（机械电子工程专业论文）高压线圈绕制控制程序及用户程序自动编程的研究.pdf

程序自动编程的研究 学科名称：机械电子工程 作者姓名：周瑾 导师姓名：温何( 教授) 答辩日期： 签名： 签名：悔 摘要 高压线圈是一种重要的电子元器件，它被广泛地应用于汽车、摩托车、彩电等 备类电气、机电设备。数控绕线机楚自动绕制各类高压线圈的专用设各，随着线圈 应闱的日益广泛，原有的旧式绕线机设备已不能满足市场的要求。本课题通过以下 方式对新型数控绕线机的控制系统进行了研制开发。 首先，通过列3 2 悔操作系统w i n d o w s 9 x 运行机制及伺服控制卡内1 6 位动态 链接库( 简记为d l l l 6 ) 的研究分析，本文构造山了3 2 位应用程序( 简记为a p p 3 2 ) 调j 【1 ；| d l l l 6 的转换层f l a t t h u n k ，并利t j | w i n d o w s 操作系统的多线程机制，编写 了新型数控绕线机设备的3 2 位控制程序。 其次，通过对绕制规律的研究分析，本文将复杂的线圈绕制动作进行了动作分 解分解后的动作直观、易于描述。并得到了线圈儿何参数和绕制命令参数之间的 转换关系。 最后站合c a d c a m 集成技术的原理，本文对常见的数据交换标准加以分析， 最终选择了a u t o c a d 软件作为用户捌序自动编程系统的支撑平台，在对a u t o c a d 软件存储格式中的d x f 格式进行了详细的分析后，晟终采取特征信息描述方法以 及利用面向对象的程序设计方法，构造出了基于d x f 格式存储的图形数据交换的 数据接口，并在此基础上初步构造出了数控绕线机_ | ；| 户程序自动编程系统。 关键字：高压线圈数控绕线机 c a d c a md x f 格式 自动编程 s u b j e c t ：t h er e s e a r c ho nt h ec o n t r o ls y s t e mo f c o i l l n gh i g h v o i j a g ec o i la n dt h ea u t o m a t i c p r o g r a m m i n gs y s t e m0 fu s e r p r o g r a m m e c a n d i d a t e ：z h o u j i ns i g n a t u r e ： s u p e r v i s o r ：w e n h e ( p r o f e s s o r ) s i g n a t u r e ：垃璧凸觇 a b s t r a c t h i g h v o l t a g ec o i li sa f ti m p o r t a n tk i n do fe l e c t r i c a le l e m e n t s ，a n di ti su s e dw i d e l yi n t h ef i l e do fe l e c t r i ca n dm e c h a t r o n i ce q u i p m e n ts u c ha sa u t o m o b i l e s 、m o t o r c y c l e sa n d t vs e t s ，e t c t h ec n cc o i l i n ge q u i p m e n ti st h es p e c i a le q u i p m e n tw h i c hw i n d i n ga l l k i n d so fh i g h v o l t a g ec o i l s w i t hm o r ea n dm o r ee x t e n s i v eu s eo ft h ec o i l s ，t h eo l d c o i l i n ge q u i p m e n tc o u l dn o tm e e tt h em a r k e tn e e d b yt h er e s e a r c ho nt h em e c h a n i s mo f3 2 一b i to p e r a t i n gs y s t e m - - w i n d o w sa n dt h e 1 6 - b i td y n a m i cl i n kl i b r a r y ( a b ：d l l l 6 ) o fc o n t r o lb o a r d ，t h i sp a p e rb u i l d st h ef l a t t h u n kw h i c hi st h ec o n v e r t e ro f3 2 b i ta p p l y i n gp r o g r a m ( a b ：a p p 3 2 ) t r a n s f e r r i n gt h e d l l l 6 a tt h es a m et i m e ，b yu s i n gt h em u l t i t h r e a d sp r i n c i p l eo fw i n d o w s ，t h i sp a p e r m a k