基于Windows的線接觸加工數(shù)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)性研究

0 引 言
    數(shù)控系統(tǒng)是一種典型的工業(yè)控制軟件，其系統(tǒng)的實(shí)時(shí)檢測(cè)以及控制時(shí)序都需要時(shí)間基準(zhǔn)。盡管Windows操作系統(tǒng)因其具有強(qiáng)大的功能和友好的通信用戶界面，而使得它不僅被廣泛的用作管理事務(wù)型工作的平臺(tái)，也被工業(yè)領(lǐng)域的工程人員所關(guān)注。但Windows系統(tǒng)頂層的應(yīng)用程序并非是基于優(yōu)先級(jí)來(lái)調(diào)度任務(wù)的，無(wú)法立即響應(yīng)外部事件的中斷，因此也就不能滿足工業(yè)應(yīng)用環(huán)境中實(shí)時(shí)事件處理和實(shí)時(shí)控制應(yīng)用的要求，因此如何在Windows環(huán)境下實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制是實(shí)現(xiàn)大多數(shù)實(shí)時(shí)系統(tǒng)的關(guān)鍵。本文歸納了Windows環(huán)境下實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的幾種方案，并通過(guò)分析比較，提出了線接觸加工數(shù)控系統(tǒng)中實(shí)時(shí)控制的解決方案——引入外部高精度的定時(shí)時(shí)鐘，在Windows環(huán)境中編寫WDM程序來(lái)響應(yīng)高精度定時(shí)時(shí)鐘，從而實(shí)現(xiàn)線接觸加工數(shù)控系統(tǒng)的強(qiáng)實(shí)時(shí)控制問(wèn)題。

