（机械电子工程专业论文）基于pc104总线的嵌入式数控系统的研究.pdf

山东理工大学硕士学位论文摘要 摘要 当前，数控系统正逐步向着灵活性、组件化、可重构的开放式体系结构方向发展。 软件开发新技术对开放式数控系统进行研究，己成为种趋势。当前，数控系统大多 基于p c 平台，相对于p c 平台的研究模式而言，采用嵌入式体系结构设计开放数控 系统，是一个全新的尝试。本文以此为巨标进行了研究，构建了基于p c l 0 4 总线的 数控系统平台，可满足实际需要。 研究内容主要包括以下几方面： 1 硬件方面：设计了数控伺服系统和主轴驱动系统；为了实现数控系统对机床 伺服系统和主轴控制，又设计了具有定时( t i m e r ) 、多路开关量输入输出( i o ) 、数 模( d a ) 转换功能的p c i 0 4 总线接口板卡。 2 在嵌入式实时操作系统中，分析了嵌入式实时操作系统的体系结构，根据嵌 入式实时操作系统的原理，提出了c n c 系统上的实时操作系统的实现方案，论述了 数控系统应用嵌入式实时操作系统的必要性和可行性。分析了w i n d o w s 操作系统结 构特点和当前在w 氇d o w s 操作系统下实现实时应用的各种方案，根据实时操作系统 的原理，搭建了实时操作系统编程模型，结合外部定时中断电路以及核心层v ) 设 备驱动程序开发，解决了、斫n d o w s 操作系统难于应用于实时控制的难题。 3 通过对设备驱动层的框架设计和设备驱动层设计，把设备驱动层分成控制、 交互和连接三大功能模块，尤其针对交互驱动中的键盘驱动设计与显示驱动设计问题 进行研究。 4 本文对插补的原理和算法作了简单分析，重点分析了适合三坐标经济型数控 系统的脉冲增量插补算法。绘出了两种不同的脉冲增量插孝 、算法逐点比较法积数 字积分法。 最后，作者对本文的研究工作进行了总结，并对基于p c i 0 4 总线的嵌入式数控 系统的发展作了展望。 关键词：嵌入式系统，p c i 0 4 总线，实时操作系统，v ) ，设备驱动层 a b s t r a c t hr e c e n tv e a r s ，n u m 缸c a l n t r o ls y s t e mi sm o s u yb a s e do nc o m p u t e r h c o n t r a s tt o t h er e s e a r c hp a t t e mb a s e d0 nc o m p u t e r ，t h ee m b e d d e dm o d e ls y s t e mt od e s i g ne r i 】【b e d d e d c n cs v s t e mi san e wa 位e m p t a g i l i t y ，m o d u l ea n dr e c o n s t m c t i o na r et h en e w t r e n d so f o p 耐n gc n c b ya n a l y z i n gp r o c e s s i n g c h a r a 戍e ra 1 1 de 玎曲e d d e do p e n i n g 觚m e ，t h e j j r 锄e w o r ko fn u m 丽c a lc o n t r 0 1s y s t e mi sb u i l to nb a s eo ft h ep c l0 4 - b u s ，i tc a ne 虢c t i v e l y s a t i s 玲t h et e q v i r e m e n t ， t h i sp a p e ri n c l u d e st h es e v e r a lf o l l o w i n gp a r t s ： 1 o nt h eh a f d w a r e t h ec n cs e r v os y s t e ma n dm a i ns p i n d l ed i v e rs y s t e ma r e d e s i g n e d f u r t h e r m o r e ，ap c l 0 4 b u sc a r d w k c hh a st h e 凡n c t i o n so ft i m e r ， d i g i t a l i r l l ) u t ，d i g i t a lc h j 【t p u t ，d ac o n v e r t i o ni s a l s 0d e s 适n e d ，a n dt h ed 够噜no ft h ep r i n tc i r c u i ti n d e t a i l si si 1 1 u s t r a t e d 2 i nr t o s ( r e a l eo p e r a t i n gs y s t e m ) ，t h es y s t e m 矗a m eo f r t o si sa n a l y z e d b a s e d 0 n 虹屺o r vo fr t o s ，t h er e a l i z a t i o ns c h e m eo fr t o si n c n cs y s t e mi s b r o u g h t f o n a r d t h i sp a p e rd i s c u s s e st h en e c e s s i t ya n df e a s i b i l i t yt h a te i 】曲e d d e dr o t si su s e di n c n cs y s 咤m m o s to ft h ep r 缀i c a b l em 酬b d sp u tf 。