e st h ea p p 3 2o ft h en e wc o i l i n ge q u i p m e n t b yt h ea n a l y z eo fc o i l i n gr u l e ，t h i sp a p e rd i s a s s e m b l e st h ec o i l i n gm o t i o n ，a f t e r d i s a s s e m b l i n gw o r k ，t h ed i s a s s e m b l e dm o t i o ni sc l e a r l ya n de a s i l yd e s c r i b i n g t h i s p a p e rc o n c l u d e st h ec o r r e s p o n d i n gp r i n c i p l eb e t w e e nt h eg e o m e t r i cp a r a m e t e r so ft h e c o i la n dt h ec o i l i n gm o t i o np a r a m e t e r s a tl a s t ，c o m b i n i n gw i t ht h ec a d c a mi n t e g r a t e dt e c h n o l o g yp r i n c i p l e ，a n a l y z i n g t h eu s u a ld a t a e x c h a n g i n gs t a n d a r d ；t h i sp a p e rc h o o s e sa u t o c a ds o f t w a r eb e i n gt h e s u p p o r tf l a to ft h ea p ts y s t e m u s i n g “c h a r a c t e ri n f o r m a t i o nd e s c r i b em e t h o d s a n d “o p e nt oo b j e c tp r o g r a m m i n g ”( a b ：o o p ) i d e a ，t h i sp a p e rb u i l d st h eu s e r - p r o g r a ma p t s y s t e mo ft h ec o i l i n ge q u i p m e n tb a s e do nt h ed a t at r a n s f e r r i n gw i t hd x ff o r m a t k e y w o r d s ：h i g h - v o l t a g ec o i l c n c c o i l i n ge q u i p m e n t c a d c a m d x ff o r m a ta p ts y s t e m 1 绪论 1 1 课题研究的背景和意义 高压线圈是一种重要的电子元器件，它被广泛地应用于汽车、摩托 车、彩电等各类电气、机电设备，市场对其安全性一直有着很高的要求， 同时其加工难度也较大，数控绕线机是绕制高压线圈的专用设备，其控 制系统的设计将直接影响到加工出的产品的精度。 随着线圈应用的日益广泛，其生产和应用也体现出了新的特点：( 1 ) 线圈的结构日新月异，品种越来越多，而其生产批量则相对减少；( 2 ) 线 圈产品从设计、制造到投放市场的周期越来越短；( 3 ) 市场对该类产品的 质量和可靠性要求也越来越高。可以看出，作为一种重要的电子产品， 线圈的生产的变化特点与整个制造业的发展趋势是吻合的。现代制造的 生产方式要求有着与之相适应的生产方法，于是随着计算机技术的飞速 发展，计算机数控( c n c ) 、直接数控( d n c ) 、计算辅助设计( c a d ) 、计 算机辅助制造( c a m ) 等先进理念蓬勃发展起来，它们在生产的各个领域 得到了广泛的应用，从根本上改变了传统的设计、生产、组织模式，成 为推动制造业技术进步及经济增长的强大动力，代表着制造业发展的方 向与未来。所以，结合这些先进的制造理念，开发新型的绕线机控制系 统对于满足市场对线圈产品越来越高的要求是极为必要的。 1 1 1 高压线圈绕制工艺特点介绍 数控绕线机绕制速度高( 通常为6 0 0 0 r m i n ) ，所用漆包线线径很细 ( 通常为中0 0 2 由0 0 6 r a m ) ，所以在实际绕制加工过程中，断线现象是 一个很容易发生的故障，频繁断线会给生产效率带来极大的负面影响， 造成该类故障的最主要原因还是绕线动作不规范、绕制过程不稳定从而 导致绕线张力波动过大所致。因此，对线圈的缠绕规律进行认真分析， 将绕制动作进行详细分解分类是极为重要的。 圆形线圈骨架的绕制形式为圆周式缠绕，即线圈骨架固定在转塔的 轴套上，飞叉线头以特定的速度沿平行于骨架轴方向往复运动，并绕骨 架轴高速转动，线头沿着封头曲面进入线槽一端的缺口，从该缺口出发， 随后按圆弧线轨迹缠绕一定的匝数绕过圆筒段，进入另一端缺口，循环 上述过程，直至绕完所有的线槽，接着辅助设备开始动作完成一个完整 的线圈绕制过程。 