基于构架7构件复用的开放式数控系统研究

1、基于构架7构件复用的开放式数控系统研究摘要：通过对开放式数控系统和构架/构件复用技术当前形势发展的分析，本文主要 硏究基于这一技术开放式数控系统。釆用域工程方法，数控系统通常通过起着关键作用的数据通信组织起来。此外，构件也被引以为例到可以再度使用的数据通信组件中，这不同于一般的构件。推出了数控系统的刻面模块分拣、表达、存储和检索系统。结合上述各种有用信息，综合开发，构建出开放式数控系统平台。支持这个平台的开放式数控系统的开发流程包括两个相关课程：数控重用组件开发、这些重用组件与应用系统的建设。此外，数控应用系统在MSwindows上的实时应用能力可以通过这个平台检验。关键词：数控，开放式，组件

2、，软件重用，域工程 1.简介由于硬件技术的双快速发展，电脑数值控制系统的复杂性提高，与第三方软件提高的要求相适应，开发商频繁的跳槽,及技工兄弟间割喉式的竞争等原因， 数控系统的制造商不得不尽力去不断提高自己系统的质量和缩短该产品的开发时间，因此,开放架构正成为数控技术当前的发展趋势，且其主要问标是要建立一个统一的识别系统平台。与开放式平台的发展相比，CNC应用系统将更加模块化和灵活化，因此，这一系统的使用者将可以选择功能模块，甚至整合、修改、拓展系统功能，以满足不同的应用要求。关于开放式数控系统一系列意见可以总结如下1-4：(1)开放式数控系统具有灵活的硬件和软件。因此，它不仅允许硬件改变其

3、基本配置而II也允许软件修改各级控制。(2) 一个开放式数控系统提供了即插即用兼容的真正意义。(3） 一个开放式数控系统的标准化，允许第三方开发能满足其要求的新的硬件 和软件。(4)开放式数控系统有能力融入与这个标准相同水平的其他成分，还可以共 享数据中的主要成分。 （5）开放式数控系统可以同其他系统在系统水平上一致。鉴于上述原因，我们把为专用数控域建立开放式数控系统模型作为可行的方法视为自然，但在另一方面，软件重用是应用软件开发过程中，特别是在同一领域更深程度的应用，因为新的制度一向与前一期关系非常紧密5。它逐渐确信整个体系结构的设计和规格比软件系统的规模和复杂性円益升级的公司内的选择算法和

4、数据结构更为重要。所以软件构架的重要性正在得到承认。近年来建筑7组件技术在众 的软件重用技术中发展迅速6，7。基于上述观点，本文主要对开放式数控系统及软件构架/构件复用技术，开放式数控系统的结构和开发的数控系统的集成平台进行研究。2.基于构架7构件的软件复用技术的开放式数控系统2.1 软件重用和构件7组件技术软件架构是指总体结构设计和抽象的系统说明的划定。这是一个对软件系统的组成，结构和工作方式的宏观描述。简而言之，软件构架描述了组件及系统中组件间的内在联系。软件开发基于构架把其重点从典线转向较大粒度的建筑元素(例如，组件)，以及整体结构相互之问的这些元素。发展的基调是构筑重用的软件体系结构；

5、它强调分析与设计的重用，而不是限制代码的重用。组件是一个功能上相对独立的单位。它可以清晰分辨，在软件系统中可重复使用。这可能是一类，一类树、框架、或普通舱。随着对软件重用概念的嵌入式理解， 组件成分已不再局限于代码组件，而是扩展到需求、结构、文件、测试计划、测试 用例和数据，以及其他有关开发激活的有用信息。基于构架7构件技术的软件重用包括两个相关过程:可重用组件的开发和包含可重用组件的应用系统的开发。软件体系结构7组件技术在发展的过程的功能可以表示成图1。首先，通过域工程方法可以分析特殊领域，并且能得到这个特殊域的软件架构。然后组件开发的进程、分拣和存储，都可用这个架构来引导。当一个新的应用系

6、统需要发展的时候，一些相关组件被从领域构件库或其他一般组件库中搜出和提取出来，紧接着那些合适的组件将通过挑选和改良以适应系统，最后，这些组件被组装在一个新的应用系统中。2.2 特殊领域的软件复用技术需要数控系统的开放开放系统技术的第一条原则是在系统开发过程中应用接口标准，在此时按接口 标准去实现。这为系统开发的设计决策和系统演化提供了一个稳定的基础，同时还保证了系统间的相互操作8。从20世纪80年代起，开放式数控系统的研究项目巳在世界各国纷纷展开研究， 其中一些还具有很大的影响力，美国的OMAC，欧洲的OSACA和日本的OSEC。OSACA 通过通信系统实现工作领域间的数据通信，其系统模型是基

