，完成位置量、速度量及电机升降 速控制，并反馈刀具坐标位置。接口部分是工业控制计算机与外部信号( 如i o 信号、 位置反馈信号、通讯信号等) 的连接部分，完成一些开关量的控制。一般需采用光电隔 离措施以提高其抗干扰性。 2 4 现有p c n c 平台的不足 当前，市场上已有的基于p c 的数控系统大都是在d o s 平台下开发的，基于 w i n d o w s 平台的数控系统虽有很多学者研究过，但由于w i n d o w s 平台本身并不适合用 于工业控制，因此在实际数控产品中鲜有应用。 我国基于d o s 开发数控系统积累了丰富的经验，如华中i 型和航天i 型数控系统 等，都是基于d o s 来开发的。不可否认，虽然d o s 所提供的资源有限，但结构简单， 为我国的数控系统的发展作出了很大贡献。但d o s 本质上是一种单任务操作系统，在 d o s 下的多任务只能通过中断技术来实现。数控系统各软件功能模块一般不能同时执 行，若要同时执行，需自行解决模块之间的调度问题。而且，d o s 的系统接口简单， 造成软件的低水平重复开发，代码复用率低。开发d o s 环境下的应用程序，人机界面 的设计和开发占用了大量的时间。d o s 程序的调试难度随软件的复杂程度呈指数增长， 同时d o s 的6 4 0 k 的内存管理能力又限制了系统的控制功能。还有，d o s 的网络支持 非常差，无法适应日益增长的数控系统的联网需求。因此，基于d o s 的c n c 系统， 软件开发思想与技术落后，始终处于结构化程序设计的水平。无法利用面向对象、软 件重用等软件工程中的新理论、新技术，而这些正是实现开放性控制系统的关键所在。 1 2 南京航空航天大学硕士学位论文 w i n d o w s 是一个很流行的操作系统，在操作界面和易用性等方面具有其它操作系 统所无法比拟的优点，已经成为全球范围内，不管是个人用户还是企业用户，首选的 操作系统。与d o s 相比，基于w i n d o w s 平台开发数控系统，人机界面友好，开发 环境众多，对开发人员极具吸引力。w i n d o w s 的抢占式多任务、内置的网络功能和对 动态连接库的支持使c n c 系统的功能更加强大，而且实现相对容易，某些开放功能只 有在w i n d o w s 平台上才能实现。然而，w i n d o w s 平台的不稳定性和非实时性使其无 法很好的用于工业控制。针对其内核的非实时本质，提出了一些解决方案，如采用多 线程技术减少任务切换时间，采用v x d 技术获取底层中断而实现实时控制。然而，由 于w i n d o w s 系统从开始设计时就没有考虑实时控制应用，系统调用的效率低，加上内 核在设备驱动级的不确定性，使得w i n d o w s 下的实时控制只是对中断或定时实时性的 局部改进，并未改变系统的非实时本质。 2 5l i n u x c n c 系统的软硬件平台解决方案 2 5 1 以工业p c 为硬件平台 为了使系统具有一定的开放性，同时考虑到成本和通用等因素，本系统选用工业 控制计算机作为硬件平台，其优势在于： 1 ) p c 可降低系统成本，增加系统的开放性 p c 机自诞生以来，经过多年的发展，它的软硬件大都已标准化。这样，使用p c 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 的c n c 系统具有更大的灵活性 基于专用计算机的c n c 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 的c n c 系统，其主要任务在p c 机上以 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c n c 的灵活性， 使c n c 的开放更易实现。经过简单的处理，这种系统能直接用c a d 生成的设计数据 作为n c 的加工数据。还可使用通用高级语言编制加工程序，方便地进行程序的编辑 工作。 3 ) 基于p c 的c n c 系统具有更好的通用性 p c 机的廉价和易用使得基于p c 的c n c 系统具有更广阔的应用前景；而p c 机上 形形色色的绘图和网络等软件，更有利于c n c 系统的扩展与集成。 总之，基于工业控制计算机有利于c n c 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c n c 系统。 1 3 基于实时l i n u x 平台的c n c 系统研究与实现 2 5 2 以r t l i n u x 为软件平台 1 实时性的概念和实时操作系统 在控制领域对操作系统的一个基本要求是必须保证实时性，所谓实时指的是能对 各种外部、异步事件做出迅速的响应。实时分为两种：硬实时( h a r dr e a l - t i m e ) 和软实 时( s o f tr e a l - t i m e ) 。硬实时指时间是非常关键的，必须在指定的时间内完成所有的处理工 作；软实时指系统是以某种速率来处理事务的，但并不一定要在特定的时间内完成处 理工作。对于实时操作系统( r t o s ) ，p o s i x1 0 0 3 1 是这样定义的：实时操作系统必 须有能在边界时间内提供所需级别服务的能力。实时操作系统具有实时特性，能支持 实时的控制任务，一般采用模块化结构，由多个系统模块组成【1 i 。r t o s 必须能够明确 说明它的每一个系统服务运行所需的最长时间，运行在它上面的任务的行为都必须是 可预测的。正是由于这个特点使得实时操作系统在计算机应用的许多重要领域例如国 防、通信、航空航天、工业控制等) 起着不可替代的作用。这些领域对每个关键任务所 用的最长时间都有着严格的要求，只有采用实时操作系统才能够保证关键任务能在规 定的时间内完成。与硬实时和软实时相对应，实时操作系统也分为硬实时操作系统和 软实时操作系统两种。软实时操作系统的时间要求是统计定义的，如视频会议系统要 求连续播放帧，但偶尔丢失帧是可以容忍的。而硬实时操作系统中时间要求则必须保 证如卫星发射、核反应堆的实时控制。操作系统为了达到硬实时的要求必须满足两 个条件：可预测性和低延迟。可预测性指的是系统完成某个任务的时间是可以预测的， 例如在非实时操作系统中，系统可以在临界区内屏蔽中断，这样任务完成的时间就是 不可预测的，因此也就不具备可预测性。实时操作系统应该具有小型、快速、可预测 性等特点。可预测性和低延迟是实时操作系统的最主要的要求。实时操作系统一般具 有如下基本特征： 1 ) 支持多线程和可抢先调度。 2 1 有线程优先级的概念。 3 ) 有一个可预测的线程同步机制。 4 ) 具有优先级继承机制。 5 ) 操作系统的行为应该被用户了解和掌握。 目前市场上有许多商业的实时操作系统，如q n x 、v x w o r k “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i a 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了。实时 l h u x 系统以稳定、高效的l m 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 血u x 的网络、 x ，w i n d o w s 和开发环境等资源的同时，提供很好的实时能力。 1 4 南京航空航天大学硕士学位论文 实时操作系统的实现一般有三种方法：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 一。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 。这种办法的优点是工作量小，系统灵活。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。 第三种方法是改造已有的通用操作系统，使其具有实时能力。实时l i n u x 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，充分发挥了原操作系 统的功能和资源。 2 实时l m u x 的几种实现机制分析 实时l i n u x 是在原有通用l i n u x 的基础上改造而成的，它可以继承l i n u x 系统的优 秀的开发和调试工具，以及x - w i n d o w s 和强大的网络功能。虽然实时l i n u x 操作系统 的出现时间并不长，但目前已有