刑a r dt 。r e a l 王z er e a l t i m ec o n t r o lo n t h ep ca n dt h es t m c c u r eo fw i n d o w so p e r a t i i 塌s y s t e ma r ea n a l y z e d t h ep r o b l e mt h 舢i ti s h a r dt oa p p l yr e a l t i m ec o n t r o lt ow i n d o w s0 p e r a t i n gs y s t e mi s a l s os o l v e d ，w m c h d e p e n d so nt h eo u t s i d et i m e r - i n t e r r u 埘o nh a r d w a r e 血e 哟c ej o i n e dw i t hv 妒d e v i c e d r i v e f t 3 ，b yu s i n gt h ed e s i g no f 丘锄ea n dm o d u l e ，t h ee q u i p m e md r i v e rl a y e r i sd i v i d e di m o t h r e e 凡n c i o nm o d u l e s ：c o n t 】0 l ，m 1 曲a la n dc o n 工l e c t i o nm o d u l e e s p e c i a l l y t h ep a p e ra i m s t 0t h ed e s i g no fk e y b q a r dd r i v e r8 n dd i s p l 研d 五v 盯i na l t e r n a t i 。nd f i v e r 4 c o m b i n i n gt h ei n t e 叩o l a t i o na l g o r i t h i l l ，t h ep 印e rp r e s e n t s as i m p l ea n a l y s e ， e s p e c i “l y ，t h ep a p e ra n a l y z et 啪li m e 印o l a t i o na l g o r i t 胁s - o n eb yo n ec o m p a r l s o na n d d i g i t a ld i 鼠r e n t i a la n a l y z e rp d a ) i i lt h ee n d t h ea m h o rc o n c l u d e sh e rr e s e a r c hw o r ka 1 1 dg i v e sl l i s e wo ft l l ep o s s i b l e t r e n do ft h ed e v e l o p m e mo ft h ec n cs y s t e mo nb a s eo ft h ep c10 4 一b u s ， 衄yw o r d s ：e m b e d d e dc n cs y 妣玛p c l0 4 一b u s ，r t o s ，v 妒，e q u i p m e n t “v e r 埘e r 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得山东理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 研究生签名： 时阊：砷8 年亏日r 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解山东理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送 交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅；学校可以用不同方式在不同媒体上发 表、传播学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇 编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名：参肉 导师签名： 时间：矾叼8 年石月形日 时问：年月日 山东理工大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 数控系统的发展历史 第一章绪论 自1 9 4 9 年美国帕森公司( p a r s o n sc o ) 接受空军的委托和麻省理工学院( m i t ) 共同合作，于1 9 5 2 年研制出第一台三坐标立式数控铣床以来，数控系统无论在内部 结构还是在外观造型上都发生了巨大的变化，它的发展已经经历了五次更新换代。 