1 1 2 c a d c a m 集成技术的基本概念及结构 c a d c a m 系统的集成是指把c a d 和c a m ( 狭义的指计算机辅助数控编 程) 等各种功能通过软件有机地结合起来，用统一的执行控制程序来组 织各种信息的提取、交换、共享和处理，以保证系统的信息流的畅通并 协调各个系统有效地运行。它的显著特点是把产品的设计过程与制造过 程集成起米，通过生产数据采集形成一个闭环系统。c a d c a m 集成是制造 业迈向c i m s 的基础。 c a d c a m 系统基本上是由硬件系统与软件两部分组成，硬件系统包括 计算机和外设：软件系统主要包括系统软件、应用软件( 也称基础软件) 和专业软件。其结构图如图卜1 所示： 图卜1 c a d c a m 系统基本结构 1 1 3 c a d c a m 系统集成技术的应用与发展 近年由于p c 机的性价比大幅提高，以p c 机为主机的c a d c a m 系统 已成为市场热点。c a d c a m 集成技术发展的主要趋势是集成化、智能化、 网络化【1 】。 据文献1 2 1 统计：在发达国家中，c a d 技术在制造企业中的应用， 其覆盖率高达7 0 以上，而在我国，虽然近些年来我国在c a d 技术的研究、 开发及推广应用方面都取得了长足的发展，但与发达国家相比，在应用 开发的广度和深度上还存在着很大的差距，主要表现在：自主版权的软 件，其商品化程度低、可靠性较差、功能单一，难以进入市场。而同时 c a d 技术的推广和应用还很不普遍。据统计，在制造业领域，真正利用 c a d 技术进行产品设计的，其覆盖率还不足5 ，由此可见，进一步开展 c a d 技术的研究开发和推广应用，仍是我国从事c a d 技术的工作人员一项 繁重而又迫切的任务。 c a d 、c a m 这些独立的子系统，分别在产品设计和自动编程方面起到 了重要的作用，但是采用这些各自独立的系统并不能实现系统之间信息 的自动传递和交换。为此，研究c a d 和c a m 之问的数据和信息的自动传 递和交换问题，即c a d c a m 集成技术就成为当前制造领域的热点。 数据驱动型系统 3 1 是正在发展中的新一代c a d c a m 集成系统。其 基本出发点是从解决产品整个生命周期的统一数据模型出发，寻求产品 数据完全实现交换和共享的途径。这类系统采用s t e p 产品数据交换标准， 逐步实现统一的系统信息结构设计和系统功能设计。图1 2 描述了这类 系统的一种体系结构。 整个系统分三个层次来实现。最下面一层为产品数据管理层，它以 s t e p 的产品模型定义为基础，提供了三种数据交换方式。系统运行时， 通过数据管理界面按某一选定的数据交换方式进行产品数据的交换。 系统的中间一层为基本功能层。该层为c a d c a m 应用系统提供了开 发环境，应用系统可以通过功能界面来调用这些功能。 系统的最上面一层为应用系统层。它们可以完成从设计、分析到加 工、装配的全过程。这些功能通过用户界面提供给用户。 图卜2 c a d c a m 集成系统的体系结构 1 1 4 发展c a d c a m 集成技术的意义： 随着科技水平的迅猛发展，具有全新理念的先进制造技术已成为当 前制造业发展的重要技术保证。c i m s ( 计算机集成制造系统) 己成为现 代制造企业所普遍遵循和迫切需要的生产组织模式1 4 。c a d c a m 集成技 术作为先进制造技术的核心基础，它的发展与应用已成为测量一个国家 科技进步和工业现代化水平的重要标志。在日趋一体化的全球市场中， 激烈的市场竞争、快速的产品更新换代、越来越高的产品性能价格比， 器暴 促使世界上许多国家和企业都把发展c a d c a m 技术确定为本国制造业的 发展战略，制定了很多由政府或工业界支持的计划，借以推动c a d c a m 集成技术的开发与应用。 在我国，由于现阶段多数企业的生产自动化集成化程度还不高，为 了提高企业的竞争力，迫切需要加强c a d c a m 集成系统的研究开发与应 用。虽然国外已研制成功了许多商业化软件，但由于这些软件一般规模 大、价格昂贵，所以许多国内企业( 尤其是中小企业) 无法进行购置应 用。因此利用当前流行的p c 设备，根据企业自身需要，自主开发一些小 型的c a d c a m 集成系统对现阶段我国的制造业是切实可行的提高质量和 效率、增强竞争力的有效手段。 数控绕线机作为绕制高压线圈的专用数控设备，其旧有的控制程序 一i ：作于d o s 操作系统下，已经远远落后于目前流行的操作系统，同时其 手工编制用户程序的工作方式已经不能满足当f i 生产领域所提倡的柔性 化、自动化的要求。因此，开发出数控绕线机的自动编程系统，可以大 大方便操作人员的工作，极大地提高设备的生产率。 开发数控绕线机自动编程系统的意义： l _ 提高了设备的生产率并提高了设备的竞争能力 随着我国家电和机电行业的迅猛发展，线圈的生产和应用体现出以 下几个特点：( 1 ) 线圈品种越来越多，结构日新月异，而其生产批量则相 对减少；( 2 ) 线圈产品从设计、制造到投放市场的周期越来越短；( 3 ) 市场 对该类产品的质量提出了越来越高的要求，这就对数控绕线机的功能提 出了更高的要求，但由于旧式的数控绕线机仍采用手工编制用户程序的 方式，对每种不同规格的新产品，都需要一段时问的试生产来确定绕制 工作参数，降低了设备的使用效率，提高了产品的生产成本，因此开发 数控绕线机的用户程序自动编程系统可以大大提高加工效率，降低加工 成本，同时也提高了绕线设备在市场中的竞争能力。 