一種新型開放式數(shù)控原型系統(tǒng)的開發(fā)

 種在基于WindowsNT+RTX的通用PC上運(yùn)行實(shí)時(shí)性弱的任務(wù)，在分布的伺服驅(qū)動(dòng)器中運(yùn)行實(shí)時(shí)性強(qiáng)的運(yùn)動(dòng)控制任務(wù)的開放式數(shù)控原型系統(tǒng)。在這種系統(tǒng)中，運(yùn)動(dòng)控制由嵌入到伺服驅(qū)動(dòng)器中的智能節(jié)點(diǎn)完成，通用PC和伺服驅(qū)動(dòng)器之間用現(xiàn)場(chǎng)總線進(jìn)行通訊，系統(tǒng)軟件采用模塊化方法設(shè)計(jì)。同時(shí)進(jìn)行了系統(tǒng)實(shí)時(shí)性能測(cè)試和實(shí)例運(yùn)行結(jié)果分析。

1 引言

    數(shù)控系統(tǒng)是一個(gè)對(duì)實(shí)時(shí)性、安全性、可靠性要求很高的系統(tǒng)。目前，基于PC的數(shù)控系統(tǒng)開放性又成為一個(gè)研究熱點(diǎn)。該數(shù)控系統(tǒng)現(xiàn)在主要是在PC平臺(tái)上擴(kuò)展各種總線的運(yùn)動(dòng)控制卡，通過運(yùn)動(dòng)控制卡實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制功能，而非實(shí)時(shí)性任務(wù)在通用Windows操作系統(tǒng)平臺(tái)下運(yùn)行。這種方法在實(shí)際中已經(jīng)獲得了廣泛的應(yīng)用，但其實(shí)時(shí)控制部分可配置性較差，運(yùn)動(dòng)控制卡對(duì)于一般的應(yīng)用系統(tǒng)往往大部分功能冗余，對(duì)于復(fù)雜或高精度的應(yīng)用場(chǎng)合又經(jīng)常不能滿足控制要求。伴隨著現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的發(fā)展和WindowsNT和RTX的應(yīng)用，更多的方案可用于開發(fā)性能更好的CNC系統(tǒng)。為此，本文開發(fā)了用Windows NT+RTX來取代通用的Windows操作系統(tǒng)，用分布在各個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器中的智能控制節(jié)點(diǎn)來取代PC平臺(tái)上擴(kuò)展的運(yùn)動(dòng)控制卡，通用PC和智能節(jié)點(diǎn)之間用現(xiàn)場(chǎng)總線進(jìn)行通訊的開放式數(shù)控原型系統(tǒng)，并通過一個(gè)運(yùn)行實(shí)例來測(cè)試了這個(gè)系統(tǒng)。

2 原型系統(tǒng)實(shí)時(shí)性能分析

2.1 WindowsNT和RTX的特性

    WindowsNT是最流行的操作系統(tǒng)之一。它有良好的圖形用戶界面，并有廣泛的軟硬件支持。RTX進(jìn)一步擴(kuò)展了NT系統(tǒng)的實(shí)時(shí)功能，因此，NT的大量資源和RTX的實(shí)時(shí)功能在研究中得以應(yīng)用。而且，廣泛使用的調(diào)試工具，如VC++等，使強(qiáng)大的實(shí)時(shí)系統(tǒng)得以實(shí)現(xiàn)。

    RTX增加了一個(gè)實(shí)時(shí)子系統(tǒng)RTSS，用于增加WindowsNT、Windows 2000 and Windows XP的實(shí)時(shí)性。RTSS在概念上類似于別的Windows子系統(tǒng)（如Win32和DOS），它支持自己的執(zhí)行環(huán)境和APl。代替使用Windows調(diào)度器，RTSS運(yùn)行自己的線程調(diào)度。所有的RTSS線程調(diào)度發(fā)生在所有的Windows調(diào)度之前，包括Windows管理的中斷和延時(shí)程序調(diào)用（DPC）。

    RTSS也支持進(jìn)程間通訊對(duì)象，通過RTSS或Win32進(jìn)程操作;這使實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)程序之間可進(jìn)行簡(jiǎn)單或標(biāo)準(zhǔn)的通訊和同步。RTSS也提供了時(shí)鐘、定時(shí)器和RTSS進(jìn)程中斷管理。RTX包括了一個(gè)實(shí)時(shí)嵌入的硬件抽象層（HAL）擴(kuò)展，該擴(kuò)展使RTSS和Windows的中斷相互獨(dú)立。Windows和它們的驅(qū)動(dòng)不能屏蔽RTSS中斷，而RTSS運(yùn)行時(shí)，所有的Windows中斷都屏蔽了。

2.2 原型系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能分析

    

