基于Windows的全軟件數(shù)控系統(tǒng)體系結構研究

雷立群，王戩

(吉林農(nóng)業(yè)科技學院機械與土木工程學院，吉林吉林 132101)

數(shù)控系統(tǒng)是一種典型的多任務實時控制系統(tǒng)，系統(tǒng)中的強實時控制部分主要是插補運算和位置控制脈沖的輸出。眾所周知，插補是數(shù)控機床控制刀具運動軌跡的核心，傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)多因實時性原因，主要采用硬件來實現(xiàn)強實時控制部分［1－3］，硬件實現(xiàn)的數(shù)控系統(tǒng)限制了系統(tǒng)的體系結構，為開放式數(shù)控系統(tǒng)的實現(xiàn)增加了難度。而采用全軟件的方法實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)是實現(xiàn)開放式數(shù)控系統(tǒng)最簡潔的途徑，文獻［4］提出采用引入外部時鐘中斷的方法，有效解決了Windows操作系統(tǒng)高精度定時時鐘的問題，使全軟件數(shù)控系統(tǒng)的實現(xiàn)成為可能。作者在此基礎上構建了Windows操作系統(tǒng)全軟件結構的整體建模，實驗證明這種數(shù)控系統(tǒng)的結構模型是可行的。

數(shù)控加工是一種復雜的控制過程，在加工過程中同一時間段中可能需要同時完成兩種不同的功能。例如，系統(tǒng)在插補的同時，需要不斷地翻譯并向內(nèi)存送入數(shù)控代碼。同時，系統(tǒng)還要能夠隨時接收用戶發(fā)出的緊急控制信息等。全軟件數(shù)控系統(tǒng)在總設計上的關鍵在于如何使系統(tǒng)能夠更為精確和快速地響應控制，因此在程序的總體設計上盡量避免程序之間相互調(diào)用而產(chǎn)生的軟件延時問題。

1 數(shù)控系統(tǒng)的整體結構模型

數(shù)控系統(tǒng)在整體上采用了分層的軟件結構，圖1給出了數(shù)控系統(tǒng)各個部分之間的相互關系(雙箭頭表示它們之間可以進行雙向數(shù)據(jù)傳輸)，可以清楚地看到數(shù)控系統(tǒng)的軟件結構以及系統(tǒng)的控制策略。數(shù)控系統(tǒng)由底層WDM程序與頂層控制應用程序兩部分組成:WDM程序主要負責系統(tǒng)的強實時控制部分，如外部硬件中斷的截取、控制脈沖的輸出等;而頂層應用程序則主要負責數(shù)控代碼的編譯、控制參數(shù)的設置、加工位置信息的顯示等。

圖1 數(shù)控系統(tǒng)整體結構框圖

從圖中可以看到，WDM程序位于控制結構的中間部分。因此在控制的過程中，底層的WDM程序必然要不斷地同外部硬件以及頂層應用程序通信。

2 實時控制過程

從圖1可以看到全軟件數(shù)控系統(tǒng)整體上分為3個大的部分，這3個大的部分文中采用了多線程的編程實現(xiàn)方式，包括主線程、數(shù)據(jù)處理線程和插補線程。在程序的實現(xiàn)上，一方面要考慮如何避免線程之間的切換對強實時控制部分產(chǎn)生的影響，另一方面又要協(xié)調(diào)好各個線程之間的同步關系，以保證系統(tǒng)的整體控制結構更加合理完善。下面對各線程的功能進行一一介紹:

(1)主線程。負責對數(shù)控文件的處理(例如，對文件的編輯、修改、存儲和讀入等)，以及接收用戶的控制信息和輸出系統(tǒng)的顯示信息，如系統(tǒng)的啟動、暫停、繼續(xù)執(zhí)行、倍率調(diào)整等的控制以及加工中刀具的位置、進給速度等內(nèi)容的顯示。

(2)數(shù)據(jù)處理線程。該線程主要負責對數(shù)控代碼的處理，包括數(shù)控文件的編譯、向內(nèi)存中存放編譯完成的數(shù)控指令、負責實時接收插補過程中傳遞過來的各種需要顯示的數(shù)據(jù)信息和命令等。

(3)插補線程。主要用于實現(xiàn)系統(tǒng)中實時性較強的插補運算、位置控制等內(nèi)容。圖2為各線程之間的狀態(tài)示意圖。

圖2 線接觸加工數(shù)控系統(tǒng)線程之間的同步關系

從圖2中可以看到各個線程之間具有如下的關系:

(1)主線程負責激活和掛起其他的線程。當接收到啟動加工的信息后主線程負責激活數(shù)據(jù)處理線程和插補線程，當加工結束或接收到暫停信息時，主線程負責掛起其他的線程。

