詳解基于Windows CE的激光切割機(jī)開放式數(shù)控系統(tǒng)的研究

前言

Windows CE是微軟公司開發(fā)的一個開放、可升級的32位嵌入式操作系統(tǒng)。與Windows 95 /98、WindowsNT不同的是，Windows CE是所有源代碼全部由微軟自行開發(fā)的嵌入式新型操作系統(tǒng)、其操作界面雖來源于Windows 95 /98，但Windows CE是基于Win32 AP I重新開發(fā)的、新型的信息設(shè)備平臺。Windows CE具有模塊化、結(jié)構(gòu)化和基于Win32應(yīng)用程序接口以及與處理器無關(guān)等特點[ 1 ] 。微軟在2002 年推出了新一代Windows CE. NET后，其性能有了更進(jìn)一步的提高，支持藍(lán)牙技術(shù)、支持TCP / IPv6，并在實時多任務(wù)控制領(lǐng)域得到了成功的應(yīng)用[ 2 ]。相對于DOS，Windows CE. NET是運行于保護(hù)模式的多線程32位操作系統(tǒng)，特別適合數(shù)控系統(tǒng)的多任務(wù)并行機(jī)制，而它的內(nèi)存保護(hù)功能對于數(shù)控系統(tǒng)的穩(wěn)定性具有重要意義： 相對Windows桌面操作系統(tǒng)，Windows CE. NET是嵌入式實時操作系統(tǒng)，其獨特體系結(jié)構(gòu)和運行機(jī)制使其能夠快速響應(yīng)外部中斷觸發(fā)，并調(diào)度相關(guān)應(yīng)用程序進(jìn)行處理[ 3 ] ，因此它可以滿足數(shù)控系統(tǒng)的實時性要求。Win2dows CE. NET是一個實時操作系統(tǒng)，它提供了實時開發(fā)所需的重要技術(shù)，其中包括:

(1) 256級線程優(yōu)先權(quán)為在嵌入式系統(tǒng)內(nèi)控制

線程時序提供更大的靈活性。

(2)中斷嵌套允許更高優(yōu)先級的中斷立刻被執(zhí)行而不必等到較低優(yōu)先級的中斷服務(wù)程序執(zhí)行完畢。內(nèi)核能嵌套CPU所支持的全部數(shù)量的中斷服務(wù)程序。

(3)每一線程的時間片允許應(yīng)用程序在多線程原則上設(shè)置時間片，這就意味著能夠使調(diào)度程序適應(yīng)應(yīng)用程序的當(dāng)前要求。

(4)優(yōu)先權(quán)倒置是指當(dāng)兩個線程競爭同一個資源時，資源被低優(yōu)先級的線程占用而拖延了高優(yōu)先級線程的執(zhí)行的情形。為了糾正這種情形并釋放高優(yōu)先級的線程，Windows CE允許低優(yōu)先級線程繼承更加緊急的線程優(yōu)先級并且以更高的優(yōu)先級來運行直到它釋放它所占用的資源。

1.Windows CE系統(tǒng)開發(fā)平臺的定制

為了使用戶可以方便的將Windows CE轉(zhuǎn)向一個新的硬件平臺，微軟提供了完整的開發(fā)工具p latformbuilder 4. 2，它包括了一些必需的工具，以便開發(fā)人員可以為組件化的操作系統(tǒng)版本創(chuàng)建特定平臺的軟件開發(fā)包( SDK) 。平臺向?qū)? Platform Wizard)允許開發(fā)人員根據(jù)將要創(chuàng)建設(shè)備的類型簡便快捷地建立新的平臺，參見圖1。