第一代数控系统：1 9 5 2 年开始，采用电子管和继电器构成的逻辑电路实现，体 积大、可靠性低、价格高，主要用于军工生产，没有得到推广； 第二代数控系统：1 9 5 8 年开始，采用晶体管分立元件和印制电路板构成，可靠 性有所提高，体积大为缩小i 但可靠性还是低，得不到广大用户的认可； 第三代数控系统：1 9 6 5 年开始，采用中小规模集成电路构成，它不仅大大缩小 了数控系统的体积，其可靠性得到实质性的提高，成为一般用户能够接受的数控系统； 以上三代数控系统均为硬件式数控系统，零件程序的输入、运算、输出等功能均 由硬件电路实现，所以称为数字控制系统，简称n c 系统。 第四代数控系统：1 9 7 0 年开始，采用大规模集成电路及小型计算机构成； 第五代数控系统：1 9 7 5 年开始，采用微型计算机构成； 因为计算机应用于数控系统，所以称第四、第五代数控系统为计算机数字控制系 统，简称c n c 系统。数控系统中的许多功能由软件来实现，简化了系统的设计并增强 了系统的灵活性和可靠性，随后3 2 位c p u 在c n c 中得以应用，c n c 系统进入了面向 高速、高精度、柔性制造的和自动化工厂的发展阶段。 1 2 开放式数控系统的提出 传统的c n c 系统是一种专用的封闭体系结构的数控系统，即：系统硬件是专用的， 各厂家的主板、伺服电路板专门设计，厂家之间产品无互换性；系统软件结构是专用 的，无可移植性，也无伸缩性。数控系统尽管也可以由用户作人机界面，但数控系统 的开发始终属于数控系统生产厂商独立的商业行为，在很大程度上严格保密。这种独 立的设计模式导致不同厂商的数控系统在内部结构、实现方法和表现风格上迥然，形 成了各自独立的标准和规范体系；数控加工系统功能非常单一，结构固定，不能满足 产品快速转型和短期、小批量加工的要求；系统升级和维护困难，市场上难以找到可 替换的配件，致使部件损坏不能及时修复而导致整个设备不能正常运行。而且这种封 闭的体系结构使数控系统无法应用最新的计算机软硬件技术，从而严重影响数控技术 的发展、进步和普及。 山东理工大学硕士学位论文第章绪论 开放式数控系统的提出是为了适应不断发展的现代技术需求，使得系统能够重新 配置、修改、扩充和改装，允许模块化地集成传感器、加工过程的监视与控制系统， 而不必重新设计硬件和软件。另外，机床制造商为了保护他们的投资，往往不希望仅 依赖于单一数控系统供应商，希望能够在系统中增加自己的一些特定功能而无需向数 控系统供应商支付高昂的升级费用，同时又不希望存在泄漏技术的风险，这种需求促 使他们纷纷选择开放式数控系统。开放式数控系统采用开放式体系结构，采用标准硬 件接口、建立在通用操作系统之上与设备无关的软件设计、统一风格的人机操作界面， 能集众家之所长、实现模块可替换、结构可重组、功能可重塑，可以给开发商和用户 提供从开发到应用的较大柔性和便利。开放式数控系统将从低端产品开始，逐步替代 原封闭体系结构数控系统占领数控市场，具有良好的应用前景和市场前景。 开放式数控应具有以下基本特性： ( 1 ) 开放性提供标准化环境的基础平台，允许开发商的不同软，硬件模块介 入。 ( 2 ) 移植性不同应用程序模块可运行于不同生产商提供的系统平台，同时， 系统软件可运行于不同特性的硬件平台之上。 ( 3 ) 扩展性系统的功能模块可以灵活设置，方便修改，可根据使用的要求不 同，增加或减少功能模块，以满足不同场合对数控系统的要求。 ( 4 ) 互换性不同性能，可靠性的功能模块可以替代，并且不影响系统的正常 协调运行。 ( 5 ) 互操作性标准化的接口，通讯和交互模式。 1 3 嵌入式数控系统的提出 当前，数控系统大多基于p c 平台，基于p c 的数控系统也有着不足之处。由于 p c 的体积限制，基于p c 的数控系统不能够装入体积严格要求的微型或小型系统内。 另外，基于p c 的c n c 往往功能强大，相对一些功能要求单一的简单系统，就显得有 些大材小用，成本过高。 而嵌入式系统的蓬勃发展，正好解决了基于p c 的数控系统的这种尴尬。2 0 世纪 8 0 年代开始，国际上就有了一些i t 组织、公司进行商用嵌入式操作系统和专用操作 系统的开发，其中涌现出一些著名的嵌入式系统。经过多年的发展，目前已经广泛地 应用于工业控制、信息家电、移动通信、医疗电子以及国防等领域。 目前，一个普遍被认同的定义是：嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为 基础，软件硬件可裁剪，对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机 系统。这个较为具体的定义可以从以下几个方面来理解：首先，嵌入式系统是面向用 户、面向产品、面向应用的，它必须与具体的应用相结合才会具有生命力。在设计中 2 山东理工大学硕士学位论文第一章绪论 必须明确设计目标，保证系统针对性和专用性，必须提供一个能根据实际系统需要进 行合理裁剪利用的手段。其次，嵌入式系统的核心是计算机技术，特别是工业控制中 广泛使用的各类微控制器和微处理器是嵌入式应用的基础。