Window s平臺下的軟件化數控系統研究*

陳光勝 陶 濤 梅雪松"

（!西安交通大學機械工程學院，陜西西安7l0049；"西安交大機械制造系統工程國家重點實驗室，陜西西安7l0049）

目前，傳統PC機（或PCl04）加運動控制卡的數控系統硬件結構方式仍然在國內普遍采用。但這種結構下，數控系統硬件開發難度大，軟件開發水平要求高，容易引起系統性能不穩定。而國產高檔數控系統與國外同類產品相比還有相當大的差距，其中穩定性不高是重要原因。Windows操作系統（Windows NT/2000/XP）非常成熟且具有豐富的應用支持軟件和廉價高效的軟件開發工具。美國制造數據公司開發的Open CNC、美國Soft Servo System公司的Servo Works CNC以及德國Power Automation公司的PA8000都是基于PC機以Windows為平臺的軟件化數控系統［l］。開發軟件化數控系統具有硬件開發難度低，開放性、可靠性高以及人機界面友好等明顯優點，為提高數控系統的可靠性與穩定性提供了保證。

國內對基于Windows的純軟件數控系統的研究起步較晚。山東大學的武洪恩［2］提出了基于 Windows具有WOAP結構的純軟件數控系統，哈爾濱工業大學林喆［3］以及沈陽化工學院王雅娜等［4］對 Windows的實時性能進行了研究，并提出提高Windows實時性能的途徑，但至今仍未見基于Windows的純軟件數控產品的報導。本文通過開發嵌入Windows平臺內核的具有實時性能的驅動程序為核心對Windows環境下的軟件化數控系統的實現展開研究。

1 Windows系統的實時性分析

Windows是一個多任務的非實時操作系統，由于采取基于對象訪問控制權限和軟件分層的措施［6］，即將整個操作系統分為內核模式（ Kernel/Privileged）和用戶模式（User/Normal）。一般用戶程序只能在用戶模式下運行，用戶模式運行在微處理器的Ring3用戶層，用戶層無權對硬件直接操作。這樣就可以避免對操作系統代碼的破環，這也是實時性不能保證的主要原因。內核模式運行在微處理器的Ring0核心層，其擁有與操作系統相同的級別；Windows 2000利用這個特性將操作系統和其他關鍵組件保護在內核模式下，只有通過開發驅動程序實現對內核資源的控制。

1.1 Windows系統的實時性能考核原理

Windows系統的實時性能，可以從以下4個方面來考核：

（l）在用戶模式下，系統對事件的響應時間。Windows對于事件的響應是基于消息循環的，事件發生后，Windows產生消息加入消息隊列，處理程序從消息隊列中依次取出消息，消息隊列中消息的多少及傳遞路徑的長短將對響應時間產生影響。為了測試用戶模式下的響應時間，可以使用系統定時器，VC下用SetTimer函數初始化設定，PC機系統實時時鐘按指定時間間隔周期性觸發事件，記錄下由事件觸發的回調函數入口處的機器時間，通過計算每次入口處時間間隔來評價響應時間及確定性。

（2）多媒體定時器的定時精度。多媒體定時器在用戶模式下使用，可理解為軟中斷，其定時精度比（l）方式要準確，是Windows下實現較精確定時的常用方法。評價響應速度方式及原理同（l）。

（3）內核模式下硬件中斷的響應速度。中斷是實時系統的最基本保證。在Windows 2000下訪問硬件或進行中斷處理，務必從Ring3用戶層跳到Ring0核心層才可以訪問硬件或進行中斷處理，要處理硬件中斷必須先安裝一個中斷服務例程（ISR）［7］。通過截獲ISA總線0號中斷系統定時器，安裝中斷服務例程，設定中斷控制器8253使系統定時器產生定時，程序在ISR入口讀出系統時間，就可以通過計算每次入口處時間間隔來評價服務例程對周期性中斷信號響應的時間精度和確定性。

（4）用戶模式與內核模式通訊時間。用戶模式下應用程序與內核之間的通訊通過事件方式完成，比如事件的異步完成、事件通知、事件共享等方式［8］。以事件通知為例，當中斷事件發生后，調用ISR，為了盡可能減少中斷占用時間，ISR設計要盡可能短小，大量的工作要在DPC（延遲過程序調用）中完成，即會產生DPC延遲，當內核與應用程序通信時（反之亦然），產生一個內核事件來通知應用程序，應用程序感知到事件做出響應，這一過程也需要時間，這些延遲都會影響到用戶程序與內核的通訊時間。把每次中斷時取得的系統時間存入FIFO存儲器，同時產生一個事件通知，在應用程序感知到事件通知后，記錄當前系統時間，通過與FIFO內取出的時間相比較，可獲得應用程序與內核通訊延遲時間。