    Venturcom的平臺(tái)仿真器是實(shí)時(shí)應(yīng)用的硬件測(cè)試工具，它幫助開發(fā)者、系統(tǒng)集成商和銷售商評(píng)估他們的實(shí)時(shí)控制平臺(tái)，選擇最好的硬件、軟件和滿足他們特殊需要的操作系統(tǒng)配置。平臺(tái)仿真器收集了系統(tǒng)配置信息，測(cè)量了線程切換延時(shí)、定時(shí)中斷響應(yīng)延時(shí)和用戶在不同的測(cè)試環(huán)境下Win32API調(diào)用的時(shí)間。

    在CNC原型系統(tǒng)的開發(fā)中，一個(gè)通用PC（PIlll066）運(yùn)行Windows NT+RTX操作系統(tǒng)，實(shí)時(shí)性能測(cè)試結(jié)果如下。帶負(fù)載的線程切換延時(shí)測(cè)試結(jié)果如圖1所示，對(duì)于Win32，最大值是381.6μs，平均值是1.7μs，最小值是0．8ps；對(duì)于RTSS，最大值是5.7μs，平均值是1.3μs，最小值是0.1μs。帶負(fù)載的定時(shí)反應(yīng)延時(shí)測(cè)試結(jié)果如圖2所示，對(duì)于Win32，最大值是223.9μs，平均值是13.1μs，最小值是9.2μs；對(duì)于RTSS，最大值是15.9μs，平均值是5.0μS，最小值是3.3μs。由測(cè)試結(jié)果可知，RTX系統(tǒng)控制在線程切換、定時(shí)反應(yīng)延時(shí)是很有效的，比NT更適合于實(shí)時(shí)環(huán)境。

3 開放式CNC系統(tǒng)架構(gòu)

3.1 硬件架構(gòu)

    在本文提出的數(shù)控系統(tǒng)中，通用PC作為系統(tǒng)的硬件平臺(tái)，原來插入工控機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制卡被幾個(gè)嵌入到伺服驅(qū)動(dòng)器中的智能控制節(jié)點(diǎn)所代替，每個(gè)節(jié)點(diǎn)控制一個(gè)軸。采用WindowsNT+RTX操作系統(tǒng)、工控機(jī)和伺服控制器通過CANBUS總線進(jìn)行通信，能雙向傳遞大量數(shù)據(jù)，且其通信協(xié)議是公開的和標(biāo)準(zhǔn)化的，這樣，修改、配置和替換一些組件就變得很容易。采用不可屏蔽中斷來同步智能控制節(jié)點(diǎn)。而且，充足的信息大大地有益于監(jiān)控和診斷�；�于WindowsNT+RTX和CANBUS總線的控制系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。

3.2 軟件架構(gòu)

    在此CNC軟件架構(gòu)中，圖形用戶界面采用COM技術(shù)開發(fā)，實(shí)時(shí)部分采用Venturcom公司的SDK開發(fā)。

    

    COM組件不是一種編程語(yǔ)言，它是一種能使組件作為對(duì)象進(jìn)行相互作用的二進(jìn)制協(xié)議，COM充分體現(xiàn)了組件編程的概念，同結(jié)構(gòu)化編程及面向?qū)ο蟮木幊谭椒ㄒ粯�，COM也是一種組織程序的方法，與語(yǔ)言無關(guān)，可以選擇C、C++、JAVA等語(yǔ)言來開發(fā)。組件技術(shù)主要有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：（1）組件技術(shù)可實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序的快速開發(fā)。從組件庫(kù)中取出所需的組件并將其快速地組裝到一塊即可構(gòu)造所需的應(yīng)用程序。應(yīng)用程序的大部分可利用已有的組件構(gòu)建，減少了開發(fā)的工作量，可以縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)成本。購(gòu)買組件的費(fèi)用與傳統(tǒng)的軟件開發(fā)成本相比，是微不足道的。（2）組件技術(shù)易于實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序定制，滿足不同用戶的不同需求。一般情況下，根據(jù)需求替換、修改程序使用的一個(gè)或多個(gè)組件，就可以實(shí)現(xiàn)定制。（3）基于組件的應(yīng)用程序的升級(jí)和維護(hù)，更方便靈活。基于組件的應(yīng)用程序的修改，通常是通過修改組件來實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)對(duì)應(yīng)用程序進(jìn)行升級(jí)或維護(hù)時(shí)，只需將一些組件用其新版本替換即可，不再需要對(duì)整個(gè)應(yīng)用程序進(jìn)行全方位的修改。（4）使用組件技術(shù)，可簡(jiǎn)化應(yīng)用程序向分布式應(yīng)用程序的轉(zhuǎn)化過程。用COM技術(shù)開發(fā)的CNC軟件系統(tǒng)如圖4所示。軟件由3個(gè)部分組成，即用戶接口層、數(shù)據(jù)管理層和數(shù)據(jù)源層，每個(gè)層由幾個(gè)組件組成。

