一种新型开放式数控原型系统的开发

 种在基于WindowsNT+RTX的通用PC上运行实时性弱的任务，在分布的伺服驱动器中运行实时性强的运动控制任务的开放式数控原型系统。在这种系统中，运动控制由嵌入到伺服驱动器中的智能节点完成，通用PC和伺服驱动器之间用现场总线进行通讯，系统软件采用模块化方法设计。同时进行了系统实时性能测试和实例运行结果分析。

1 引言

    数控系统是一个对实时性、安全性、可靠性要求很高的系统。目前，基于PC的数控系统开放性又成为一个研究热点。该数控系统现在主要是在PC平台上扩展各种总线的运动控制卡，通过运动控制卡实现数控系统的实时控制功能，而非实时性任务在通用Windows操作系统平台下运行。这种方法在实际中已经获得了广泛的应用，但其实时控制部分可配置性较差，运动控制卡对于一般的应用系统往往大部分功能冗余，对于复杂或高精度的应用场合又经常不能满足控制要求。伴随着现场总线技术的发展和WindowsNT和RTX的应用，更多的方案可用于开发性能更好的CNC系统。为此，本文开发了用Windows NT+RTX来取代通用的Windows操作系统，用分布在各个伺服驱动器中的智能控制节点来取代PC平台上扩展的运动控制卡，通用PC和智能节点之间用现场总线进行通讯的开放式数控原型系统，并通过一个运行实例来测试了这个系统。

2 原型系统实时性能分析

2.1 WindowsNT和RTX的特性

    WindowsNT是最流行的操作系统之一。它有良好的图形用户界面，并有广泛的软硬件支持。RTX进一步扩展了NT系统的实时功能，因此，NT的大量资源和RTX的实时功能在研究中得以应用。而且，广泛使用的调试工具，如VC++等，使强大的实时系统得以实现。

    RTX增加了一个实时子系统RTSS，用于增加WindowsNT、Windows 2000 and Windows XP的实时性。RTSS在概念上类似于别的Windows子系统（如Win32和DOS），它支持自己的执行环境和APl。代替使用Windows调度器，RTSS运行自己的线程调度。所有的RTSS线程调度发生在所有的Windows调度之前，包括Windows管理的中断和延时程序调用（DPC）。

    RTSS也支持进程间通讯对象，通过RTSS或Win32进程操作;这使实时和非实时程序之间可进行简单或标准的通讯和同步。RTSS也提供了时钟、定时器和RTSS进程中断管理。RTX包括了一个实时嵌入的硬件抽象层（HAL）扩展，该扩展使RTSS和Windows的中断相互独立。Windows和它们的驱动不能屏蔽RTSS中断，而RTSS运行时，所有的Windows中断都屏蔽了。

2.2 原型系统的实时性能分析

    

    Venturcom的平台仿真器是实时应用的硬件测试工具，它帮助开发者、系统集成商和销售商评估他们的实时控制平台，选择最好的硬件、软件和满足他们特殊需要的操作系统配置。平台仿真器收集了系统配置信息，测量了线程切换延时、定时中断响应延时和用户在不同的测试环境下Win32API调用的时间。

    在CNC原型系统的开发中，一个通用PC（PIlll066）运行Windows NT+RTX操作系统，实时性能测试结果如下。带负载的线程切换延时测试结果如图1所示，对于Win32，最大值是381.6μs，平均值是1.7μs，最小值是0．8ps；对于RTSS，最大值是5.7μs，平均值是1.3μs，最小值是0.1μs。带负载的定时反应延时测试结果如图2所示，对于Win32，最大值是223.9μs，平均值是13.1μs，最小值是9.2μs；对于RTSS，最大值是15.9μs，平均值是5.0μS，最小值是3.3μs。由测试结果可知，RTX系统控制在线程切换、定时反应延时是很有效的，比NT更适合于实时环境。

3 开放式CNC系统架构

3.1 硬件架构

    在本文提出的数控系统中，通用PC作为系统的硬件平台，原来插入工控机的运动控制卡被几个嵌入到伺服驱动器中的智能控制节点所代替，每个节点控制一个轴。采用WindowsNT+RTX操作系统、工控机和伺服控制器通过CANBUS总线进行通信，能双向传递大量数据，且其通信协议是公开的和标准化的，这样，修改、配置和替换一些组件就变得很容易。采用不可屏蔽中断来同步智能控制节点。而且，充足的信息大大地有益于监控和诊断。基于WindowsNT+RTX和CANBUS总线的控制系统的系统架构如图3所示。