1.2 實時性能實驗測試

在運動控制系統中，最苛刻的定時一般在幾百微秒，如位置控制周期，而常用的非實時性周期如顯示刷新周期則達到在幾十毫秒，因此在測試實驗中，（2）（3）項選取測試定時周期均為2ms，而（l）項為l0ms。為得到各響應時間，編制了測試程序，測試程序由testtime.exe和驅動程序 intrdemo.sys兩部分組成，testtime.exe由 VC++6.0開發，是基于 MFC的應用程序，提供測試界面，同時還包含一個系統定時回調子程和兩個子線程：系統定時回調子程用于測試Windows下的系統定時器，一子線程用于測試多媒體時間響應，另一子線程用于測試應用程序對內核事件的感知時間響應。INTRDEMO.sys是使用DriverWorks工具軟件開發的WDM式驅動程序。作用是截獲ISA總線0號實時時鐘中斷，以此產生周期性時間事件，調用ISR中斷服務例程，ISR記錄下入口處的系統時間并存入FIFO存儲器。

應用程序testtime.exe記錄下測試時間內每次響應時間，其極限響應時間結果如圖l。

為了測試前三類響應的準確性及在不同運行環境下的準確性，分別對三類響應在系統空閑（testtime.exe前臺運行，后臺無其它任務）和系統忙碌（前臺任務：網絡電影播放器PPLIVE，testtime.exe后臺運行，其它后臺任務：office2000、matlab6.0等）環境下進行測試，各測試周期的頻數統計直方圖如圖2。

實驗結果顯示，在用戶模式下，系統對事件的響應確定性很差，精度在ms級以下，對于l0 ms的定時，其響應最遲達到523 ms，在系統忙碌時甚至達到800 ms。多媒體定時器定時精度雖然瞬時最大誤差達到了2000%，但其平均誤差均在5%以內，最大時間延遲沒有超過30 ms，有一定的實時性。而對于內核模式下的對中斷事件響應準確性和實時性最強，不論系統空閑與忙碌，最大瞬時誤差不超過±2.5%，經統計，誤差超過±l%的概率不大于l%，具有極強的實時性和確定性。ring0層和ring3層通訊時間的最短時間20 ms，而最長達到了l45 ms，有一定的延時，必須通過有效方法來彌補。

2 Windows環境下軟件化數控系統實現

2.1 Windows下數控系統構建方案

數控系統包含的任務有控制和管理兩大類［9］。其中控制類可以分為運動控制和邏輯控制。運動控制包括有插補運算、誤差補償、速度控制、位置控制等。而邏輯控制包括外部IO的控制等。系統管理主要包括系統配置與重構、參數設置、加工程序輸入與編輯、故障診斷、加工信息等顯示以及與外部通訊等任務。這些任務對實時性的要求各不相同。如運動控制中的位置控制對時間要求苛刻，屬強實時類任務，一般周期在毫秒級，有些高速的系統甚至可能是幾十微秒，其它實時性任務如軌跡插補運算較位置控制稍弱，一般工作周期在幾毫秒至十幾毫秒，屬弱實時類任務。而系統管理類任務對實時性要求不高，工作周期在十幾毫秒以上，可以認為是非實時任務。

Windows是搶占式多任務系統，通過對運動控制系統實時性要求分析和以上對Windows的實驗結果對比可以看出，只要任務分配合理，實現Windows下純軟件數控系統是可能的。以下是提出的Windows下的運動控制系統軟件方案。

2.l.l 任務分配

強實時性的運動控制任務由內核模式下的驅動程序來完成，強實時模塊由系統中斷觸發（系統時鐘或外部信號等），由中斷觸發的服務程序（ISR）在運行時實時性高，具有確定性，能夠滿足位置控制等強實時任務的要求。在高精度位置控制時，為避免ISR執行最大±2.5%的時間誤差影響，ISR的運行可由外部定時信號觸發。但ISR的任務不能過于繁重，否則將影響Windows的效率甚至引起系統的崩潰。