2 降低了设备的使用难度，方便了操作人员的工作 自动编程系统可以直接读取由a u t o c a d 绘制的产品图形文件信息， 也可由操作人员直接输入产品的几个主要参数( 槽宽、线径、长度、匝 数等) ，即可自动生成绕制程序，使得操作更加简单、方便，而且还提供 操作命令的帮助来指导操作人员的工作，最大限度地避免了操作人员在 工作时可能发生的错误，消除了事故隐患。 3 自动编程系统可以使加工程序更趋合理 数控绕线机由于绕线工艺较为复杂，对于挂槽等重要工艺动作，手 工编制用户程序往往使走线轨迹不尽合理，易造成质量事故，而自动编 程系统通过对绕制规律的分析，可以获得比较准确的绕制命令及参数， 缩短了加工时间，提高了加工速度和产品合格率。 1 2 绕线机设备的国内外发展现状 随着机电、电气等产品技术上的不断进步，市场对线圈产品的需求 量急剧增大，同时对其质量也提出了越来越高的要求。数控绕线机是自 动绕制各类高压线圈的专用设备。为了争夺日益扩大的国际市场，日本、 德国、意大利等发达国家纷纷斥巨资研制开发数控绕线设备，以期在市 场中占据主导地位。日本由于起步早，技术水平高，从二十世纪六十年 代起便一直主导着数控绕线设备市场，其产品占有国际绕线设备市场约 7 0 份额；德国和意大利等国家则是近二十年才推出自己的产品，但是由 于起点高、质量可靠、设计新颖，已经显示出很强的竞争实力。 在国内，绝大多数的线圈生产厂家也使用的是进口绕线机设备，这 主要是由于国内生产的数控绕线机的大部分厂家起步较晚，而且主要是 仿造日本的产品，国外先进设备的一些关键技术如自动编程技术是国内 这些设备所不具备的，与国外先进水平相比，国内的大部分绕线机设备 质量可靠性较差、加工精度较低、生产效率较低，虽然价格远低于国外 同类产品，但还是无法成功占领市场。我们自主开发的数控绕线机，在 结构设计上吸收了国外先进产品的优点，同时又根据国内生产状况、结 合国内需求的实际情况，采用多工位自动转换形式，通过旋转飞叉绕固 定骨架做相对圆周方向、轴向复合运动，完成一系列工艺动作，绕制出 不同规格的线圈，同时上位机还为操作人员提供人机交互界面，可以较 为方便地控制加工过程，在国内同类产品中处于领先地位。但是对不同 规格的线圈，原先的设备需要操作人员现场反复调试工作参数，编写用 户程序，有时仅这一项工作就会耗费大量的生产时间，这一方面给用户 增添了额外的负担；另一方面，它也不符合当前制造领域所提倡的高效 益、高柔性等要求。因此，结合先进的c a d c a m 技术，对原有的绕线设 备控制系统加以改进升级，利用计算机系统来完成那些重复性高、计算 量大的工作，实现用户程序的自动编制工作，就可以在保证产品可靠性 和精度的前提下，大大提高生产效率，这一改造将会给绕线设备带来良 好的市场前景。 1 3课题研究的主要内容 根据当前市场的实际需求及计算机技术的发展水平，对原有绕线机 的控制程序加以改造升级，使1 6 位控制程序代码转换为3 2 位控制程序 代码，并结合先进的c a d c a m 集成技术的部分原理研究用户程序的自动 编制工作是本课题的主要内容。 首先，原有绕线机的控制程序是基于老的1 6 位d o s 操作系统，而目 前的3 2 位w i n d o w s 操作系统不再支持原1 6 位模式下的硬件中断编程模 式【6 】，它是抢占式多任务操作系统，工作模式为保护模式，不同于d o s 系统的实模式，它不允许r i n 9 3 级的用户程序直接操作硬件设备【7 】。所 以课题的另一项主要任务就是在3 2 位操作系统下使得对外设进行测控的 代码由运行在用户态的应用程序来完成。由于3 2 位控制程序不能直接调 用原先运动函数库内1 6 位的d l l ，所以本课题要开发设计出3 2 位d l l 和1 6 位d l l 之间的转换层f l a t t h u n k 。3 2 位w i n d o w s 操作系统使用的 是事件驱动编程模式，这种事件驱动的编程模式依靠外部事件来刺激相 应程序的反应。w i n d o w s 以线程为基本调度单位，通常以2 0 m s 为基本时 间片按优先级大小对线程进行调度。线程是进程中的一条执行路径，它 与进程共享内存空间，有自己的私有堆栈和执行环境。控制程序编写的 原理基于多线程技术，当一个进程被创建的同时也创建了一个主线程， 零个或多个辅助线程，主线程负责用户界面的创建和显示，用一个高优 先级的辅助线程时刻准备处理夕 部事件，一旦有事件到来，该辅助线程 立刻投入运行来响应事件的发生。 其次，实现自动编程的核心就是通过掌握绕制规律，找出满足绕制 规律的线圈骨架与飞叉线头之间的运动关系，从而从获得的产品参数得 到绕制命令及命令参数。本课题通过对线圈绕制规律的分析，设计出绕 制命令的参数转换公式。