    用戶界面層主要有5個(gè)組件程序和一個(gè)主程序，即配置組件、維護(hù)組件、仿真組件、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備

    管理組件、監(jiān)控組件和用戶界面主控程序（為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的MFC可執(zhí)行程序）。通過這些組件程序，不僅給運(yùn)行人員直觀形象的圖形界面，而且使系統(tǒng)的運(yùn)行和維護(hù)簡(jiǎn)單方便，防止了運(yùn)行人員的操作失誤引起的事故，提高了系統(tǒng)運(yùn)行的安全性。數(shù)據(jù)管理層主要包括數(shù)據(jù)服務(wù)組件、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)組件、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)組件以及網(wǎng)絡(luò)服務(wù)接口組件等。通過這些組件，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息在數(shù)據(jù)源層和用戶界面層之間雙向傳輸。其中，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)接口組件提供本系統(tǒng)與局域網(wǎng)或廣域網(wǎng)之間的連接功能，用戶可用它實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)控系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。數(shù)據(jù)源層主要由實(shí)時(shí)控制程序組成，這些強(qiáng)實(shí)時(shí)性任務(wù)必須在間進(jìn)行的實(shí)時(shí)任務(wù)以RTDLL的形式動(dòng)態(tài)加載到RTX環(huán)境下，使之成為受RTX管理和調(diào)度的具有不同優(yōu)先級(jí)的實(shí)時(shí)線程，且由RTX提供的高精度定時(shí)器定時(shí)觸發(fā)。

4 原型系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)例

    實(shí)驗(yàn)硬件：通用PC（CPU PⅢ1066，SDRAM256M），PCL-841卡（兩個(gè)獨(dú)立的CANBUS通訊卡，由臺(tái)灣ADVANTECH制造），兩個(gè)伺服控制卡（自己設(shè)計(jì)，帶有TM320C6701和SJA-1000），TKS-591S仿真器，兩個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)MSDA013A1A（Panasonic產(chǎn)品），兩個(gè)自帶旋轉(zhuǎn)編碼器的AC SERVO MOTOR MSMA012A1C（Panasonic產(chǎn)品）。整個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖5所示。

    實(shí)驗(yàn)軟件：原型系統(tǒng)軟件由運(yùn)行在智能節(jié)點(diǎn)中部分軟件和運(yùn)行在通用PC中的部分軟件組成。節(jié)點(diǎn)部分完成實(shí)時(shí)控制任務(wù)，通用PC部分完成人機(jī)界面及與智能節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)通訊任務(wù)。原型系統(tǒng)的運(yùn)行主界面由6個(gè)COM組件組成。最重要的是加工控制組件，而且，該組件又由8個(gè)較小的組件組成。在系統(tǒng)正常運(yùn)行之前，應(yīng)先完成通訊測(cè)試和參數(shù)設(shè)定。

    實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和結(jié)果：實(shí)驗(yàn)內(nèi)容是控制2個(gè)MSMA012A1C電機(jī)沿著一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)圓形的輪廓運(yùn)動(dòng)，一個(gè)電機(jī)沿著X軸運(yùn)動(dòng)，另一個(gè)電機(jī)沿著Y軸運(yùn)動(dòng)。電機(jī)的運(yùn)行數(shù)據(jù)由CANBUS總線傳遞到通用PC中，然后顯示在人機(jī)界面上。圓形輪廓運(yùn)行界面如圖6所示，藍(lán)色實(shí)心的圓是標(biāo)準(zhǔn)圓，紅色的圓是控制輪廓。由圖6可知，2個(gè)智能卡能完成一個(gè)運(yùn)動(dòng)控制卡的功能，CANBUS總線能滿足傳遞離線插補(bǔ)數(shù)據(jù)的要求，外部不可屏蔽中斷能確保幾個(gè)控制卡的同步運(yùn)行。

5 結(jié)論

    本文提出了一種新型基于WindowsNT+RTX的開放式CNC系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)證明，WindowsNT+RTX能夠滿足實(shí)時(shí)控制要求。現(xiàn)場(chǎng)總線能用來雙向傳遞數(shù)據(jù)，從通用PC到伺服控制器的控制數(shù)據(jù)或者從伺服驅(qū)動(dòng)到通用PC的狀態(tài)信息，這使遠(yuǎn)程監(jiān)控和診斷成為可能�；�于COM的組態(tài)方法和智能節(jié)點(diǎn)能用來提高CNC系統(tǒng)的開放性，來自不同制造商的軟件和硬件產(chǎn)品能夠?qū)崿F(xiàn)即插即用。外部不可屏蔽中斷能夠用來同步不同的智能節(jié)點(diǎn)，控制插補(bǔ)周期。這樣，差插周期能達(dá)到理論要求的最小值，這是CNC系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高速加工的必要條件。因此，這種基于Windows NT+RTX的開放式CNC系統(tǒng)能夠滿足開放性和實(shí)時(shí)性能。