3.2 软件架构

    在此CNC软件架构中，图形用户界面采用COM技术开发，实时部分采用Venturcom公司的SDK开发。

    

    COM组件不是一种编程语言，它是一种能使组件作为对象进行相互作用的二进制协议，COM充分体现了组件编程的概念，同结构化编程及面向对象的编程方法一样，COM也是一种组织程序的方法，与语言无关，可以选择C、C++、JAVA等语言来开发。组件技术主要有以下几个优点：（1）组件技术可实现应用程序的快速开发。从组件库中取出所需的组件并将其快速地组装到一块即可构造所需的应用程序。应用程序的大部分可利用已有的组件构建，减少了开发的工作量，可以缩短开发周期，降低开发成本。购买组件的费用与传统的软件开发成本相比，是微不足道的。（2）组件技术易于实现应用程序定制，满足不同用户的不同需求。一般情况下，根据需求替换、修改程序使用的一个或多个组件，就可以实现定制。（3）基于组件的应用程序的升级和维护，更方便灵活。基于组件的应用程序的修改，通常是通过修改组件来实现的。当对应用程序进行升级或维护时，只需将一些组件用其新版本替换即可，不再需要对整个应用程序进行全方位的修改。（4）使用组件技术，可简化应用程序向分布式应用程序的转化过程。用COM技术开发的CNC软件系统如图4所示。软件由3个部分组成，即用户接口层、数据管理层和数据源层，每个层由几个组件组成。

    用户界面层主要有5个组件程序和一个主程序，即配置组件、维护组件、仿真组件、现场设备

    管理组件、监控组件和用户界面主控程序（为一个标准的MFC可执行程序）。通过这些组件程序，不仅给运行人员直观形象的图形界面，而且使系统的运行和维护简单方便，防止了运行人员的操作失误引起的事故，提高了系统运行的安全性。数据管理层主要包括数据服务组件、实时数据服务组件、数据库服务组件以及网络服务接口组件等。通过这些组件，实现数据信息在数据源层和用户界面层之间双向传输。其中，网络服务接口组件提供本系统与局域网或广域网之间的连接功能，用户可用它实现对数控系统的远程监控功能。数据源层主要由实时控制程序组成，这些强实时性任务必须在间进行的实时任务以RTDLL的形式动态加载到RTX环境下，使之成为受RTX管理和调度的具有不同优先级的实时线程，且由RTX提供的高精度定时器定时触发。

4 原型系统运行实例

    实验硬件：通用PC（CPU PⅢ1066，SDRAM256M），PCL-841卡（两个独立的CANBUS通讯卡，由台湾ADVANTECH制造），两个伺服控制卡（自己设计，带有TM320C6701和SJA-1000），TKS-591S仿真器，两个伺服驱动MSDA013A1A（Panasonic产品），两个自带旋转编码器的AC SERVO MOTOR MSMA012A1C（Panasonic产品）。整个实验平台如图5所示。

    实验软件：原型系统软件由运行在智能节点中部分软件和运行在通用PC中的部分软件组成。节点部分完成实时控制任务，通用PC部分完成人机界面及与智能节点实时通讯任务。原型系统的运行主界面由6个COM组件组成。最重要的是加工控制组件，而且，该组件又由8个较小的组件组成。在系统正常运行之前，应先完成通讯测试和参数设定。

    实验内容和结果：实验内容是控制2个MSMA012A1C电机沿着一个标准圆形的轮廓运动，一个电机沿着X轴运动，另一个电机沿着Y轴运动。电机的运行数据由CANBUS总线传递到通用PC中，然后显示在人机界面上。圆形轮廓运行界面如图6所示，蓝色实心的圆是标准圆，红色的圆是控制轮廓。由图6可知，2个智能卡能完成一个运动控制卡的功能，CANBUS总线能满足传递离线插补数据的要求，外部不可屏蔽中断能确保几个控制卡的同步运行。

5 结论

    本文提出了一种新型基于WindowsNT+RTX的开放式CNC系统。实验证明，WindowsNT+RTX能够满足实时控制要求。现场总线能用来双向传递数据，从通用PC到伺服控制器的控制数据或者从伺服驱动到通用PC的状态信息，这使远程监控和诊断成为可能。基于COM的组态方法和智能节点能用来提高CNC系统的开放性，来自不同制造商的软件和硬件产品能够实现即插即用。外部不可屏蔽中断能够用来同步不同的智能节点，控制插补周期。这样，差插周期能达到理论要求的最小值，这是CNC系统实现高速加工的必要条件。因此，这种基于Windows NT+RTX的开放式CNC系统能够满足开放性和实时性能。