利用面向对象的程序设计思想，结合c a d c a m 集成技术原理，构造出d x f 图形格式的数据交换接口，通过该接口读入 由a u t o c a d 软件绘制的产品图形尺寸信息，由这些几何尺寸信息和已有 的参数转换公式相结合来完成绕制用户程序的自动编程工作。 2 数控绕线机控制程序设计 2 1原有控制程序的局限性 原有的绕线机控制程序是工作在1 6 位操作系统d o s 平台下的，随 着科技的进步，该控制程序已经不能满足市场对线圈产品越来越高的要 求，其局限性主要表现在以下几个方面： 1 控制程序的人机界面内容比较单调，能提供给操作人员的帮助 指导与状态指示较少： 2 其工作的操作系统已远远落后于市场主流操作系统，这就给操 作系统的维护工作带来1 ：便； 3 需要操作人员手工编排绕制命令、调试绕制命令参数并编写用 户程序，降低了生产率。 这些不足之处一方面给用户带来了使用上的不便，另一方面也使生 产不符合当前制造领域所提倡的高效益、高柔性等要求。因此，利用先 进的软件技术，对原有的控制程序进行改进是非常必要的。 2 2 系统控制程序的功能要求 数控绕线机是典型的机电一体化产品，其控制系统软件作为一种新 型的数控软件，应具有明显的丌放式数控特点，使其易于组装、扩充、 维护【8 】。数控系统是一个专j j 的多任务计算机系统，在它的控制软件 中，融合了许多先进的软件设计思想，其中晟突出的是多任务并行处理 和实时处理。 数控绕线机控制系统软件作为一个实时控制软件，应具有如下功能： 1 3 2 位应用程序与1 6 位d l l 之间的代码转换与调用； 2 控制软件的界面应尽可能地简化操作人员的操作，同时又要求屏幕 上能够提供足够多的工艺信息，能够对绕制命令进行选择并能对绕制命 令进行编辑与修改； 3 交流伺服系统控制功能； 4 p l c 对辅助设备的控制功能； 5 上位机( p c ) 与下位机( p l c ) 之间的通讯功能。 2 3系统控制程序的设计思想 随着3 2 位操作系统w i n d o w s 的发展与普及，开发w i n d o w s 环境 ( w i n d o w s 9 x ，w i n d o w s n t ) 下的数控系统已成为大势所趋【9 】。 与传统的1 6 位操作系统d o s 不同，w i n d o w s 不允许一般的应用程序 直接操作和访问计算机硬件设备，它把访问这些硬件设备的代码统统放 迸了虚拟驱动程序v x d 中，正基于这种原因，w i n d o w s 系统下的应用程序 比起d o s 系统下的应用程序，除了直观和使用方便外，更重要的一个特 征就是安全性较高，但是也正是由于这种复杂的系统结构，使得我们在 操作和访问硬件设备时，将比在传统的d o s 操作系统时所做的工作要复 杂的多。 w i n d o w s 是一个多任务操作系统，它具有使多个程序同时运行的机制 和能力，它不但允许在同一时间内同时运行多个应用程序，还允许同时 运行一个应用程序的多个副本( 程序实例) 【l o l 。系统内多个进程在同时 执行，实际上是多个进程在轮流地使用c p u 时间( 即每个进程占用一个 时间片，由于c p u 速度高，它能在多个进程间快速切换，使得多个进程 看起来就像在同时执行一样。 w i n d o w s 采用可抢占式调度策略，即当多个任务同时运行时，操作系 统会根据需要把控制权转给其他应用程序或放回，而不管当前应用程序 是否自己释放c p u ，这样可以保证最紧迫的任务优先运行，而不至于出现 一个应用程序独占系统资源不愿释放c p u 时，其它应用程序等待时间过 长的现象【1 1 】。 w i n d o w s 还支持多线程技术，它允许一个进程内可以创建多个执行路 径，以增加并行处理能力，加快进程处理的速度。 图2 - 1 给出了3 2 位w i n d o w s 的系统结构。 1 系统虚拟机( s y s t e mv i r t u a lm a c h i n e ) 系统虚拟机( 或简称系统v m ) 是操作系统中的环境名 1 2 1 。在这种 环境下，系统将支持所有的w i n d o w s 应用程序和w i n d o w s 子系统组件。 ( 1 ) 3 2 位w i n d o w s 应用程序( 3 2 一b i tw i n d o w sa p p l i c a t i o n ) 是 一个新的w i n d o w s 应用程序，它使用8 0 3 8 6 处理器的3 2 位内存模式，是 m i c r o s o f t 的w i n 3 2 应用程序编程接口( a p i ) 的一个子集【1 3 】。w i n 3 2 应用程序都拥有一个专用的地址空间，其它应用程序不能访问该空间。 对w i n 3 2 应用程序，系统采用可抢占的调度方式。 ( 2 ) 1 6 位w i n d o w s 应用程序( 1 6 - b i tw i n d o w sa p p l i c a t i o n ) 是 在原w i n d o w s 3 1 上使用的应用程序，这类应用程序称为w i n l 6 应用程序， 它们使用分段内存模式或8 0 2 8 6 内存模式。在w i n d o w s 9 x 下运行的1 6 位 应用程序共享同一地址空间，并且不能对其进行抢先式调度。 ( 3 ) w i n d o w s 子系统，包括k e r n e l 、g d i 、u s e r 三个组件 2 m sd o s ( m sd o sv i r t u a lm a c h i n e ) w i n d o w s 9 x 支持在虚拟8 0 8 6 模式或保护模式中运行的多道m s d o s 程序的执行。 以上的这些应用程序和w i n d o w s 子系统都在r i n 9 3 级上运行，属于 处理器的用户级，在该级上运行的应用程序权限受到了明显的限制，即 r i n 9 3 级的代码不能直接调用r i n g o 级代码，有利于保护系统不受破坏。 3 文件管理子系统 文件管理子系统是保护模式的3 2 位程序，它可支持多个同时访问 的文件系统 1 4 1 。它的设计支持本地磁盘文件系统、c d r o m 设备，并借 助可安装的文件系统接口( 即i f s ) 来支持一个或多个网络接口。只要连 接好了，便可阻支持并使用自己的硬盘、软盘、c d - r o m 、w i n d o w sn t 服 务系统和n e t w a r e 网络，并且一直在保护模式下运行。 4 虚拟机器管理子系统( v i r t u a lm a c h i n em a n a g e r ) 虚拟机器管理子系统是w i n d o w s 9 x 操作系统的心脏【1 5 1 ，它包括： 虚拟内存操作、设备驱动、任务调度的基本系统原语，程序的装入与终 止、任务间通信软件。 以上这两部分子系统运行在保护模式的r i n 9 0 级( 核心态) ，在 w i n d o w s 9 x 操作系统中与硬件设备打交道的代码，必须运行在r i n 9 0 级， 事实上这些代码就是w i n d o w s 9 x 巾的设备驱动程序，运行在r i n 9 3 级的 代码必须通过r i n 9 0 级代码才能访问硬件。 r i n 9 3 组件 r i n 9 0 组件 文件管理子系统 圉圜圜 虚拟机器管理子系统 内存管理 调度程序 v x d 服务及动态装入程序 m s d o sv m 管理程序 设各驱动程序： 键盘、显示器、鼠标 通信及其他 图2 - 1w i n d o w s 9 x 系统的结构 基于控制系统软件的功能要求及3 2 位操作系统的结构特性，控制系 统采用主从控制方式。上位机为p c ，主要考虑到p c 机己具有很高的性价 比；下位机分为两部分，一部分是p l c 控制辅助设备的动作，这主要是 考虑到p l c 的可靠性高，适应性好及编程直观、简单等优点【1 6 】；上位 机p c 与下位机p l c 之间通过串行接口r s 2 3 2 c 进行实时通讯，另一部分 是基于i s a 总线的伺服控制卡，它由两个l m 6 2 8 芯片作为伺服控制器，用 来完成主、副两轴的精确位置控制，上位机p c 通过i s a 总线与伺服控制 卡进行数据传递。 控制系统框图如图2 2 示： 图2 - 2控制系统结构框图 控制系统软件具有明显的丌放数控特点，软件设计遵循模块化、层 次化、动念配置的原则【1 7 。图2 3 是软件界面部分的结构流程图，图 2 4 是p c 与p l c 通讯部分结构流程图，图2 5 是p c 与伺服控制卡进行数 据、命令传递的结构流程图。 幽2 - 3 软件界面部分的结构流程图 图2 - 4p c 与p l c 通讯部分流程框图 图2 ，5 p c 与伺服控制卡数据、命令 传递的结构流程圈。 15 2 4系统控制程序的实现方法 数控绕线机控制系统是一个专用的多任务计算机系统，在它的控制 软件中，融合了许多软件设计的先进技术，在设计实现中主要利用了 w i n d o w s 操作系统的多线程机制及面向对象的编程技术，采用一种开放 式、模块化软件设计方法，使软件具有明显的开放性特点，易于组装， 扩充和维护。 该控制程序体系结构如图2 6 所示： 系统层 困 系 耄卜f 鼍黎h 攀二h 享 开 界面层 ，卤囱由陶 出 伺服 一 口 控制 设 卡设 置 置 i f 能单元层 伺服运动控制转换层f l a t t h u n k “。 0 运动函数库d l l l 6 专 i 伺服兰型膏i l r l c w n a 。w s ，x 操仨系统1 支 8珏8 r c 机 图2 - 6控制系统体系结构 层 丌放式控制系统应采用分层的体系结构。分层使得各层实现隔离， 层与层之间通过标准的接口进行通信，实现可移植性和可用第三方软件， 只用更换相应层即可。 本系统纵向第一层次为系统层，主要是控制系统的启动和退出。 本系统纵向的第二层次为界面层，它完成系统的监控管理：输入、 处理、显示。此界面层由界面和各回调函数组成。回调函数的功能是完 成界面上控件的事件驱动操作。回调函数的调用操作，由操作系统管理。 系统的纵向第三层次为功能单元层，主要包括伺服运动控制库的转 换层f l a t t h u n k ，它是3 2 位应用程序调用1 6 位运动库函数d l l 所必须的 一个转换代码文件。 系统纵向第四层为支撑层，包括伺服控制卡、运动库函数、操作系 统、p l c 及p c 机等。伺服控制卡完成伺服电机的控制。