對于有實時性要求，但并不嚴苛的任務如速度規劃、插補運算等，可以安排在用戶模式下的多媒體定時任務中。

多媒體定時延時和用戶模式與內核模式通訊延遲是完成數控任務必須解決的問題。為避免強實時任務出現數據饑餓，在插補任務和底層位置控制任務間開辟數據緩沖區，在預處理階段把數據緩沖區充滿，然后再進行位置控制運算。這樣，只要選取與位置控制相匹配的插補速度以及足夠深的緩沖區，就能保證強實時任務不會出現數據饑餓。緩沖區的存在會使進給速度的修調產生延遲，而速度的修調是由人工來控制的，不超過l45 ms的延遲對于操作者來說微不足道。

對于沒有實時性要求的任務如加工狀態圖形顯示、故障診斷等可由一般系統任務來完成，在此不再一一贅述。

2.l.2 多總線的數控系統體系結構

基于現場總線的系統結構是為滿足高檔數控系統高速高精、多軸多通道功能的新型數控系統結構。目前流行的高檔數控系統如西門子、發那科均采用了現場總線方式。本文將系統劃分為 HMI、NCK和 PLC功能模塊，采用了多總線體系結構。如圖3所示伺服數字總線是用于聯接NCK中位置控制模塊和數字伺服電動機，對用戶開放，內部高速總線是HMI、NCK和PLC三模塊間數據傳輸總線，而多點接口總線用于連接外部人機接口設備如鍵盤、操作面板，手輪等。

總線結構的實現使每個設備（或模塊）成為總線中的一個結點，有利于實現系統的模塊化、標準化，提高系統的擴展性，為數控系統實現多軸、高速、高精、多通道的功能提供可能。

圖4為Windows下運動控制系統軟件結構，采用模塊化設計方式，分為人機交互、運行監控、PLC邏輯控制、運動控制模塊（又分為G代碼解釋、前瞻處理、速度規劃、插補、位置控制等子模塊）和其它輔助模塊等組成。

2.2 具體應用實例及實驗結果分析

為驗證Windows下實現數控系統方案的可行性，搭建如圖5實驗平臺，分為硬件和軟件兩部分。控制系統硬件部分由工業PC、研華數字模擬輸入輸出接口卡（外購）及安川交流伺服電動機組成，控制對象為高精度X-Y工作臺。工作平臺的面積為300 mm×300 mm，帶有平臺的X軸安裝在Y軸上，從而構成2軸2聯動。軸的驅動是通過與滾珠絲杠直接相連的3相交流伺服電動機和放大器來實現的，研華采集卡與工業PC通過PCI總線相連接，其兩路模擬電壓輸出作為位置控制模塊的速度環輸出信號。與伺服電動機直接連接的增量式碼盤被用于速度環的反饋，位置反饋信號則來自于兩個安裝在工作臺上的分辨率為0.5!m直線光柵，通過研華采集卡的兩路數字差動信號輸入作為位置反饋信號進入位置環。實驗控制系統軟件部分由用戶模式的應用程序和內核驅動程序組成，應用程序完成簡易圓指令G代碼的譯碼、S曲線加減速控制和數據采樣法的圓弧插補運算，同時數據采集子程序完成位置反饋數據的記錄。位置控制模塊采用了PID控制算法，由內核驅動程序完成。

圓運動是檢驗CNC機床工作臺、數控系統性能的基本實驗運動［l0］。通過圓運動實驗，即 X和Y軸的運動指令分別是正弦和余弦，記錄下 X、Y軸的實際位置。通過走半徑 0.05 m，最大合成進給速度為3 m/min的順圓實驗得出實驗結果。圖6是X、Y軸的指令合成速度規劃圖，圖7是X、Y軸在圖6所示指令速度下的實際位置軌跡誤差放大圖。結果顯示，該實驗系統完成了運動控制系統必須的S曲線加減速控制、插補模塊通過FIFO緩沖區與底層位置控制模塊的準確通訊、位置控制模塊實時控制等基本任務，X、Y軸合成軌跡除象限拐點外誤差不超過±5!s，達到中檔數控系統精度水平［ll］。通過優化位置控制PID參數以及采用更先進控制算法以及添加誤差補償環節可進一步提高運動精度。工作平臺已成功應用于數控加工實驗平臺。

3 結語

實驗結果表明，本研究采用的內核模式驅動編制與用戶模式編程相結合的方法，糾正了Windows環境下無法完成實時性任務的缺點，通過合理任務調配，在Windows下構建軟件化的運動控制系統是完全可能的?；诒疚奶岢龅能浻布Y構的數控系統實驗平臺已搭建完成，并成功應用于實驗教學。這一方案的實現，大大降低了運動控制系統對特殊硬件的依賴性，使系統更易于開發。同時，軟件化系統將有利于提高系統穩定性、靈活性，是高檔數控系統的重要發展方向。

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