隨著計(jì)算機(jī)、通訊技術(shù)的飛速發(fā)展，在工業(yè)控制領(lǐng)域，開放式數(shù)控系統(tǒng)的研究和應(yīng)用是必然趨勢(shì)。國(guó)家計(jì)劃發(fā)展委員會(huì)與科技部在1999年7月14日發(fā)布的當(dāng)前國(guó)家優(yōu)先發(fā)展的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)化重點(diǎn)領(lǐng)域指南（目錄）中第八項(xiàng)“制造”的首項(xiàng)列為：適用、先進(jìn)的數(shù)控機(jī)床及開放式數(shù)控系統(tǒng)（總第112小項(xiàng)）可見，國(guó)家非常重視開放式數(shù)控系統(tǒng)的研究與開發(fā)，因?yàn)樗苯雨P(guān)系到我國(guó)制造領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)力水準(zhǔn)，并進(jìn)而決定了整個(gè)工業(yè)基礎(chǔ)是否牢固。開放式數(shù)制系統(tǒng)以其互操作性、移植性、互換性和伸縮性的優(yōu)良特性，方便了各種控制要求的系統(tǒng)集成和*終用戶的使用。

 

　　在開放式數(shù)控系統(tǒng)的研究中，用軟件來實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的核心功能已經(jīng)具有可行性。控制系統(tǒng)的高度實(shí)時(shí)性對(duì)操作系統(tǒng)提出了特殊的要求，本文將就全軟件開放式數(shù)控系統(tǒng)的操作系統(tǒng)平臺(tái)選用進(jìn)行具體分析，進(jìn)而給出具體應(yīng)用實(shí)現(xiàn)。

 

　　1數(shù)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求目前的數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，無論是專用系統(tǒng)還是基于PC機(jī)，受計(jì)算機(jī)性能和操作系統(tǒng)的限制，都采用軟硬件結(jié)合的體系結(jié)構(gòu)。

 

　　與開放式控制系統(tǒng)相對(duì)應(yīng)的專用封閉控制系統(tǒng)目前還占據(jù)著相當(dāng)大的一部分市場(chǎng)，包括FANUC、AB和SIEMENS的各種數(shù)控裝置。這些控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和控制軟件都是專用設(shè)計(jì)，為滿足實(shí)時(shí)性要求很高的插補(bǔ)運(yùn)算、位置控制，或者采用專用的硬件實(shí)現(xiàn)，或者采用多CPU分別對(duì)其服務(wù)。基于PC的數(shù)控系統(tǒng)得益于PC機(jī)獲得了一定程度的開放性，系統(tǒng)建立在通用的操作系統(tǒng)之上，主要米用Wimows+DOS的操作系統(tǒng)平臺(tái)，因?yàn)槟壳癢indows的產(chǎn)品不支持實(shí)時(shí)性要求很高的實(shí)時(shí)任務(wù)的調(diào)度管理，只能用于人機(jī)界面和實(shí)時(shí)性弱的任務(wù)，而位置控制和插補(bǔ)運(yùn)算則通過硬件插板完成。

 

　　由于數(shù)控硬件一般都是專用設(shè)計(jì)，靈活性差，制約著數(shù)控系統(tǒng)的開放步伐。相反，全軟件控制系統(tǒng)具有方便，靈活的特點(diǎn)，充分利用流行的操作系統(tǒng)平臺(tái)作支撐，標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用開發(fā)環(huán)境，具有較好的互操作性、移植性、互換性和伸縮性展現(xiàn)其良好的開放性能。和傳統(tǒng)的基于PC的結(jié)構(gòu)比較，全軟件數(shù)控系統(tǒng)要解決插補(bǔ)運(yùn)算和位置控制的軟件化問題。而所選用的操作系統(tǒng)對(duì)強(qiáng)實(shí)時(shí)功能的支持成為全軟件數(shù)控的關(guān)鍵。

 