p l c 完成辅助设 备的控制。 2 4 1 控制程序调用伺服控制卡运动函数库的转换层的设计 基于i s a 总线的伺服控制板中的函数均是1 6 位代码编写的，它们被 封装在1 6 位d l l 中( 简写为d l l l 6 ) ，而控制程序是在w i n 9 x 下工作的 3 2 位应用程序，它是由3 2 位代码编写而成，由于3 2 位代码与1 6 位代码 在指针模式、堆栈寻址等实现方式上有着明显的差异，所以简单地从3 2 位应用程序( 简写为a p p 3 2 ) 调用d l l l 6 是行不通的【1 8 】，图2 - 7 显示 了3 2 位1 6 位界限： 要使a p p 3 2 能直接调用d l l l 6 ，则必须编制转换层( f l a t t h u n k ) 。 即构造3 2 位d l l ( 简写为d l l 3 2 ) ，在d l l 3 2 中封装转换层，其中包含一 系列输出函数，这些输出函数的形式都是a p p 3 2 要调用的d l l j 6 中的函 数形式。图2 8 显示了转换层的作用。 图2 7a p p 3 2 不能直接调用d l l l 6 2 位1 6 位边界 1 6 ) 模式 图2 - 8刚转换层进行3 2 位1 6 位转换 界 由转换层编译器生成的汇编语言源程序有两方面的作用：它要同时 作用于1 6 位和3 2 位代码【1 9 1 。在生成转换层的时候，汇编语言文件首 先是3 2 位的代码，产生3 2 位o b j 文件用来与d l l 3 2 相连接。然后该汇 编文件又被输出为1 6 位代码，产生1 6 位o b j 文件用来与1 6 位d l l 相连 接。 转换层的主要作用有： ( 1 ) 转换指针参数： ( 2 ) 转换整型参数； ( 3 ) 从3 2 位堆栈切换到1 6 位堆栈，然后再切换回来； ( 4 ) 把控制权从3 2 位代码转移到1 6 位代码，然后再转移回来； ( 5 ) 把返回值转换为合适的3 2 位形式。 当一个指针参数由3 2 位代码传递到1 6 位代码的时候，该指针从平 坦模式指引( 0 ：3 2 ) 转换为f a r 指针( 1 6 ：1 6 ) 。因为平坦模式指针是 线性地址，所以转换层的转换过程包括分配一个选择器、设置其基地址 等于平坦模式指针的值。 对于整型参数，必须在调用时先把3 2 位的整型参数压入堆栈，然后 把3 2 位整数转换为1 6 位整数，最后，被调用的1 6 位函数从堆栈中弹出 1 6 位整型参数。 转换完整型参数后，转换层应准备从3 2 位切换到1 6 位上去，这是 通过从3 2 位堆栈切换到1 6 位堆栈来实现的( 例如：从s s ：e s p 的寻址方 式切换到s s ：s p 的寻址方式) ，这一转换同时也包含了分配和操纵选择器。 一旦参数和堆栈被修改了，那么转换层就把控制权从3 2 位代码交给 1 6 位代码，这一个过程转换层会调用一个k e r n e l 3 2 的函数采取堆栈处 理技术来把1 6 位目标地址的段地址和偏移地址压进堆栈，然后用r e t f 语句转移到1 6 位代码中。 当调用返回到3 2 位代码中，转换层开始把1 6 位返回值转换为3 2 位。 一般情况下，1 6 位函数在两个寄存器中返回3 2 位值，即d x ：a x 。但是通 常3 2 位程序的值在e a x 中，所以，转换层需要把1 6 位的返回值从d x ：a x 拷贝到e a x 中。 还有非常重要的一点，d l l 3 2 必须在其b l l i l a i n 函数中调用t h u n k c o n n e c t 3 2 函数，t h u n kc o n n e c t 3 2 函数是一个很特殊的初始化函数，它 是由d l l l 6 输出的1 6 ：1 6 函数地址来初始化指针表，把d l l 3 2 和d l l l 6 连接起来【2 0 1 。 伺服控制函数库中的d m c 2 0 0 d 1 1 封装了近1 0 0 个运动控制函数，它 包括以下4 个文件：d m c 2 0 0 h ( 函数定义头文件) ，d m c 2 0 0 c p p ( 函数源 程序) ，d m e 2 0 0 m a k ( 编泽文件) ，d m c 2 0 0 d e f ( 模块定义文件) 文件， 为此在编写3 2 位转换层d 时，使用了与其相近的名称，即 d m c 2 0 0 3 2 d 1 l ，其中包括了5 个文件：d m c 2 0 0 3 2 h 、d m c 2 0 0 3 2 c p p 、 d m c 2 0 03 2 m a k 、d m c 2 0 03 2 d e f 与d m c 2 0 0 t h k ，其中前四个文件的含义 与1 6 位d i i 中相对应文件相同( 代码不同) ，最后一个d m c 2 0 0 t h k 则是 重要的转换层脚本文件。 