7、于分层结构，每一个功能模块的应用系统和内部运行机制的所有数据结构的基础上，该模块的这些数据结构必须定义彻底它需要复杂的配置系统，以建立并维持松散的应用系统的拓扑结构。图1.软件构件乂組件在开发过程中的功能 现在，软件复用技术能最好的支持开放式体系，尤其是符合接口标准的部件， 可以利用“插头发挥”法容易地集成到系统，这是一个重新利用的黑匣子。这样， 元件可以独立发展，报据接口标准。这就是有名的实现数控系统的开放即基于构架丨构件技术的软件重用的潜在途 径。数控系统的开放与软件的重新利用出现的偶然性可见如下三个方面：(丄)在旧版本的基础上，加入了新功能，产生了新的数控系统的版本，适应了 一些新的要求

8、。(之)修正部分以适应运行平台，让软件可以在另一个系统平台上运行将数控系统的软件(或其组成部分)应用到另一个数控应用系统，使旧系统演 变成具有不同的功能和用途的新系统。基于域工程的数控系统结构的分析和建模为设计系统得到正确的结构是非常重要的。而域丁程的方法9-12必须釆取对 数控系统进行分析，以便获得正确的系统结构。领域指一套被具有类似的要求的应 用系统覆盖的功能8。领域工程包含三个主要阶段：领域分析，领域设计和领域实 现。在域分析和建模这一进程巾，主要的问题是要实现开放式数控系统的关键环节。3.1.数据通信在组织开放式数控系统中起关键作用通过用领域工程方法分析典型数控系统，我们可以发现数控系

9、统的进程和线程 可以和在一些功能部件起关键作用的数据通信组织起来。这种组织形式的优点如下 所示：(！)鉴于组件集成软件的发展方向，数据通讯模块可作为骨架去组织系统；这 使得系统的组织较前者容易。(之）以数据通信作为关键环节的该系统巳不再是一个层次结构。每一个模块 都有一个只与数据通信模块连接的接口。开发商只需要注意这个接口，而不需考虑 其他模块的组织模式。）为一个系统详细的定义数据通信模块的接口是足够的，勹接口相一致，开 发商需要做的，是发展其中有没有必要界定的内部数据结构和建立有效的完全基于 这些数据结构的内部运行机制的个体模块。4如果系统的数据通讯是确定的，整个系统的拓扑关系将严格界定。它

10、确保 了软件零件间的互互操作性。我们强调系统巾每模块的自主性。所谓自主意思是每一个模块都是一个独立的 个体，每个单元的II标和II标值都是独立的，甚至可以自己做出决定，制定计划， 采取行动去实现本身的目标，以及应付任何意外，因为它的行为是可控的。自治模 块间亳无功能联系和记忆分享。所有信息通信都通过数据通信模块实现。每个模块 只能处于可选择状态：运行或睡眠。模块本身控制这两个状态。关键环节-数据通信 模块-具有相同的特性。图2，众起爻键作阁的数据沟通的（：领域功能的模型将数据通信模块作为关键环节的数控系统的功能型号如图2所示。数据通信的 功能模块有几个组件接口.这些接口，可与其他功能部件，如(

11、；代码译员组成刀具 补偿元件和插补元件等相联系。每个部件的输入和输出数据都通过其接口以交换关 键环节来实现；数据通信模块从每一个接口读取数据，并自主送回。只有两种基于功能模式的域行为：（丨)传送7接收数据信息和控制信息；（之） 配套活动，如？IX编程，（；代码档案的管理和编辑，参数设定等。2丨从数据通信模块中提取系统建筑通过对部件实现的系统功能和组件必须自主化的强调，我们可以从开放数控系 统的关键环节一数据通信模块开始分析数控系统的结构。划分组件的原则是实现最 少功能耦合和组件问最可能独立，要努力使部件功能的业务数据流独立。组件的设 计应遵循领域的普通技术标准。例如，基于肥-机！如奶2000的

12、数控系统的结构和高性能运动控制卡的分析如 下。整个系统通过数据通信模块组织起来。建筑描述了全球系统组织，该系统的控 制了部件的结构、部件问的通信及其部件间的协议、元件的问步化、元件的功能分 配元件的实物分配、元件的集成、整个系统的伸缩性等等。首先，对域和接口的关系如经营环境和数据要求进行分析。变异也将进行鉴定。 在领域范闱被确定之后，跨社区和不同领域的应用将予以分析，它包括域特点，要求在领域中实现应用的领域知识信总和资料的需求信息，数据和控制流的操作。在 此基础上，后续工作就是对并行进程和单位域对象，定义过程，这些进程和模块的 后天分布特征，功能和数据对象进行识别，为在领域巾应用提供解决软件，