(2)線程之間的同步關系。插補線程與數(shù)據(jù)處理線程之間總是按照:插補線程→數(shù)據(jù)處理線程→插補線程→數(shù)據(jù)處理線程…這樣的過程交替執(zhí)行的。在插補過程中，數(shù)據(jù)處理線程一直處于等待狀態(tài)，準備接收插補線程發(fā)來的編譯數(shù)控文件并存入數(shù)控代碼的命令，或者是接收用于顯示刀具運動位置的數(shù)據(jù)。因此，它們之間存在著線程之間的同步問題。插補線程和數(shù)據(jù)處理線程之間是通過Win32事件通知的方式進行通信的。具體的實現(xiàn)過程是:在數(shù)據(jù)處理線程中創(chuàng)建一個事件后，直接將該事件句柄傳遞給插補線程，然后等待插補線程發(fā)送事件消息。插補線程通過類KEvent獲取這個事件的一個對象指針后，通過設置事件信號狀態(tài)來觸發(fā)應用程序。

在插補線程中，當插補周期結束時，如果需要繼續(xù)向內(nèi)存空間填充數(shù)控指令時，則通過在延遲過程調(diào)用(DPC)函數(shù)內(nèi)設置事件為信號狀態(tài)，通知應用程序，程序如下:

VOIDSampleISADevice::dpc

{

m_pEventToSignal－＞Set();

}

數(shù)據(jù)處理線程通過下面的方式接收插補線程發(fā)送過來的通知信息:

while(1)

{

WaitForSingleObject(hEvent1，INFINITE);//等待插補命令執(zhí)行完畢…//執(zhí)行相應的操作}

3 控制/顯示界面的組成

文中采用前后臺的方式設計了Windows操作系統(tǒng)下數(shù)控系統(tǒng)的軟件結構，其中前臺軟件用C++Bulider設計完成，后臺采用WDM設備驅動程序設計實現(xiàn)，數(shù)控系統(tǒng)軟件可實現(xiàn)對直線、圓弧輪廓的走刀控制。

數(shù)控系統(tǒng)的控制界面和加工運動控制過程中的位置顯示界面如圖3所示，下面對各部分進行具體的介紹。

(1)控制界面

控制面板由兩部分組成，在設計時依據(jù)的是界面簡單、清晰，控制方式便捷的原則進行的。它位于主功能界面的右方，用開關按鍵以及分頁等進行設計的。

(2)顯示界面

顯示面板也由兩部分組成，位于控制面板的左上方和右上方，主要用于顯示加工中各個坐標軸的運動位置、加工中的進給速度等。

圖3 線接觸加工數(shù)控系統(tǒng)控制界面

圖4 控制界面

圖5 顯示界面

4 小結

提出了采用多線程的程序結構模式實現(xiàn)全軟件控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)的強實時部分在Windows操作系統(tǒng)底層的驅動程序部分實現(xiàn)，管理程序和顯示程序等弱實時控制部分在應用程序層面實現(xiàn)，各個控制部分之間通過中斷及線程通信來實現(xiàn)。數(shù)控系統(tǒng)軟件最終實現(xiàn)了對9個軸電機驅動器的控制，實驗證明:控制系統(tǒng)的極限加工進給速度可達到1 500 mm/min，系統(tǒng)的最小脈沖當量是0.037μm，數(shù)控系統(tǒng)可實現(xiàn)對空間直線、圓弧等輪廓的加工控制。

［1］賴曉豐，劉敬猛，李善鋒．基于ARM和運動控制器的嵌入式數(shù)控系統(tǒng)設計［J］．機床與液壓，2011，39(6):86－88．

［2］朱利東，殷蘇民．基于嵌入式實時操作系統(tǒng)的開放式數(shù)控系統(tǒng)的研究［J］．機床與液壓，2004(1):92－95．

［3］楊恒宗，傅星，張師偉．基于DSP與單片機的激光加工數(shù)控系統(tǒng)的研究［J］．組合機床與自動化加工技術，2005(12):35－37．

［4］雷立群，于振文．基于Windows的全軟件數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)方法研究［J］．機床與液壓，2012，40(9):94－97，20．

［5］何航．Windows開發(fā)式數(shù)控系統(tǒng)軟件設計與研究［D］．成都:電子科技大學，2004．

［6］LEI L Q，WANG K Q，HAN J．Implementation Study about the Software CNCSystem Based on Windows［J］．Advanced Materials Research，2011，411:264－269．

［7］武安河，邰銘，于洪濤．Windows2000/XPWDM設備驅動程序開發(fā)［M］．北京:電子工業(yè)出版社，2003:1－354．