编制转换层d m c 2 0 0 3 2 d l l 的工作采取以下儿个主要步骤： ( 1 ) 创建转换层脚本文件d m c 2 0 0 t h k ，其中包括d m c 2 0 0 d 1 1 输出 函数的参数信息； ( 2 ) 创建3 2 位d l ld m c 2 0 03 2 d 1 l ，其中包含一些输出函数，这 些输出函数与1 6 位d 儿d m c 2 0 0 d 1 l 中的输出函数匹配； ( 3 ) 在d m c 2 0 03 2 d l l 巾创建入口项d 1 l e n t r y p o i n t ，用来调用 d m c 2 0 0t h u n k c o n n e c t 3 2 函数； ( 4 ) 在d m c 2 0 0 d l l 中创建新的输出函数d l l e n t r y p o i n t ，用来调 用d m c 2 0 0t h u n k c o n n e c t l 6 函数。 下面列举部分具体代码加以说明。 脚本文件d m c 2 0 0 t h k 中包含的输出函数信息如下： e n a b l e m a p d i r e c t3 2 1 6 = t r u e ： 3 2 位一1 6 位的转换方向 包含了从w i n d o w s h 中抽取的部分代码 t y p e d e fu n s i g n e dc h a rb y t e ： t y p e d e fu n s i g n e ds h o r tw o r d ： t y p e d e fu n si g n e dl o n gd w o r d ： t y p e d e fb y t ef a r * l p b y t e ： 包含了d m c 2 0 0 h 中的宏定义代码 t y p e d e fs t r u c t w o r du s d e v n u m b e r ： )d e v i c e c o n t e x t ： t y p e d e fd e v l c e c o n t e x tf a r * h d e v i c e ： t y p e d e fs t r u c t w o r du s r e a d b u f s i z e ： ) d r i v e r p a r a m s ： t y p e d e fd r l v e r p a r a m sf a r p d r i v e r p a r a m s ： t y p e d e fs t r u c t w o r dv e r s i o n ： d r i v e r c a p s ： t y p e d e fd r i v e r c a p sf a r * p d r i v e r c a p s ： t y p e d e fp d r i v e r c a p sf a r * p p d r i v e r c a p s ： 包含输出函数参数信息的“函数体” i n tg e t a b s p o s ( i n tc h ，d w o r d * p o s ) 返回轴的绝对位置值 f c h = i n p u t ： p o s 2 o l l t p u t ： 21 i n td e v i c e g e t d r i v e r c a p a b i l i t i e s ( h d e v i c eh d e v i c e ，p d r i v e r c a p s 半p p d riv e r c a p s ) t h eh d e v i c ep o i n t e ri su s e da si n p u tb yt h e1 6 一b i td l l h d e v i c e = i n p u t ： t h ep p d r i v e r c a p sp o i n t e ri su s e da so u t p u tb yt h e1 6 一b i t d l l p p d r i v e r c a p s = o u t p u t ： ) 3 2 位d l l 的头文件d m c 2 0 0 3 2 h 应包含3 2 位输出函数的声明 # if n d e fd m c 2 0 0 一h # d e f in e d m c 2 0 0 一h # i n c l u d e t y p e d e fs t r u c t w o r du s d e v n u m b e r ： ) d e v i c e c o n t e x t ，f a r * t f d e v i c e ： 22 # i f n d e fd l l # d e f i n ed l l e x p o r t d e c ls p e c ( d ll e x p o r t ) d l l e x p o r ti n ta p i e n t r yc h e c kd o n e 3 2 ( i n tc h ) d l l e x p o r ti n ta p i e n t r yc o np m o v e 3 2 ( i n ta x i s ，d w o r ds t e p ) g e n d i f # e n d i f d m c 2 0 0 3 2 c p p 中包含了3 2 位输出函数的定义以及d l l 入口项 d 1 1 e n t r y p o i n t ，它用来调用函数d