第三点，嵌入式系统的专 用性与可裁剪性必须要协调处理，建立一个相对通用的软硬件基础，形成一个供上层 软件持续开发的系统运行环境，是进行嵌入式系统设计的有利发展模式。 嵌入式系统的出现，是现代数控领域的一次新的技术革命。嵌入式系统的快速发 展，成为当前微电子技术和计算机技术的一个重要分支。一般而言，嵌入式系统包括 四个部分：处理器、存储器、输入输出( i o ) 设备和软件，如图卜l 所示。 图1 1 嵌入式系统的基本组成 嵌入式系统为数控技术提供了一种灵活方便的，能够嵌入在工业系统内部，在工 业极端环境里能够连续长期稳定可靠工作的微小型，廉价的控制系统。目前，嵌入式 系统的研究与应用，已经成为一个新的潮流。同时，伴随着半导体制造业、计算机制 造业、数控技术产业的快速发展而取得惊人业绩的数字运动控制器，在一些工业发达 国家已形成了一种新兴的产业。它能够为从事各种机电一体化设备控制工作的应用工 程师提供功能完备、十分灵活且使用方便的控制平台。从而使得应用工程师可以利用 工业控制计算机或嵌入式系统的现有资源，快速构筑各种各样的专业化的控制器。 嵌入式操作系统是相对于一般操作系统而言，它具备一般操作系统最基本的功 能，如任务调度、存储管理、同步机制、中断处理，但是没有一般操作系统的用户界 面。嵌入式操作系统负责系统的全部软、硬件资源的分配、调度工作，控制和协调并 发活动，能够通过装卸某些模块来达到系统要求的功能。与通用的操作系统相比，嵌 入式式数控系统的优点有： ( 1 ) 系统的内核小、功耗低、实时性好。首先采用了嵌入式微控制器作为运算 管理基础，微控制器有其固有的嵌入式结构，配套以专门为数控加工设计的实时操作 系统，使得系统运行的任务分配体现数控加工的优先级特征和实时性的要求。另一方 山东理工大学硕士学位论文 第一章绪论 面，系统运行没有对资源的过多占用，没有其他不相关硬件的干扰，从而使系统可以 很纯粹的用于所需的加工控制。 ( 2 ) 系统的软硬件结合度高。嵌入式控制技术的发展趋势使得其资源日益丰富、 开发手段日益完善、体系结构日益标准。现在的微控制器性能和功能有了很大的提升， 许多先进的特征如网络、专用a d 接口和精确定时等功能都被集成进微控制器中，现 在一片微处理器可实现非常广泛的应用功能，特别是一些高速数字信号处理器( d s p ) 本身集成了微控制器的任务管理能力，可同时满足数控系统中实时性要求严格的海量 计算控制和非实时性的管理控制功能。 ( 3 ) 许多微控制器和处理器的开发商，包括专门的第三方软件平台制造商，提 供的微控制器开发手段和调试平台越来越先进，使用也越来越方便，而且具有良好的 性能价格比，这可以保证所构建系统的低成本性。 ( 4 ) 嵌入式实时操作系统( r t o s ) 的广泛应用，对于微控制系统的开发提供了 良好的任务管理平台和底层驱动平台，这为上层软件模块可靠简便的开发和管理提供 了有力保证。随着相关总线及接口规范的应用，一个以嵌入式微控制器为计算核心和 嵌入式实时操作系统为运行环境的微控制器应用系统正在和当今的p c 机体系一样走 向体系的开放和简易开发阶段。 1 4 国内外数控系统的发展状况 1 4 1 国外数控系统的发展状况 数控系统作为现化制造业的核心技术，是衡量一个国家制造业水平的重要标志之 一，受到各国的普遍重视，特别是发达国家。自2 0 世纪8 0 年代以来，国际上的数控 技术和市场基本上被日本、德国和美国等少数公司所垄断。目前，数控技术最具有代 表性的厂家主要有日本的f a n u c 公司、德国的s i e 皿n s 公司、美国的a b ( a l l e n _ b r a d l e y ) 公司和意大利a - b o s z a 公司等。 进入9 0 年代以来，美国、欧共体、日本等都投入大量的人力、物力，进行新 一代数控系统的研究。到目前为止，在新一代数系统研究中，比较多的是关于开放式 体系结构的研究。但开放式数控系统目前还没有统一的标准，欧美及日本都进行了大 量的研究工作，并给出了各自的开放式体系规范： ( 1 ) 美国的n g c ( 下一代控制器) 和0 m a c ( 0 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 n g c 的首要目标是开发开放式系统体系结构标准规范s o s a c ( s d e c i f i c a t i o nf o r o p e ns y s t 锄a r c h i t e c t u r es t a n d a r d ) ，用来管理工作站和机床控制器的设计和结构 组织。该计划已于1 9 9 4 年完成了n g c 原形研究，并以转入工业开发应用。例如三大 4 山东理工大学硕士学位论文第一章绪论 汽车公司联合研究了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 ) 开发计划，从用户 需求出发，提出了系统基础框架、信息库管理、任务调度、人机接口、运动控制、传 感器接口等满足用户需求的体系结构。 ( 2 ) 欧共体的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 0 1 w i t ha u t o m a t i o n s y s t e m s ) 0 s a c a 参照开放式系统及其互联模型提出了一个“分层的系统平台+ 结构化的功 能单元”的体系结构，保证了各种应用系统与操作平台的无关性极相互间的互操作性。 开放性是十分明确的，并明确规定了不同的开放层次：应用层开放、核心层( 与o s a c a 部分兼容) 和全部开放( 与o s a c a 全部兼容) 。o s a c a 的软件结构中有三个主要组成 部分：通讯系统、参考结构和配置系统。 ( 3 ) 日本的o s e c 计划 o s e c ( o p e ns y s t e me e n v i r o 妯e n tc c o n t r o l l e r ) 计划，是在日本国际机器人和 工厂自动化研究中心i r o f a ( i n t e r n a t i o n lr o b o ta n df a c t o r ya u t o m a t i o nc e n t e r ) 建立的开放式数控委员会的倡导下，由三个机床厂( 东芝机械，丰田工机，山崎) 、 一个系统厂( 三菱电机) 和两个信息公司( s m l ，日本i b m ) 发起的。其目的是开发 基于p c 平台的，具有高性能价格比的开放式体系结构的新一代数控系统。0 s e c 讨论 的重点集中在n c ( 数字控制) 本身和分布式控制系统上。 1 4 2 国内数控系统的发展状况 我国研究数控技术起步并不晚，大约与日本、德国、前苏联同步，已有四十多 年历史，其间经历起步、停滞、引进和消化、开发和创新等几个阶段。 我国数控系统的发展始于1 9 5 8 年，由北京机床研究所和清华大学等单位研制成 功第一台数控机床。但是，由于受到当时国产电子元器件、加工工艺技术落后、经 济等因素的制约，未能取得较大的发展，科研和生产基本处于停滞状态。 1 9 8 0 年开始，我国先后从日本和德国引进数控制造技术合作生产数控机床，打破 了国产数控技术徘徊不前的局面。此后，经过“六五”( 1 9 8 1 1 9 8 5 ) 的技术引进、散件 组装，“七五”( 1 9 8 6 1 9 9 0 ) 期间的消化吸收、国产化，“八五”( 1 9 9 1 1 9 9 5 ) 国家组织的科 技攻关和“九五”( 1 9 9 6 2 0 0 0 ) 国家组织的产业攻关，使我国的数控系统技术获得了质 的飞跃，开发出一批具有自主版权的中高档数控系统。 九十年代，我国数控机床产量突破了2 0 0 0 台，年增长率保持在2 0 左右。1 9 9 5 年 数控系统的发展己达到了年底共拥有数控机床7 2 万台。而到了2 0 0 0 年，数控机床年 常量达1 4 万台，2 0 0 1 年1 月到7 月产量就达到了l 万台。经过多年的努力，一些数控主 山东理工大学硕士学位论文 第一章绪论 机厂不仅能规模化生产出一定批量的数控机床产品，而且基本上形成了各自的产品系 列。华中理工大学和珠峰公司采用i p c + 数控卡的方案构成硬件平台，开发了华中工型 和中华i i 型数控系统，这是将数控专用模板嵌入通用p c 机，构成单机数控系统；航天 数控集团公司则采用通用p c 机的体系结构，开发的航天i 型和蓝天i 型是将p c 机嵌入到 数控系统之中，构成多机数控系统。 我国的开放式数控系统的研究还处于起步阶段，到目前为止我国还没有制定出开 放式数控系统的标准规范。但从“八五”开始也对此做了一些有益的探索工作，并开发 出了自主知识产权的数控系统，如上面所述几种系统它们均是以p c 为平台构成的总 线式、嵌入式、多通道的结构，虽有一定的开放特性，但还不具备开放数控的本质特 征，主要问题在于没有解决开放式数控系统的平台问题。各系统所采用的体系结构仍 是自成体系，相互之间缺乏兼容性和互换性，所谓开放仍停留在p c 平台的开放层次 上。其次是软件开发思想与技术落后，没有充分利用面向对象、软件重用等软件工程 的新理论、新技术，而这些正是实现数控系统开放性的关键所在。 从总体发展看，我国当前的数控技术水平与国外仍然有较大的差距。目前，在国 内市场中，中、高档产品主要被进口产品占据，只在较低档的经济型数控机床市场中， 我国的产品才能占主要地位。随着国际学术界对开放式数控系统研究的日益深入，我 国的相关研究也越来越受到重视。所以我们还有很多工作要做。 1 5 课题的提出和意义 本课题来源于企业委托赵玉刚教授的科研项目“工业用三坐标数控系统的研制”。 从目前的现状分析，可以发现：当前建立的开放式结构模型大都基于p c 成熟开 放体系结构上，这种体系结构的优势是：有丰富的软硬件资源可以利用，有成熟完善 的平台可以作为高起点的开发基础，大大加快开发进度，减轻了数控系统开发的门槛。 但是，数字控制本身是一个综合性很强技术，其控制对象一般是以实时运动为主 要工作状态的系统。这些设备都具备很明显的实时控制、实时交互和实时监测特性， 需要专门的技术处理手段。而以p c 为基础的开放结构在结构和性能上都存在很大局 限性： 首先，没有定义独立的适合于数控加工控制的开放结构，所具备的开放性都是计 算机本身固有的开放特征，不是针对于数控加工特点来定义的。p c 计算机作为一个 通用平台无论从底层硬件设计和操作系统环境上都没有对数控加工特殊性的考虑，因 此不能很好的从根本上搭建数控平台。 