13、最后开 发出域的建筑模型。被提取的开放式数控系统的结构见阁3。数控系统软件可分为两部分：在电脑上运行的上部和在高表现运动控制卡的03？上运行的下部。它是一个多程序和 多线的多任务系统。该系统的结构可以分为四种类型：设备驱动组件，基本组件，数 控领域的普通组件及特殊应用组件。数控系统硬件的设备驱动程序被标准化到组件，这样使者可以像操作其他一 般组件一样选择和安装设备驱动组件。基木组件就是那些实现计算机系统共同的功能的组件，例如多媒体通信组件， 档案管理组件和奇异硬件测试组件。域的共性成分就是那些有条件实现数控系统的域通用功能的成分。这些成分就 是数控系统中通过域工程分析所获得的最重要的成就。通常

14、，它包含了数据通信组 件、人机界面组成、任务调度组件、（；代码编译组件、插补组件、刀具补偿元件、 运动控制组件、诊断组件、？IX程序解读和编辑组成、？IX的执行组件、参数设定组 成、数据库操作组件、实时误差补偿元件等。特殊应爪构件就是为某些特殊应爪开发的组件，如螺旋圆锥齿轮的计算组件。外部网络 系统检测数据通仏0代码编译人机交接刀具补偿数据庳操作 档案管理 设袼驱动积序佩隱7000控制卡 数据通信误差补偿任务调度？IX：逻辑 运动控制输入7输出端II运动轴控制终端图3丨基于“！如卵2000和运动控制的（：系统的构件3丨对数据通信组件的开放式数控系统的构件的例示冃前，卅界上有四种描述和表示软件体

15、系的类型：（丨)绘画矩形定向线段的数字 表达；2模块中连接传统的编程语言模块的路径语言；（幻结合面向对象技术与 传统程序设计语言的发展经验的特殊软件构架描述语言（)；(幻基于组件的 系统描述语言。第一类是通常釆用的方法。但这种方法的“图案和注释”始终是随机的并没有 正式确定的，就是不严格的。弥补了其他种类的缺点并不是偶然的。通过我们对每 种有关的系统数据通信组件的构件的例示，致使软件构件不冉是抽象意义上的概念 模型，但是程序代码按照宇宙法能被其他组件所重复使用。由于开发环境的不同， 每个系统结构都最少符合一个数据通信元件，而每个数据通信组件仅符合一个独特 系统抽象体系结构。数控系统组件的类和检

16、索4.1.数控系统组件的分类4.1.1.组件的关节分类模型组件分类是构建和维护组件的问录信总的活动，且构件检索方法取决于元件的 表达和分类，冈此构件的分类将有利于部件的管理，存储，检索和理解。组件分类 有大量的分类方式，其中刻面分类方法有广泛的应用13，14。面分类模式是由一套描述组件的基本特征的面组成。组件库中根据不同的方面 划分成各个面组件。通常所说的面是由一蕓基本的术语（即关键词）组成的术语空 间。每个组件能被一或者较多术语用每个面（面术语是一确定的聚集）描述，而且 每个而反映一个方法在库屮分类成份。为何，使用者能够直觉地指定成份被从不同 的视野取回。结果，这一个程序也将会促进使用者了解

17、组件。据组合可知刻面分类具有以下特征：(！) 一个而必须充分肯定的表达组件库屮的所有组件，也就是每个组件可以通 过面来区分。()每个面都有与之相关联的术语空间。任何两个术语空问间都是正交的，这 就意味着其中一面术语的改变不会影响其他面中的术语空问。）刻面的术语空间是一个有限而模糊的空间，术语可以被动的增加或删除。(斗）每个组件的所有刻面必须预先被定义，它不允许汽区别组件的时候，那里 存在不确定的刻面。但是当质疑的时候，使用者可根据刻面的随机数质疑。(已）。一位组件库经理对组件进行分类的时候，他应该瞄准每个刻面选择来自 术语空间的适当的（一个或者更多）术语，如此同样地完成组件的封包工作。()术语

18、空间中的术语按照从一般到特别的关系呈树状阶层结构分布。每个术 语都有着不定数问的同义词。4.1.2用刻面模式给数控系统组件分类根据上述的刻面分类方法，将其运用于数控系统屮，本文提出以下的刻面分类, 用81巴科斯范式表示如下：(：组件：组件标识，组件类别，组件实现，组件信息，组件运行环境， 组件版本关系。0组件标识：用于惟一标识某一数控组件，主要包含以下属性：组件号：区 别其他的数控性同组件。组件名字：相同的类型的（：；组件无法拥有相同的名字， 但是不同类型的能拥有相同的名字。组件实体类型：用于标识组件的实体类型， 即源代码文件、1=1标文件、库文件等类型。(之）组件功能性：组件功能性是由在它的