1 Windows 2000操作系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制的解決方案
    在Windows 2000操作系統(tǒng)環(huán)境中進(jìn)行實(shí)時(shí)控制時(shí)，根據(jù)對(duì)定時(shí)精度以及實(shí)時(shí)性要求不同，通?？刹捎靡韵聨追N方法。
1．1 利用Windows系統(tǒng)提供的常規(guī)定時(shí)器及多媒體定時(shí)器
    PC機(jī)中，最小的定時(shí)間隔是55 ms申請(qǐng)一次中斷請(qǐng)求。在一般的應(yīng)用軟件開發(fā)平臺(tái)上都提供了一個(gè)具有定時(shí)功能的Timer控件用于響應(yīng)這個(gè)中斷，如C++Builder中的Timer控件，用戶可以通過(guò)Windows提供的API函數(shù)SetTimer和KillTimer來(lái)實(shí)現(xiàn)定時(shí)，但是由于系統(tǒng)時(shí)鐘的限制，采用這種方式所獲得的時(shí)鐘周期是不會(huì)超過(guò)55 ms的。同時(shí)這些常用的定時(shí)器事件也是由消息機(jī)制驅(qū)動(dòng)的，定時(shí)消息被放在消息隊(duì)列里與其他消息一起排隊(duì)，而定時(shí)消息的優(yōu)先權(quán)很低，一旦遇到系統(tǒng)比較忙時(shí)，就有可能在消息隊(duì)列里同時(shí)阻塞很多條定時(shí)消息。Windows系統(tǒng)對(duì)定時(shí)消息的處理是：當(dāng)在隊(duì)列中同時(shí)有幾條時(shí)間消息時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)丟棄其他的時(shí)間消息，而僅僅處理其中最后的一條定時(shí)消息。由此可見(jiàn)，利用系統(tǒng)提供的定時(shí)器只能處理一些對(duì)定時(shí)精度、實(shí)時(shí)控制要求不高的情況。另外也可以利用Windows操作系統(tǒng)中mmsystem．dll多媒體擴(kuò)展庫(kù)提供的定時(shí)器，它是利用設(shè)置定時(shí)器回調(diào)函數(shù)TimeSetEvent，定時(shí)時(shí)間一到，系統(tǒng)就會(huì)調(diào)用回調(diào)函數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)定時(shí)。定時(shí)回調(diào)函數(shù)是通過(guò)掛接定時(shí)中斷來(lái)實(shí)現(xiàn)的，從而避開操作系統(tǒng)的消息驅(qū)動(dòng)機(jī)制。采用這種方法最高可以獲得1 ms的定時(shí)精度。
1．2 利用系統(tǒng)定時(shí)中斷
    利用PC機(jī)中8254定芯片產(chǎn)生的中斷請(qǐng)求0獲得定時(shí)間隔。操作系統(tǒng)在工作時(shí)，工作時(shí)鐘主要由PC機(jī)的8254時(shí)鐘芯片提供。8254．共有三個(gè)獨(dú)立的16位計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)器0，1，2的地址分別是40H，41H和42H，43H是控制寄存器的端口地址。其中計(jì)數(shù)器0為日時(shí)鐘的中斷源，同時(shí)也是系統(tǒng)的定時(shí)中斷源。在系統(tǒng)加電后，：BIOS對(duì)8254初始化，設(shè)置計(jì)數(shù)器0的初值為0，脈沖輸出方式是方式3(輸出方波脈沖)。這樣，就可以在輸出端得到頻率為f=1．913 18 MHz／65 535=18．2 Hz(其中1．913 18 MHz是8254時(shí)鐘輸入端的輸入脈沖頻率，65 535是16位計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)寬度)的方波輸出脈沖作為輸出中斷頻率，即每隔55 ms提起一次中斷請(qǐng)求，CPU響應(yīng)后轉(zhuǎn)入日時(shí)鐘中斷處理程序，即中斷請(qǐng)求0的中斷服務(wù)程序。
    通過(guò)上面的分析，要想獲得高精度的定時(shí)時(shí)鐘，可以通過(guò)兩步實(shí)現(xiàn)：首先，根據(jù)需要修改8254計(jì)數(shù)器0的計(jì)數(shù)初值，從而改變計(jì)數(shù)器0的輸出時(shí)鐘中斷頻率。然后通過(guò)修改中斷請(qǐng)求0中斷服務(wù)程序的中斷地址，將中斷請(qǐng)求0掛接到中斷服務(wù)程序上。
    具體掛接中斷服務(wù)程序的辦法是通過(guò)編寫WDM驅(qū)動(dòng)程序，修改IDT(Interrupt Descriptor Table)中斷描述符表。IDT是定義硬件中斷映射的表，其工作原理類似于MS-DOS環(huán)境中的中斷向量表，它在內(nèi)存中的地址是從0000：0000開始，每個(gè)表項(xiàng)共占4個(gè)字節(jié)，共有8 192個(gè)中斷描述符，但是CPU能夠利用的只有前面的256個(gè)。在Windows 2000操作系統(tǒng)中這些IDT表項(xiàng)及其所對(duì)應(yīng)的中斷地址可以通過(guò)在SoftICE中執(zhí)行IDT指令顯示出來(lái)。當(dāng)中斷到來(lái)時(shí)，要執(zhí)行中斷服務(wù)程序，可以通過(guò)將IDT中8號(hào)中斷對(duì)應(yīng)的中斷服務(wù)例程地址改為中斷服務(wù)程序所在的地址。硬件中斷發(fā)生的時(shí)候，CPU就會(huì)直接把控制權(quán)交到IDT的相應(yīng)ISR中去運(yùn)行。
    通過(guò)修改8254．定時(shí)器0的定時(shí)初值，并掛接中斷服務(wù)程序，可以獲得一個(gè)穩(wěn)定的時(shí)鐘中斷。但是由于8254定時(shí)器除了提供系統(tǒng)的日時(shí)鐘中斷源外，還是系統(tǒng)工作的定時(shí)中斷源，當(dāng)把中斷請(qǐng)求0掛接到中斷服務(wù)程序上時(shí)，為確保系統(tǒng)穩(wěn)定工作，必須保存原來(lái)系統(tǒng)的中斷服務(wù)程序地址，當(dāng)8254計(jì)數(shù)器0的定時(shí)時(shí)間達(dá)到55 ms時(shí)，必須將中斷請(qǐng)求8的中斷服務(wù)程序地址恢復(fù)為原來(lái)的中斷服務(wù)程序地址，以完成系統(tǒng)定時(shí)需要。這種通過(guò)修改中斷服務(wù)程序地址的方法獲得高精度的定時(shí)中斷，由于涉及到系統(tǒng)工作的定時(shí)中斷源，一旦處理不當(dāng)，很容易使系統(tǒng)工作不穩(wěn)定，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成系統(tǒng)的崩潰。
1．3 通過(guò)對(duì)系統(tǒng)CMOS實(shí)時(shí)時(shí)鐘編程
    Windows 2000操作系統(tǒng)中要獲得高精度的定時(shí)中斷，可以通過(guò)修改CMOS實(shí)時(shí)時(shí)鐘的方法來(lái)獲得，即利用PC機(jī)的中斷請(qǐng)求8來(lái)獲得。在Pc機(jī)中都存在一個(gè)CMOS實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片，該時(shí)鐘由于采用的是獨(dú)立晶振、用獨(dú)立的電池供電，因此可以永不間斷地運(yùn)行。它的主要功能是為系統(tǒng)提供備用時(shí)鐘、三個(gè)可屏蔽的中斷和一個(gè)通用的中斷輸出、可編程方波發(fā)生器等。另外，它與操作系統(tǒng)相互獨(dú)立，修改它的定時(shí)中斷頻率對(duì)操作系統(tǒng)工作的影響不大，所以，通過(guò)修改CMOS中斷頻率的辦法可獲得與前面利用系統(tǒng)定時(shí)中斷相比較，更可靠、更穩(wěn)定的高精度定時(shí)時(shí)鐘中斷。
    PC機(jī)的CMOS實(shí)時(shí)時(shí)鐘一般采用MC146818芯片，該芯片上包含了一個(gè)實(shí)時(shí)時(shí)鐘和一個(gè)64 B的CMOS內(nèi)存。在這64個(gè)字節(jié)的內(nèi)存中0～0DH是與實(shí)時(shí)時(shí)鐘相關(guān)的信息，0E～3FH中包含的是關(guān)于計(jì)算機(jī)的硬件配置信息。其中CMOS內(nèi)存的地址口的地址為70H，數(shù)據(jù)口的地址為71H。實(shí)時(shí)時(shí)鐘有4個(gè)狀態(tài)寄存器A，B，C，D。其中寄存器A主要功能是用來(lái)開啟、關(guān)閉振蕩器，并選擇不同的輸出頻率，它的具體位定義如表1所示。寄存器B用來(lái)控制實(shí)時(shí)時(shí)鐘各種功能的使能狀態(tài)等。寄存器C與D是只讀寄存器，寄存器C主要是提供各種中斷狀態(tài)標(biāo)志位。因此，當(dāng)設(shè)置好A，B寄存器后，要想讀出CMOS內(nèi)存的數(shù)據(jù)，只需將要讀數(shù)據(jù)所在內(nèi)存地址送到70H，再?gòu)?1H中將數(shù)據(jù)讀出即可，向CMOS內(nèi)寫入數(shù)據(jù)的過(guò)程正好與上面的操作相反。