其次，p c 机模式的开放式数控系统不能很好的保证实时性和可靠性。p c 计算机 在运行时由于采用通用的操作系统，与数控加工无关的系统任务可能占去了更多系统 的工作份额，他们干扰着系统对现场加工的及时响应，降低了系统对重要控制事件的 6 山东理工大学硕士学位论文 第一章绪论 处理速度，增加了系统运行的开销，这些都会导致系统的不稳定。 第三点，p c 系统往往有较大的体积和松散的结构特征，灵活性较差，不适于现 场领域中的多节点分布式网络控制方式另外，p c 模式的数控系统尚未提供独立的二 次开发环境，只提供一些接口和参数的重新配置和定义功能，还有一些提供了p l c 的 编程功能和相应的编程工具，但这也只是对开关量的简单配置。p c 机模式的开放数 控产品，一方面通过板卡上增减接口数来实现控制轴数和通道数的改变，另一方面通 过将自己构建系统软件的函数库以封装的形式提供给用户来实现用户自己动手配置 系统控制的目的。但是，这种形式的开放无疑提高了对用户二次开发的能力要求，开 放没有针对性，开放形式不友好，可操作性不强。 相对于p c 平台的研究模式而言，采用嵌入式体系结构设计开放式数控系统，是 一个全新的尝试。 1 6 本文研究的主要内容 基于上述分析，本论文的研究内容主要有以下几点： 1 硬件方面：设计了数控伺服系统和主轴驱动系统；为了实现数控系统对机床 伺服系统和主轴控制，又设计了具有定时( t i m e r ) 、多路开关量输入输出( i o ) 、数 模( d a ) 转换功能的p c i 0 4 总线接口板卡。 2 在嵌入式实时操作系统中，分析了嵌入式实时操作系统的体系结构，根据嵌 入式实时操作系统的原理，提出了c n c 系统上的实时操作系统的实现方案，论述了数 控系统应用嵌入式实时操作系统的必要性和可行性。分析了w i n d o w s 操作系统结构特 点和当前在晰n d o w s 操作系统下实现实时应用的各种方案，根据实时操作系统的原 理，搭建了实时操作系统编程模型，结合外部定时中断电路以及核心层v ) ( d 设备驱动 程序开发，解决了、斫n d o w s 操作系统难于应用于实时控制的难题。 3 通过对设备驱动层的框架设计和设备驱动层设计，把设备驱动层分成控制、 交互和连接三大功能模块，尤其针对交互驱动中的键盘驱动设计与显示驱动设计问题 进行研究。 4 本文对插补的原理和算法作了简单分析，重点分析了适合三坐标经济型数控 系统的脉冲增量插补算法。给出了两种不同的脉冲增量插补算法一逐点比较法和数 字积分法。 1 7 本章小结 本章总结了数控技术的发展历程、国内外研究现状、发展趋势，得出研究嵌入式 开放结构的c n c 系统是当今数控领域研究的热点；阐述了本论文提出的意义、所要做 的主要工作及所用的研究方法。 7 山东理工大学硕士学位论文第二章三坐标c n c 系统伺服驱动部分的研究 第二章三坐标c n c 系统伺服驱动部分的研究 2 1三坐标c n c 系统的总体设计要求 本三坐标数控系统的设计，在精度上要求脉冲当量能达到o 0 1 m m ，进给速度能 达到6 州m i n 以上。要求数控系统装置结构紧凑、工作稳定、操作方便。作者认为可以 采用三种措施来保证较高的精度、速度的实现： 1 、采用主频较高的p c 机作为主控制机； 2 、采用硬件进行实时中断处理； 3 、采用一定的补偿措施减小系统误差。 根据以上要求并结合当前基于p c 数控的发展趋势，决定采用基于p c 的全软件型 数控系统。由于精度要求不是很高故采用步迸电机开环控制。主轴驱动采用变频调速 电机，运转速度采用。一1 0 v ( d c ) 电压控制可以实现无级调速。 根据以上要求可以画出硬件系统结构图，如图2 1 所示。 图2 。1 三坐标c n c 系统硬件图 2 2 步进电机伺服驱动系统 步进电机伺服系统一般构成典型的开环伺服系统，其基本结构如2 2 所示。步进 电动机是一种可将电脉冲转换为机械角位移的控制电机，并通过丝杠带动工作台移 动。步进电机的最高转速通常比直流伺服或交流伺服电动机低，且在低速时容易产生 振动，影响加工精度。但步进电动机伺服系统制造，控制比较容易。在速度和精度要 求不太高的场合有一定的使用价值，同时步进电动机采用细分技术，使步进电动机开 8 山东理工大学硕士学位论文第二章三坐标c n c 系统伺服驱动部分的研究 环伺服系统的定位精度显著提高。并可有效的来降低步进电机的低速振荡，从而使步 进电动机伺服系统得到更加广泛的应用。特别适合于中，低精度的经济型数控机床和 普通机床的数控化改造。 图2 2 开环伺服系统框图 步进电机细分控制原理：当定子绕组的通电状态每改变一次，转子转过一个步距 角。步距角的大小只有两种，即正步和半步。如果两相同时通电，转子的齿和定子的 齿不是对齐而是停在两相定子齿的中间位置。若两相通以不同大小的电流，那么转子 的齿就会停在定子两齿的中间任意位置，且偏向电流较大的那个齿。若将通向定子的 额定电流分成n 等分，转予以n 次通电方式最终达到额定电流，使原来每个脉冲走一个 步距角，变成了每次通电走1 n 个步距角，即将原来一个步距角细分为n 等分，从而提 高了步进电动机的精度，这就是步进电动机的细分原理。