19、最初而可能软件系统种组件提供的软 件功能聚集。组件库中的任何组件一定具备一个或多个功能。功能刻面的术语大部 分由从组件的制作济7提供齐提供的组件功能关键字组成。由于术语的一致，功能术 语应该试着使来自一个比较高的抽象水平的组件用法具体化。数控系统根据功能划分可分为0代码编译组件、刀补半径组件、速度预处理组 件、插补组件、位置控制组件、人机交互组件、故障诊断处理组件等等。那么，“功 能”就可以作为一个刻面。关于插补组件，依照不同的运算法则，他们能釆用直线 插补、圆弧插补、以符合高的精密需求抛物线插补、椭圆插补等等。不同的组件能 采用一种或多种的运算法则。3组件应用环境：组件应用环境是洵使刖（包括

20、了解7集合7修正）组件时所 必须提供的硬件和软件平台。只有当依赖特定的应用环境的时候，组件库中的每个 组件才能被重复使爪。甚至原始码水平的通爪组件也必须仰赖特别的编译系统。应用环境大概钮含以下属性：(！)组件硬件环境。(！)组件操作系统环境。 数据库平台。（“）网络环境。）编译而且连接环境(幻组件实现：描述组件的功能及勹实现有关的一些信息，主要包含以下属 性：1开发语言：实现组件所用的程序设计语言。II组件参数类型： 描述(：组件参数的类型是否可选，接口参数及引用方法的具体描述。（瓜）上下 文环境：即如果组件被装配从系统中得到的程序水平上的上下文环境。（）形式: 组件的合成和他们的相互关系，像

21、是类别、类别树、框架、模块。（乂）表示法：它 是过去一直描述组件内容，像是轮廓、本文、中文、英语的形式。）组件阶级体系：组件阶级体系是勹软件发展程序联系紧密的处于抽象水平 的组件。冈为阶级体系刻而的术语比较简单，组件库经理通常列举它们。目前的阶 级体系术语包括：（丨）分析；（丨丨）设计；（丨）编码；（“）测试()组件信息：组件信息描述了数控组件的一些特定历史信息，如.当它们被产 生的时候，且这个数据大体包含以下属性：（丨）关于组件的资讯开发者和发展部门。 (！)组件生产数据。（丨丨丨）成份储入仓库资料。（“)组件尺寸。组件版本关系：描述功能相似的同一系列(：呢组件之问的关系，主要包含以 下属性

22、：（丨)相关版本。（)提倡版本。上述的刻面完全地与彼此分开，因此，他们完全具体表达了与重新利用相关联 的组件特性，而且是能适应开放系统的组件库的发展。被包含在每个刻面的属性是他们的第一个水平术语；术语和他们的下级术语之 间的关系是一个从一般到特别的树形结构。举个例子来说，“开发语言”的术语在 组件实现刻面是第一水平术语（概要，归纳开发数控组件所用的语言，可以是(：、 (：+十、协8、？0聽、八例等，这些要素构成了 “开发语言”属性的值。对于这样一个主题：“用(：+语言开发的有抛物线插补算法的插补组件”。通过对 它的分析，可提取它在功能刻面内的元素：釆用抛物线算法的插补组件，在组件实 现刻面内的

23、元素：语言。4丨2丨组件恢复在组件重用的过程中，荇先我们应，吸取来自所给定需要的功能的规格的一组 关键字。然后按照这些关键字从已有组件中搜寻所需的候选组件。如果只发现一个 组件符合所有的需求，那么就选择它。但是通常有不止一个候选组件，而且每个备 用组件只有一部分符合使用济的需求。在这情况下，存在多个候选组件，但每个候 选组件都只能部分地满足用户要求。在这样的情况下，就要对候选组件满足用户的 要求程度和为满足要求而需做的适应性修改的丁作量进行评价，并以此对候选组件 进行排序。有了排好序的组件清单后，用户即可选定需最少工作量即可完成修改并 重用的组件。下列的运算法则解释重复使用的过程： 开始在一个