    表2列出了寄存器A的周期性中斷速率和方波輸出頻率，可以看到，通過(guò)修改CMOS實(shí)時(shí)時(shí)鐘的A寄存器選擇不同的方波輸出頻率，其最大輸出速率可達(dá)到122μs。與上面利用系統(tǒng)提供的中斷請(qǐng)求0相比較，IRQ0是每隔55 ms中斷一次，而IRQ8因?yàn)橛玫氖亲约旱木д?，中斷頻率則要高很多，軟件上的實(shí)現(xiàn)上同前面利用系統(tǒng)定時(shí)中斷中的方法相同，即通過(guò)編寫WDM驅(qū)動(dòng)程序，修改中斷描述表(IDT)，然后通過(guò)hook掛接中斷服務(wù)程序，從而搶先實(shí)現(xiàn)任務(wù)。

1．4 引入外部定時(shí)中斷
    在Windows 2000操作系統(tǒng)下要獲得高精度定時(shí)時(shí)鐘還可以通過(guò)引入外部定時(shí)時(shí)鐘的方法。即在PC機(jī)的外部提供一個(gè)高精度的時(shí)鐘，在PC機(jī)的內(nèi)部，在Windows 2000操作系統(tǒng)下，通過(guò)編寫WDM程序的方式來(lái)響應(yīng)這個(gè)外部的中斷。
    通過(guò)對(duì)這幾種實(shí)時(shí)控制方案解決方法的分析，可以看到，利用Windows系統(tǒng)提供的常規(guī)定時(shí)器及多媒體定時(shí)器，其定時(shí)精度太低，無(wú)法滿足數(shù)控系統(tǒng)對(duì)高精度定時(shí)時(shí)鐘的需求；利用系統(tǒng)的定時(shí)時(shí)鐘，一旦處理不當(dāng)，很容易使系統(tǒng)工作不穩(wěn)定，因此不適合于數(shù)控系統(tǒng)對(duì)控制可靠性的要求；通過(guò)修改CMOS實(shí)時(shí)時(shí)鐘的方法來(lái)獲得高精度的定時(shí)時(shí)鐘，因?yàn)槭艿捷斎刖д耦l率的限制，其最大輸出頻率也只能可達(dá)到122μs，仍然無(wú)法滿足數(shù)控系統(tǒng)對(duì)較高加工速度的要求。
    綜合以上原因，本文提出通過(guò)ISA總線引入外部時(shí)鐘的方法來(lái)獲得高精度、穩(wěn)定的定時(shí)中斷。在程序上通過(guò)編寫WDM驅(qū)動(dòng)程序來(lái)響應(yīng)該時(shí)鐘中斷。利用這種方法完全避開了依靠操作系統(tǒng)提供的中斷的弊端。采用這種方法有兩點(diǎn)好處：首先，利用外部提供的時(shí)鐘，其時(shí)鐘的頻率可以根據(jù)實(shí)際的需要提供，也就是說(shuō)可以靈活地提供所需要的任何頻率的定時(shí)時(shí)鐘。其次，利用外部定時(shí)中斷提供高精度的定時(shí)時(shí)鐘與利用PC機(jī)系統(tǒng)提供的定時(shí)時(shí)鐘相比較，可避免使用不當(dāng)而導(dǎo)致的系統(tǒng)工作不穩(wěn)定。