采用细分技术使开环伺服系 统的定位精度显著提高，并可有效地来降低步进电动机的低速振动。 在此选用s h 一3 f 1 0 0 m 驱动器，步进电机型号为1 1 0 b c 3 8 0 c ，为三相反应式步进电 机。 s h - 3 f 1 0 0 m 驱动器的主要技术参数如下： 供电电源：a c l ：1 7 v ，a c 2 ：4 0 1 1 0 v 。 输出电流：峰值6 5 相( 脚) 。 细分数：1 细分、5 细分、1 0 细分、2 0 细分、4 0 细分。 输入信号：高电平5 v ，低电平o 3 v 。 时钟脉冲宽度：不小于2 微秒。 1 1 0 b c 3 8 0 系列的三相反应式步进电机主要技术参数如下： 相数：三相 步距角：0 7 5 。1 5 。 静态相电流：6 a 保持转矩：9 8 n 皿 2 3 主轴驱动系统 9 山东理工大学硕士学位论文 第二章三坐标c n c 系统伺服驱动部分的研究 由于当前变频调速技术的成熟，使得交流伺服系统、交流主轴传动系统在机床上 大量应用，有取代直流调速系统的趋势。使用变频调速不仅可以降低机械结构复杂度， 提高机床的自动化程度，而且能够节省电能。因此本设计中主轴驱动采用变频调速系 统。 主轴电动机型号为y 9 0 s 2 ，功率为1 5 k w ，电流3 4 a 。 由于变频器输出的是脉动电流，其脉动值要比工频电源大。因此要将变频器容量 留有余量。 一般根据i i n v ( 1 0 5 一1 1 ) i n 或i 州( 1 0 5 1 1 ) i m a x 式中：i 州变频器的额定输出电流；i n 一电动机额定电流；i m a ) r 电动机实际最 大电流。 为了增加安全性和可靠性，采用后一式来确定变频器的容量。通过考察对比最后 选用富凌强1 0 0 b 型变频器，d z b l o o b 采用电压空间矢量s ? w m 控制，独特的死 区补偿功能，保证低频高力矩输出；频率范围肛_ 4 0 0 h z ，可以通过面板按键设定和 外接模拟电压来设定速度，以上满足机床调速要求。 本系统的强电原理图。如2 3 所示： ，r-_ b c 也。3 8 ， ；争： l23 1 3 除 1 l k h lk h jk h 3、 色 f 增 厶& c b l ，乞 亡 锱j ( h 1 赢习- 、。、 j 7 多 d i 0 9 j o c t l c o d c ) c a s ed i o c j ) p e n ： 对应c r e a 伍i l e o r e 臼1 r no ：成功 c a s e1 3 0 ： v p i c d j h y s i c a l l y v 胁a s k ( 【江c i q h a n d l e ) ；保证i q 在p i c 中未被屏蔽 s 疆lp 。s t m e s s a g 雄l w 砖，w 陋奠侄s s a g e 玛o ，o ，冱。，了ij ，) ；发送消息b r e 呔； c a s et m 偃i u ) i o c s e t 脚三：n t ： 从a p p 传过辅助线程的句柄 v ) e v e n t = 木( ( h a n d i ，e 水) p d i o c p a r 锄s 一 d i o 幽u d ； 回调应用程序 b r e a k ； ) ) 4 7v x d 与应用程序的通信 本c n c 系统开辟了两个线程一主线程和辅助线程，辅助线程专门负责插补工作。 用v 如实现中断服务。在c n c 系统中，要实现应用程序m n 9 3 与v 妯之间的相互 通信。这一部分程序的编写是个难点。 山东理工大学硕士学位论文第四章嵌入式实时操作系统的研究 4 7 1动态加载v x d 应用程序的开发是在d e l p k 7 编程环境下实现的。在应用程序中启动v ) 驱动 程序并向其发送消息传递指针，从而实现了应用程序对的通信，如果加载失败 则应用程序给出错误提示信息。 h a n d l e l ：= c r e a t e f i l e ( 吣t i m 匣r v x d ，o ，o ，i l i l ，o ，f 埘l a g j ) e l 巳t eo nc l o s e ，0 ) ； 动态加载v ) ，路径及文件名为t 卫恤r m e s s a g e b o x a n d l e ，不能打开 t 卫征r v ( d ! ，。错误，m b j c o n s t o po r o k ) ： 如果加载失败发送出错信息 4 7 2应用程序对v ) 通信 如果调用c r e a t e f i l e 0 成功，应用程序就可以调用d 即i c e i o c o n t 】r o l o 设备输入输出 控制函数与v 加进行通信了。