圖1Windows CE系統(tǒng)平臺定制示意圖

要創(chuàng)建一個基于Windows CE. NET的操作系統(tǒng)平臺，必須經(jīng)過下面幾個步驟: ①選擇一個標(biāo)準(zhǔn)的開發(fā)板( SDB ) 來創(chuàng)建Windows CE 平臺。②使用平臺向?qū)?Platform Wizard)中備選的設(shè)備及目錄中所列舉的特征對平臺進(jìn)行定制。③Build 并生成鏡像文件( im2age) 。④將平臺下載到目標(biāo)設(shè)備，調(diào)試平臺。⑤平臺創(chuàng)建完畢，輸出軟件開發(fā)工具包( SDK) 。

定制平臺時，用戶可以開發(fā)自己的OEM硬件適配層(OAL) ，OAL是處于Windows CE系統(tǒng)內(nèi)核與目標(biāo)設(shè)備硬件之間，用來抽象硬件功能的連接層，實現(xiàn)操作系統(tǒng)的可移植性。OEM硬件適配層分為OEM抽象層和設(shè)備驅(qū)動程序兩部分。

硬件開發(fā)平臺是用于模擬嵌入式系統(tǒng)設(shè)備的目標(biāo)設(shè)備，可用于開發(fā)、調(diào)試和驗證定制平臺的性能。Plat2form Builder支持基于PC機(jī)的硬件開發(fā)平臺(CEPC) ，CEPC是最靈活的Windows CE設(shè)備，很適用于嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)調(diào)試階段。

2.開放式激光切割機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的總體設(shè)計和實現(xiàn)

2.1數(shù)控激光切割機(jī)的組成

圖2 激光加工系統(tǒng)示意圖

數(shù)控激光切割機(jī)由激光切割機(jī)主機(jī)、CO2激光器、水冷機(jī)、外光路系統(tǒng)、數(shù)控系統(tǒng)及自動編程軟件等組成[ 4 ] (見圖2) 。其中激光器及外光路系統(tǒng)是數(shù)控激光切割機(jī)的關(guān)鍵配套部件，其性能指標(biāo)將直接影響激光切割板材的切割質(zhì)量，而激光切割機(jī)主機(jī)則是實現(xiàn)激光進(jìn)行優(yōu)質(zhì)切割的載體。所以，對數(shù)控激光切割機(jī)主機(jī)的開發(fā)設(shè)計顯得尤為重要。

2.2基于工業(yè)PC機(jī)的開放式數(shù)控系統(tǒng)的分析與構(gòu)造

隨著近年來計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)PC機(jī)和模塊化的集成電路逐漸進(jìn)入數(shù)控領(lǐng)域， PC機(jī)以其特有的開放性成為開放式數(shù)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)，它豐富了數(shù)控系統(tǒng)的硬、軟件資源，有利于實現(xiàn)總線式、模塊化、開放化的數(shù)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用流行的操作系統(tǒng)平臺作支撐，采用標(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)了良好的開放性能，同時又具有方便、靈活的特點。同時充分利用Windows CE強大的圖形界面功能、多線程機(jī)制和多媒體定時器來解決數(shù)控軟件的實時多任務(wù)處理能力，其良好的軟硬件兼容能力能夠?qū)崿F(xiàn)建立在標(biāo)準(zhǔn)總線基礎(chǔ)上的模塊化開放式數(shù)控系統(tǒng)。開放式數(shù)控系統(tǒng)可采用分層的體系結(jié)構(gòu)，如圖3所示。各層之間實現(xiàn)隔離，層與層之間通過標(biāo)準(zhǔn)的接口進(jìn)行通訊，實現(xiàn)了開放式控制系統(tǒng)應(yīng)有的分層體系結(jié)構(gòu)，使數(shù)控軟件易于組裝、擴(kuò)充和維護(hù)。第一層為管理層。它是系統(tǒng)的界面部分，可完成系統(tǒng)的管理、顯示、診斷和監(jiān)控。通過響應(yīng)狀態(tài)選擇控件產(chǎn)生的不同消息來進(jìn)行不同界面之間的切換，其調(diào)用操作由操作系統(tǒng)管理完成。