　　數(shù)控系統(tǒng)功能按實(shí)時(shí)性可以分為強(qiáng)實(shí)時(shí)、弱實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)。所謂強(qiáng)實(shí)時(shí)，即系統(tǒng)必須在給定的時(shí)間范圍內(nèi)結(jié)束控制任務(wù)的處理，否則后果不堪設(shè)想。弱實(shí)時(shí)是如果系統(tǒng)不能完全保證在允許的時(shí)間內(nèi)對(duì)控制要求給出反應(yīng)，可以遲一些做出反應(yīng)。非實(shí)時(shí)則對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間無嚴(yán)格要求。例如，插補(bǔ)運(yùn)算2ms進(jìn)行一次粗插補(bǔ)，位置控制1ms進(jìn)行一次采樣，如果操作系統(tǒng)的調(diào)度管理不能及時(shí)對(duì)它們響應(yīng)，則會(huì)出現(xiàn)斷續(xù)加工狀態(tài)。雖然譯碼、刀補(bǔ)和速度計(jì)算和插補(bǔ)緊密相關(guān)，因?yàn)樵谧詣?dòng)加工過程中，它們經(jīng)常等待插補(bǔ)運(yùn)算，因此是弱實(shí)時(shí)任務(wù)。人機(jī)界面中的顯示更新則一般考慮到人視覺因素，定為100ms以上，屬于非實(shí)時(shí)任務(wù)。

 

　　2操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的分析在開放式控制系統(tǒng)中使用操作系統(tǒng)，首先要考慮操作系統(tǒng)的應(yīng)用范圍，其次是對(duì)實(shí)時(shí)任務(wù)的支持程度。

 

　　所謂開放，就是被廣泛使用與接受。在以往的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中，大都采用如VxWorks，RTOS和QNX等專用的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，不符合開放的趨勢(shì)和要求。而目前廣泛使用的是Microsoft的Wm（i）ws和Unix的各種版本（Linux除外）但這些操作系統(tǒng)的各種版本又不能完全支持實(shí)時(shí)控制，這就構(gòu)成了矛盾的兩個(gè)方面。

 

　　等特點(diǎn)被廣泛用于工業(yè)控制中，但僅限于弱實(shí)時(shí)要求的控制系統(tǒng)中。對(duì)于Windows系統(tǒng)，它本身就是通過截取DOS的08H中斷來實(shí)現(xiàn)的一個(gè)基于消息驅(qū)動(dòng)的實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)。在Widows的消息中，時(shí)鐘消息WM-TIMER被認(rèn)為是不太重要的消息，在消息隊(duì)列總是排在*后，而且當(dāng)消息隊(duì)列中有多條WM-TIMER消息時(shí)，Wid（ws系統(tǒng)本身會(huì)把所有的WM-TMER消息合并成一條WM-TIMER消息。簡(jiǎn)單地依靠Windows系統(tǒng)本身的時(shí)鐘消息不能完全滿足控制系統(tǒng)的要求。另5以上的系統(tǒng)中，系統(tǒng)本身對(duì)硬件實(shí)現(xiàn)了屏蔽，在用戶應(yīng)用程序中直接訪問硬件會(huì)產(chǎn)生異常結(jié)構(gòu)。這就說明在Wimbws平臺(tái)下的應(yīng)用程序中，直接對(duì)硬件訪問是行不通的，不能獲得所需的時(shí)鐘精度。

 

　　改造，推出了基于實(shí)時(shí)控制的WindowsCE.其中WindowsCE3.0的中斷響應(yīng)速度可達(dá)50us，完全可以滿足硬實(shí)時(shí)的要求，但它*大的缺點(diǎn)是只支持1/3的Win32API，不能滿足GUI，網(wǎng)絡(luò)的要求，因此不能完全勝任實(shí)時(shí)控制。另外，目前討論很多的Linux也是作為實(shí)時(shí)控制操作系統(tǒng)平臺(tái)的一個(gè)希望。美國(guó)新墨西哥礦業(yè)技術(shù)大學(xué)開發(fā)了Real―TimeLinux（RT一Linux）但它也有以下幾個(gè)缺點(diǎn)：安全性不能完全得到保證；以上這些缺點(diǎn)都限制了Linux在實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，但隨著Linux研究的深入和應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大，它作為實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的操作系統(tǒng)平臺(tái)還是很有希望的。

 