2 線接觸加工數(shù)控系統(tǒng)高精度定時(shí)時(shí)鐘的解決
    通過(guò)對(duì)Windows操作系統(tǒng)下高精度定時(shí)時(shí)鐘引入方法的分析，采用了第四種方法，即通過(guò)引入外部定時(shí)時(shí)鐘中斷的方法，在操作系統(tǒng)的內(nèi)部通過(guò)編寫系統(tǒng)WDM程序來(lái)響應(yīng)這個(gè)外部中斷。圖1是線接觸加工數(shù)控系統(tǒng)高精度定時(shí)時(shí)鐘解決方法的方框圖，即在PC機(jī)的外部提供一個(gè)高精度的定時(shí)中斷源，在PC機(jī)一側(cè)則是利用ISA總線通過(guò)中斷IRQ5接入PC機(jī)，在Windows操作系統(tǒng)內(nèi)部通過(guò)WDM程序響應(yīng)這個(gè)外部中斷。

    為了方便試驗(yàn)以及測(cè)試需要，選用了華邦公司生產(chǎn)的W77E58單片機(jī)來(lái)產(chǎn)生不同頻率的時(shí)鐘。W77E58是與Intel51系列單片機(jī)完全兼容的8位單片機(jī)，但是它比51系列單片機(jī)的工作速度更快。該單片機(jī)一個(gè)機(jī)器周期僅需要4個(gè)時(shí)鐘周期，外接晶振最高頻率為40 MHz。經(jīng)計(jì)算這種單片機(jī)的單周期指令僅需要O.1μs，通過(guò)如下的循環(huán)指令很容易就實(shí)現(xiàn)1μs的定時(shí)周期。

   
    輸出的中斷脈沖如圖2所示。在上面的循環(huán)指令中插入適當(dāng)個(gè)數(shù)的Nop指令便可以得到一系列小于1 MHz時(shí)鐘的輸出脈沖。

    將上面輸出的方波脈沖作為外部中斷經(jīng)過(guò)ISA總線連接至中斷請(qǐng)求IRQ5以此作為線接觸加工數(shù)控系統(tǒng)的基準(zhǔn)中斷時(shí)鐘。為了試驗(yàn)的需要，本文將單片機(jī)輸出的時(shí)鐘連接到了ISA總線的幾個(gè)不同的中斷上，并另外做了一個(gè)小的鍵盤用來(lái)選擇ISA總線上不同頻率的時(shí)鐘源。
    為了能夠使系統(tǒng)實(shí)時(shí)響應(yīng)外部的IRQ5中斷，必須通過(guò)編寫Windows操作系統(tǒng)下的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。WDM驅(qū)動(dòng)程序是*．sys系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)程序。在WDM程序中對(duì)中斷的響應(yīng)可以通過(guò)下面的方法實(shí)現(xiàn)：

    該WDM設(shè)備程序是非即插即用的ISA驅(qū)動(dòng)程序，因此驅(qū)動(dòng)程序的資源分配必須在．inf文件中進(jìn)行。線接觸加工數(shù)控系統(tǒng)對(duì)資源的分配是在．inf文件的資源分配中按下面的方式分配端口資源和中斷資源的：

   

3 結(jié) 語(yǔ)
    在Windows操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)理論的基礎(chǔ)上，研究了Windows 2000操作系統(tǒng)下實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)性控制的幾種解決方案，并對(duì)這幾種方案進(jìn)行了具體的分析比較，最后提出了適合于數(shù)控系統(tǒng)的最優(yōu)的實(shí)時(shí)控制方案——引入外部定時(shí)中斷的方式，并具體研究了此方法的實(shí)現(xiàn)過(guò)程，同時(shí)用實(shí)驗(yàn)手段驗(yàn)證了線接觸加工數(shù)控系統(tǒng)，最終實(shí)現(xiàn)了控制系統(tǒng)的極限加工進(jìn)給速度可達(dá)到1 500 mm／min，系統(tǒng)的最小脈沖當(dāng)量是O.037 μm。