合工大数控课件3.3 软件结构

1、2022-5-23.1 计算机数控装置的概述计算机数控装置的概述3.2 数控装置的硬件结构数控装置的硬件结构3.3 数控装置的软件结构数控装置的软件结构3.4 译码的软件设计基础译码的软件设计基础3.5 插补原理插补原理3.6 补偿功能补偿功能3.7 故障诊断功能和可编程控制器故障诊断功能和可编程控制器第第三三章章 计算机数控装置计算机数控装置 2022-5-23.3 数控装置的软件结构数控装置的软件结构一一 CNC装置软硬件的分工装置软硬件的分工；二二 CNC装置软件结构的特点；装置软件结构的特点；三三 CNC装置软件结构模式；装置软件结构模式；四四 基于基于DOS的的CNC系统软件结构；系

2、统软件结构；五五 其他基于实时操作系统的结构模式；其他基于实时操作系统的结构模式； 2022-5-23.3 数控装置的软件结构数控装置的软件结构 CNC装置的软件是为完成数控机床的装置的软件是为完成数控机床的各项功能而专门设计和编制的一种专用软各项功能而专门设计和编制的一种专用软件。其结构取决于硬、软件的分工、也取件。其结构取决于硬、软件的分工、也取决于软件本身的工作特点。软件功能是决于软件本身的工作特点。软件功能是CNC装置的功能体现。一些厂商生产的装置的功能体现。一些厂商生产的CNC装置，硬件设计好后基本不变，而装置，硬件设计好后基本不变，而软件功能不断升级，以满足制造业发展的软件功能不断

3、升级，以满足制造业发展的要求。要求。 2022-5-23.3 数控装置的软件结构数控装置的软件结构 2022-5-2一一 CNC装置软硬件的分工装置软硬件的分工当今数控技术发展趋势：用相对较少且标准化程度较高的硬当今数控技术发展趋势：用相对较少且标准化程度较高的硬件，配以功能丰富的软件模块构成件，配以功能丰富的软件模块构成CNC装置。装置。 2022-5-2二二 CNC装置软件结构的特点装置软件结构的特点 CNC系统是一个专用的系统是一个专用的实时多任务实时多任务计计算机控制系统，它的控制软件也采用了算机控制系统，它的控制软件也采用了计算机软件技术中的许多先进技术。其计算机软件技术中的许多先进

4、技术。其中：中：1 多任务并行处理；多任务并行处理；2 多重实时中断。多重实时中断。 这两项技术的运用是这两项技术的运用是CNC装置软件结装置软件结构的特点构的特点 2022-5-21 多任务性和并行处理技术多任务性和并行处理技术 1）多任务：）多任务： CNC系统是一个专用的实时多任务系系统是一个专用的实时多任务系统，它的系统软件必须完成管理和控制两大任务。统，它的系统软件必须完成管理和控制两大任务。CNC装置系统软件装置系统软件管理软件管理软件控制软件控制软件 编译处理编译处理刀具补偿计算刀具补偿计算 速度处理速度处理 插补运算插补运算 位置控制位置控制机床输入输出机床输入输出 主轴控制主

5、轴控制零件程序管理零件程序管理 显示处理显示处理 人机交互人机交互输入输出管理输入输出管理故障诊断处理故障诊断处理 2022-5-21 多任务性和并行处理技术多任务性和并行处理技术2）多任务调度技术实现并行处理）多任务调度技术实现并行处理（1）资源分时共享：）资源分时共享： 对单对单CPU装置而言，方法：在一定的装置而言，方法：在一定的时间长度（通常称为时间片时间长度（通常称为时间片)内，根据系内，根据系统各任务的实时性要求程度，规定它们统各任务的实时性要求程度，规定它们占用占用CPU的时间，使它们按规定顺序和的时间，使它们按规定顺序和规则分时共享系统的资源。规则分时共享系统的资源。 2022

6、-5-2 解决各任务占用解决各任务占用CPU时间的时间的分配原则。分配原则。 其一是各任务何时占其一是各任务何时占CPU。即。即任务的任务的优先级优先级分配问题。分配问题。 其二是各任务占用其二是各任务占用CPU的时间的时间长度，即长度，即时间片时间片的分配问题。的分配问题。1 多任务性和并行处理技术多任务性和并行处理技术 2022-5-2CNC系统各任务分时共享CPU的时间分配图1 多任务性和并行处理技术多任务性和并行处理技术 2022-5-2各任务在运行中占用CPU 时间示意图资源分时共享的并行处理只具有宏观上的意义，即从微观上来资源分时共享的并行处理只具有宏观上的意义，即从微观上来看，各