　　成熟。而WindowsNT的實(shí)時(shí)擴(kuò)展系統(tǒng)的應(yīng)用確是一個(gè)好的發(fā)展方向。許多第三方軟件商針對(duì)WindowsNT開發(fā)了相應(yīng)的實(shí)時(shí)擴(kuò)展，有RadSys公司的Intime和Ven-tuCom公司的RTX等。它們的解決方案都是利用Win-d（wsNT實(shí)現(xiàn)弱實(shí)時(shí)控制任務(wù)，充分利用NT強(qiáng)大的圖形界面開發(fā)功能、網(wǎng)絡(luò)和安全等等優(yōu)勢(shì)，而實(shí)時(shí)任務(wù)則依靠實(shí)時(shí)擴(kuò)展來實(shí)現(xiàn)。

 

　　3WindowsNT+實(shí)時(shí)擴(kuò)展平臺(tái)上的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)我們認(rèn)為開發(fā)全軟件開放式控制系統(tǒng)應(yīng)采用前后臺(tái)結(jié)合多重中斷的軟件結(jié)構(gòu)。前后臺(tái)的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)適用于單機(jī)環(huán)境，多重中斷適合于分布式控制環(huán)境。

 

　　但在多數(shù)的前后臺(tái)結(jié)構(gòu)中，實(shí)時(shí)任務(wù)的定時(shí)中斷往往只有一個(gè)，即插補(bǔ)運(yùn)算、位置控制和PLC都在一個(gè)定時(shí)周期內(nèi)完成，這樣處理并不能有效地利用系統(tǒng)資源和提高系統(tǒng)性能。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)為在單機(jī)環(huán)境下運(yùn)行，采用前后臺(tái)的結(jié)構(gòu)，針對(duì)位置控制、插補(bǔ)運(yùn)算和PLC設(shè)置三個(gè)實(shí)時(shí)定時(shí)中斷，優(yōu)先級(jí)遞增，中斷周期遞減，可以達(dá)到合理利用資源和提高系統(tǒng)性能的目的。

 

　　WindowsNT實(shí)時(shí)擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)的主要功能是擴(kuò)充了NT的實(shí)時(shí)功能和任務(wù)優(yōu)先級(jí)別，并由實(shí)時(shí)擴(kuò)展的調(diào)度管理接管了NT的調(diào)度管理，同時(shí)增加了一系列的實(shí)時(shí)控制函數(shù)，包括：定時(shí)器、中斷、物理內(nèi)存的管理、I/O的操作和信號(hào)燈等。

 

　　全軟件數(shù)控系統(tǒng)功能分為兩部分：Win32進(jìn)程和實(shí)時(shí)擴(kuò)展進(jìn)程。Win32進(jìn)程負(fù)責(zé)人機(jī)界面、診斷、插補(bǔ)準(zhǔn)備等實(shí)時(shí)性弱的任務(wù)；實(shí)時(shí)擴(kuò)展進(jìn)程負(fù)責(zé)位置控制、插補(bǔ)運(yùn)算和PLC等強(qiáng)實(shí)時(shí)性的任務(wù)。它們之間通過實(shí)時(shí)擴(kuò)展提供的共享內(nèi)存機(jī)制實(shí)現(xiàn)通訊，見。

 

　　強(qiáng)實(shí)時(shí)任務(wù)的中斷響應(yīng)速度是全軟件開放式數(shù)控系統(tǒng)的關(guān)鍵所在，必須對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性進(jìn)行測(cè)試，系全軟件數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)3）測(cè)試。運(yùn)行時(shí)間為1小時(shí)，可以看出：累計(jì)*遲中為25.9.中斷響應(yīng)速度和計(jì)算機(jī)主頻有關(guān)，所以主頻低的數(shù)值較大，主頻高的數(shù)值較小。測(cè)試結(jié)果表明都可以滿足強(qiáng)實(shí)時(shí)任務(wù)的要求。

 

　　4結(jié)論建立在流行操作系統(tǒng)上的全軟件控制系統(tǒng)具有良好的開放性，擺脫了專用硬件體系結(jié)構(gòu)和專用操作系統(tǒng)的束縛，為*終用戶在維護(hù)、使用和系統(tǒng)升級(jí)上帶來方便。