24、相配方法的组件库中搜寻 归还满足配对要求的一组组件 计算与每个组件相配的水平 选择最佳组件 为适应性修正挑选的组件 结束巧检索组件的时候(包括在组件库中搜索，计算匹配水平：)，我们可用由 和叩冇次提出的签名171；配方法来对组件进行匹配：把从组件中抽取出的特征信息 称为签名，检索时把用户的检索要求和组件的签名相匹配。签名匹配定义如下：签名匹配(仏从，0 二曰：从给定一个签名查询01，匹配谓词釓组件库(：，经签名匹配处理返回满足匹配谓词 条件的组件集合。适应性修正就是修正不勹使用需求一致的经挑选的组件，比如原始码组件的修 正，二进位组件接口的修正，组件的再包装等等。5丨基于建筑7组件重复使用技术

25、的整合发展平台和开放式0系统的 工作流程发展开放式数控系统的工作流程如图4所示。整个的流程包括两个有相互联系的 过程：可以再度使用的（(：系统组件的发展和可再用组件的应用系统的构造。应用 系统的即时能力能被由整合的发展平台所提供的 “0视野 软件检测。5.1.可以再度使用0系统组件发展的过程第一，领域釆用领域工程方法分析，而且系统建筑被萃取。然后， 系统的建筑将会被作为数据通信组件的例示。这一个过程将详细地定义数据通信组 件的接口和它的内部运行控制运算法则。数据通信组件能被要求约束、文件、原始 码、二进位的密码等等来表达。数据通信组件的详细被定义的接口担任了主要的技术规格并产生其他的组件， 同

26、时被文件、原始码和数据结构等来表达。在这个过程中形成的所有的建筑和组件被分类而且被储存在组件库中。系统常规管理和维护包括组件的疑、划除、修正，购买，创造新的组件。含有可以再度使用组件的数控应用系统的发展应用上述的（：；系统整合的发展平台去发展一个（(：应用系统的过程能被区 分为二个阶段：第一个阶段是框架产生，也就是说，依照新的系统的要求最适。的系统构件被选 择和被组件库支持的系统构件选择，而且数据通讯组件被吸取。如果需要，构件和 数据通信组件必须被修正。过程可见如下所示：一新系统要求域分析 起关键作用 的数据通信构件提取储存选择系统构件：系统构架 构件例示分类，储 存组件提取数据通信虮件-和通

27、信组件的获得 新构件仓庳 储存用作为规 格的数据 通信组件 的指导构件7组件阵新组件仓库 储存其他组件开发分类，储 存构件适应性修正通信组件适应性 修正 基于当前管理和 维持的构件丨构架 (组件质疑、删 除、修正、购买、 创造新的组件等 等）一结合、装配、X 1新系统 一1.重用组件的开发过程2丨有重用组件的疢用系统的开发过程3丨框架产生阶段1结合装配阶段图4丨开放式数控系统的结合开发平台和工作流程(！)分析新的系统要求，获得关键字且用组件库的对应术语更换。根据从第一步骤获得的期限聚集，从组件库中搜寻和取回适到的构件。(幻如果构件集中只有一种元素，就选择它，而且如果有不止一种元素，每种 元素必

28、须被评估，并能获得最好的一个。(幻如果从第二步骤获得的构件集是无效的，新的构件将会被产生，而且将加 入组件库。巧）依照术语集检索，一笔数控系统的数据通信组件集就能被得到。）如果数据通讯构件集中只有一种元素，就选择它，而且如果有不止一种元 素，每种元素必须被评估，并能获得最好的一个。(了）如果从第五步骤获得的数据通信构件集是无效的，新的数据通信构件将会 被产生，而且将加入组件库。）依照适应性构件和组件被修正，而且新的被修正的构件和新的组件也将会 被堉加到构件丨组件库。第二个阶段是整合和装配。将所获得的通信组件的接口需求作为规格，其他 的功能组件能被检索而且可以被从构件7组件库中吸取。除此之外，一

29、些组件可能被 发展或各为如此的一个应用被购买。在所有获得的组件被修正后，他们被整合和装 配。最后，获得一个新的系统。这个过程可以表示如下：开始为每个接口提供所需的数据通信组件吸取从接口聚集中取回的术语 取冋与术语聚集一致的功能组件 获得功能成份聚集 如果那聚集是无效的 发展或者购买新组件 新的组件存入仓库 另外 评估功能聚集 吸取唯一的功能元素 结束如果修正挑选的组件以适应新要求 结束整合，集合，配置。然后获得一个新的应用系统 结束从上述的运算法则中，可以发现应爪系统的发展课程包括(：？组件的发展的 一些工作。5】0肌应用系统的即时能力分析(：系统的组件之间存在严格时问的关系。一些模块一定定期地运行，绉其他的 模块一定“及时”运行的时候为其他的模块提供数据或者接受来自其他的模块的数 据。运行序列在单一工作