7、个任务还是逐一执行的。看，各个任务还是逐一执行的。1 多任务性和并行处理技术多任务性和并行处理技术 2022-5-22）多任务调度技术实现并行处理）多任务调度技术实现并行处理 （2）并发处理和流水处理：）并发处理和流水处理： 对多对多CPU装置而言装置而言 方法：任务关联程度不高的放在一个方法：任务关联程度不高的放在一个CPU中让其同时执行为并发处理；任务关联程中让其同时执行为并发处理；任务关联程度高采用流水处理。度高采用流水处理。 1 多任务性和并行处理技术多任务性和并行处理技术 2022-5-22）多任务调度技术实现并行处理）多任务调度技术实现并行处理 （2）并发处理和流水处理：）并发处理

8、和流水处理： 流水处理技术是利用重复的资源（流水处理技术是利用重复的资源（CPU），），将将一个大的任务分成若干个子任务一个大的任务分成若干个子任务(任务的分法与任务的分法与资源重复的多少有关资源重复的多少有关)，这些子任务是彼此关系，这些子任务是彼此关系的，然后按一定的顺序安排每个资源执行一个的，然后按一定的顺序安排每个资源执行一个子任务，就象在一条生产线上分不同工序加工子任务，就象在一条生产线上分不同工序加工零件的流水作业一样。零件的流水作业一样。1 多任务性和并行处理技术多任务性和并行处理技术 2022-5-2CNC装置在自动加工工作方式时，其数装置在自动加工工作方式时，其数据转换过程由

9、据转换过程由4个子过程组成：个子过程组成： 零件程序输入零件程序输入插补淮备插补淮备(包括译码、刀具补偿和速度包括译码、刀具补偿和速度处理处理) 插补插补位置控制位置控制1t2t3t4t1 多任务性和并行处理技术多任务性和并行处理技术 2022-5-2 在任何时刻（流水处理除开始和结束外）均有两个或两个以在任何时刻（流水处理除开始和结束外）均有两个或两个以上的任务在同时执行。上的任务在同时执行。 流水处理的关键是流水处理的关键是时间重叠时间重叠，是以资源重复的代价，是以资源重复的代价(多个多个CPU)换得时间上的重叠，或者说换得时间上的重叠，或者说以空间复杂性的代价换得时间上的以空间复杂性的代

10、价换得时间上的快速性。快速性。1 多任务性和并行处理技术多任务性和并行处理技术 2022-5-22 实时性和优先抢占机制实时性和优先抢占机制（1 1）实时性）实时性 某任务的执行有严格时间要求（即任务必须在规定时间某任务的执行有严格时间要求（即任务必须在规定时间内完成或响应），否则将导致执行结果错误或系统故障。内完成或响应），否则将导致执行结果错误或系统故障。（2 2）实时性任务分类）实时性任务分类强实时性任务强实时性任务弱实时性任务弱实时性任务实时突发性任务实时突发性任务实时周期性任务实时周期性任务 2022-5-2实时突发性任务：实时突发性任务：随机性和突发性任务，随机性和突发性任务，有很

11、强的实时性要求。如急停、机械限有很强的实时性要求。如急停、机械限位、硬件故障、机床位、硬件故障、机床PLCPLC中断、操作中中断、操作中断等。断等。实时周期性任务：实时周期性任务：具有精确时间间隔的具有精确时间间隔的任务。如插补运算、位置控制等任务。如插补运算、位置控制等弱实时性任务：弱实时性任务：非实时性的任务。如：非实时性的任务。如：CRTCRT显示、零件程序的编辑、加工状态显示、零件程序的编辑、加工状态和加工轨迹的动态显示、译码、刀补等。和加工轨迹的动态显示、译码、刀补等。2 实时性和优先抢占机制实时性和优先抢占机制 2022-5-22 实时性和优先抢占机制实时性和优先抢占机制（3 3）

12、优先抢占机制）优先抢占机制 优先抢占调度机制是一种优先抢占调度机制是一种基于实时中断基于实时中断技术技术的任务调度机制。的任务调度机制。一是优先调度：一是优先调度：在在CPUCPU空闲，多个任务请空闲，多个任务请求，级高的任务将优先执行。求，级高的任务将优先执行。二是抢占方式：二是抢占方式：优先级高的任务中断优优先级高的任务中断优先级的正在执行的任务。先级的正在执行的任务。 2022-5-2三三 CNC装置软件结构模式装置软件结构模式 CNCCNC装置的软件结构模式指系统软件的装置的软件结构模式指系统软件的组织管理方式；系统软件通过一定的结构模组织管理方式；系统软件通过一定的结构模式，来组织和

13、协调各个任务的执行，使各任式，来组织和协调各个任务的执行，使各任务满足一定的时序配合要求和逻辑关系，从务满足一定的时序配合要求和逻辑关系，从而实现而实现CNCCNC系统的各种控制要求。结构模式系统的各种控制要求。结构模式主要有一些三种：主要有一些三种：1 前后台型结构模式前后台型结构模式2 中断型结构模式中断型结构模式3 基于实时操作系统的结构模式基于实时操作系统的结构模式 2022-5-21 前后台型结构模式前后台型结构模式该模式将该模式将CNC系统软件划分成两部分：系统软件划分成两部分： 前台程序前台程序: 主要完成插补运算、位置控制、主要完成插补运算、位置控制、故障处理等实时性很强的任务