此函数定义如下： b o o ld e v i c e i o c o r l t r o l ( h 气n d l e h d e 、，i c e ， 加载v ) 后所获得的旬柄 d w o r dd w i o c o n 的l c o d e ，伽巫用程序调用聊的命令代码 l p v o dl p i n b u 妇魄 应用程序传递给v ) 数据缓冲地址 d w o r d1 1 h l b u r s i z e ，应用程序传递给v ) 的数据缓冲字节数 l p v o d1 p o u t b u 妇睹r ，v ) 的返回数据所存放的缓冲地址 d w o r dn 吡b u 妇衙s 眈，、，) 的返回数据所存放的缓冲字节数 l p o 三r l a p p e d l p o v e r l a p p e d ，一个指向o 猿l a p p e d 结构的地址，同步 时置为m ，i ， ) ； 其中d w i o c o m r o l c o d e ：应用程序调用v x d 的命令代码，它是应用程序和v ) 通信的“语言”，通过它v x d 知道应用程序要它做什么事情。在v 加中收到 职b 2d e c e i o c o n 田r o l 控制消息，由o n w 3 2 d e v i c e i o c o n t r o l 口i o c ，p a r a m p d i o c p a r 撇s ) 函数来响应处理。 山东理工大学硕士学位论文 第四章嵌入式实时操作系统的研究 4 7 3v x d 对应用程序通信 由于需要在应用程序中处理插补、伺服、输出等实时中断，而只有v ) 才能响 应中断，因此中断时，v 如必须能够主动通知应用程序。v 奶对晰n 3 2 应用程序的 通信经常使用的方法有两种，是使用a p c ( 异步调用过程) ，二是使用、矾n 3 2 事件。 在c n c 系统开发中，作者采用的是“、矾n 3 2 事件”法。 w i n 3 2 事件法要求应用程序为多线程的，主线程负责动态加载卸载v ) 【d ，辅助线程 通过r e s e 忸v e n t o 函数和w a 心o r s i n g l e o b j e c t o 舭冲o r s i n 9 1 e o b j e e c e x o 函数暂时 挂起。当【d 捕捉到特定的事件发生时，给处于等待状态的线程发送消息将其唤醒， 而与此同时主线程进行着相应的工作。但是w i n 3 2 应用程序的事件句柄不能直接被 删3 2 ，( d 提供的w i n 3 2 事件服务使用。本文先通过k e r 阍，3 2 d 乙i 。中的未 公开a p i o p e n v 妨h a n d l e 函数转换成v x d 事件句柄，然后通过d e v i c e i o c o n 仃o l ( ) 函数传递给v 妇。v 囝通过删3 2 提供的w n 3 2 事件服务中的 、厂w 玳3 2s e t 、斫n 3 2 e ，v e n t ( ) 服务唤醒辅助线程，从而间接实现【d 回调w i n 3 2 应 用程序。 本c n c 系统开辟了两个线程，辅助线程专门负责插补工作，平时处于等待状态， 当中断时v 妒使用、矾n 3 2 事件通知辅助线程。 4 8 本章小结 探索嵌入式实时操作系统是本章的核心内容，实时响应时间控制和多任务并行处 理机制是两个建立系统软件平台要解决的首要问题，前者保证系统可靠运行，后者保 证系统复杂任务调度机制的实现。本章分析了r t o s 体系结构、对c n c 系统的功能 和任务模块进行划分、制定了适当的调度策略，介绍了当前流行的数控系统的几种开 发平台，研究了在w i n d o w s 9 8 操作系统下实时控制的基本实现方法，列举了当前几种 实现方案，选择了一种难度不大但可行的方案，并且详细介绍了在w n d o w s 9 8 下开 发以驱动程序【d 为中心的中断服务系统和工作在m n 9 3 层的应用程序构成的实时 控制系统的过程，解决了基于毗w s 操作系统平台下的数控系统实时控制的难题。 山东理工大学硕士学位论文 第五章系统的软件模块设计 第五章系统的软件模块设计 为了保证系统各实时任务能协调运行，c n c 软件一般分为前后台型软件结构、 多重中断型软件结构和功能模块型软件结构三种模式。 5 1前后台型软件结构 前后台型软件结构适合于集中控制的单微处理器结构的c n c 装置。在这种软件 结构中，前台程序是一个实时中断服务程序，它承担绝大部分的实时功能，如插补、 位置控制、机床相关逻辑和监控等。辅助功能处理主要牵涉到主轴、换刀、冷却液等 机床相关功能。在辅助功能处理完成之前禁止插补，所以辅助功能处理在插补程序之 前执行。 后台程序是指实现输入、译码、数据处理及管理功能的程序，通常又称为背景程 序，是一个循环运行程序，在其运行过程中，前台实时中断程序不断插入，与后台程 序相配合，共同完成零件的加工程序。 ， 5 2多重中断型软件结构 除了初始化程序外，系统软件中所有的各种任务模块分别安排在不同级别的中断 服务程序中，如图5 1 所示。 图5 1多重中断型结构模式 软件就是一个大的中断系统。其管理的功能主要通过各级中断程序之间的相互通 信来解决。这种结构模式下的所有任务都是采用优先级抢占调度策略，系统将各个子 任务设定在不同优先级别的中断下，以实现合理的调度任务和数控系统对不同任务请 3 7 山东理工大学硕士学位论文第五章系统的软件模块设计 求响应快慢的要求。这类系统的实时性好，易于实现模块化，但模块间的耦合较大， 因此软件的可读性较差。 5 3 功能模块性软件结构 在数控系统中为了实现实时性和并行性的控制任务，多微处理器结构越来越多的 被使用，从而使数控装置功能进一步增强，处理速度更快，结构更加紧凑。它适合