14、，它是一个实故障处理等实时性很强的任务，它是一个实时中断服务程序。时中断服务程序。 后台程序后台程序(背景程序背景程序): 完成显示、零件加工完成显示、零件加工程序的编辑管理、系统的输入程序的编辑管理、系统的输入/输出、插补预输出、插补预处理（译码、刀补处理、速度预处理处理（译码、刀补处理、速度预处理)等弱实等弱实时性的任务，它是一个循环运行的程序，时性的任务，它是一个循环运行的程序， 2022-5-2后台程序在运行过程中，不断地定时被前台实时中断后台程序在运行过程中，不断地定时被前台实时中断程序打断；前后相互配合来完成零件的加工任务。程序打断；前后相互配合来完成零件的加工任务。1 前后台型结

15、构模式前后台型结构模式 2022-5-22 中断型结构模式中断型结构模式在该结构中，除了初始化程序之外，整个系统软件的各个任在该结构中，除了初始化程序之外，整个系统软件的各个任务模块分别安排在不同级别的中断服务程序中，然后由中断务模块分别安排在不同级别的中断服务程序中，然后由中断管理系统（由硬件和软件组成）对各级中断服务程序实施调管理系统（由硬件和软件组成）对各级中断服务程序实施调度管理。整个软件就是一个大的中断管理系统。度管理。整个软件就是一个大的中断管理系统。实时性好：由于中断级别实时性好：由于中断级别较多，强实时性任务可安较多，强实时性任务可安排在优先级较高的中断服排在优先级较高的中断服

16、务程序中。务程序中。但是模块间的关系复杂，但是模块间的关系复杂，耦合度大，不利于对系统耦合度大，不利于对系统的维护和扩充。的维护和扩充。 2022-5-2 实时操作系统（实时操作系统（RTOS）是操作系统的一）是操作系统的一个重要分支它除了具有通用操作系统的功个重要分支它除了具有通用操作系统的功能外，还具有任务管理、多种实时任务调度能外，还具有任务管理、多种实时任务调度机制（如优先级抢占调度、时间片轮转调度机制（如优先级抢占调度、时间片轮转调度等）、任务间的通信机制等）、任务间的通信机制(如邮箱、消息队如邮箱、消息队列、信号灯等列、信号灯等)等功能。优点等功能。优点:1）弱化功能模块间的耦合关

17、系；）弱化功能模块间的耦合关系；2）系统的开放性和可维护性好；）系统的开放性和可维护性好；3）减少系统开发的工作量。）减少系统开发的工作量。3 基于实时操作系统的结构模式基于实时操作系统的结构模式 2022-5-2四四 基于基于DOS的的CNC系统软件结构系统软件结构 RTM模块模块为自行开发的实为自行开发的实时多任务管理模块，负责时多任务管理模块，负责CNC系统的任务管理调度。系统的任务管理调度。 NCBIOS模块模块为基本输入为基本输入输出系统，管理输出系统，管理CNC系统所系统所有的外部控制对象，包括设有的外部控制对象，包括设备驱动程序（备驱动程序（IO）的管理、）的管理、位置控制、插补

18、计算以及内位置控制、插补计算以及内部监控等。部监控等。NCBASE= RTM+ NCBIOS1 软件结构软件结构 2022-5-22 NCBASE功能功能2 实时多任务调度实时多任务调度 该功能由该功能由RTM模块实现，它是由模块实现，它是由DOS的的INT08中断功能来实现任务调度的。调度核心由时钟中断中断功能来实现任务调度的。调度核心由时钟中断服务程序和任务调度程序组成。服务程序和任务调度程序组成。 2022-5-2五五 其他基于实时操作系统的结构模式其他基于实时操作系统的结构模式1 基于基于Linux系统平台系统平台2 基于基于Windows CE系统平台系统平台 Windows CE是

19、是Microsoft为多种嵌为多种嵌入式系统和产品而设计的一个紧凑、高入式系统和产品而设计的一个紧凑、高效、可升级的多进程、多线程、抢先多效、可升级的多进程、多线程、抢先多任务实时操作系统。任务实时操作系统。 2022-5-2lvoid main( void )void main( void )l / / 定时器定时器0, 1Ms 0, 1Ms 中断中断lEnableTimer0( );EnableTimer0( );l/ / 等待等待 300 Ms300 MslWaitMsCntWaitMsCnt = 300; = 300;lwhile( WaitMsCntwhile( WaitMsCnt ) ; ) ;