第二層為功能單元層。它是系統(tǒng)的控制部分，包括代碼生成、編譯解釋、插補運算和運動控制， I/O 處理和數(shù)據(jù)采集等，是相對獨立的功能單元。它們之間通過在軟件中建立的多個數(shù)據(jù)緩沖器來進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)交換。譯碼可將數(shù)控指令解釋成為系統(tǒng)內(nèi)部的數(shù)據(jù)格式，插補運算完成數(shù)據(jù)插補產(chǎn)生加工數(shù)據(jù)、速度處理和輔助功能設(shè)備控制。運動控制程序完成位置伺服的控制。I/O信號處理模塊接收各種按鍵的輸入，轉(zhuǎn)化為程序變量或系統(tǒng)消息以供操作。數(shù)據(jù)采集模塊負(fù)責(zé)采集各運動軸的信息和A /D信號，用于實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時顯示、實時控制等功能。

第三層為支撐層，包括運動控制卡、運動控制器的設(shè)備驅(qū)動程序、I/O卡和工業(yè)PC機(jī)。[!--empirenews.page--]

2.3 開放式數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

圖4示出了采用PMAC運動控制器構(gòu)造的激光切割機(jī)開放式數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

圖4激光切割機(jī)控制系統(tǒng)圖

3.數(shù)控系統(tǒng)軟件的設(shè)計與實現(xiàn)

3.1 基于Windows CE的數(shù)控系統(tǒng)軟件的總體結(jié)構(gòu)

在已有的同類數(shù)控系統(tǒng)中，大多數(shù)系統(tǒng)是基于DOS環(huán)境的，其綜合性能相對于Windows環(huán)境就弱一些，尤其是人機(jī)交互界面、多任務(wù)以及開放性方面比較差。主從計算機(jī)間的實時信息交換通訊是實現(xiàn)上下位機(jī)間協(xié)調(diào)工作的關(guān)鍵。本數(shù)控系統(tǒng)在實時性要求方面與機(jī)器人控制相似，如果使用Windows中專用的定時器控件Timer，雖然使用很方便，可以實現(xiàn)一定的定時功能，但最小計時精度僅為55ms，且定時器消息在多任務(wù)操作系統(tǒng)中的優(yōu)先級很低，不能得到及時響應(yīng)，無法滿足實時控制環(huán)境下的應(yīng)用。所以考慮使用精度更高的多媒體定時器，它可以實現(xiàn)精度為1ms的高精度定時，可以滿足本系統(tǒng)的實時性要求。多媒體定時器不依賴于消息機(jī)制，而是由函數(shù)TimerSetEvent ( )產(chǎn)生一個獨立的線程，在一定的中斷次數(shù)到達(dá)后，直接調(diào)用預(yù)先設(shè)置好的回調(diào)函數(shù)進(jìn)行處理，而不必等到應(yīng)用程序的消息隊列為空。因而設(shè)置該回調(diào)函數(shù)來完成周期掃描I/O卡的輸入端口，以及向系統(tǒng)定時發(fā)送消息，使其及時更新界面和界面中的數(shù)據(jù)。為提高系統(tǒng)的可靠性，多媒體定時器在整個控制程序初始化時開啟，并在系統(tǒng)退出時刪除定時器以釋放系統(tǒng)資源。每一個Windows應(yīng)用程序都是一個進(jìn)程，并由線程來負(fù)責(zé)執(zhí)行包含在進(jìn)程地址空間中的代碼。實際上，每個進(jìn)程可以擁有多個線程，它們在進(jìn)程的地址空間中“同時地”執(zhí)行代碼。本數(shù)控系統(tǒng)軟件中，采用了前后臺型的多線程結(jié)構(gòu)形式。前臺程序由系統(tǒng)主線程和定時器控制，主要完成界面管理、功能控制、系統(tǒng)管理等，并負(fù)責(zé)響應(yīng)按鍵與界面輸入的數(shù)據(jù)，即實現(xiàn)管理層的功能。后臺程序放在輔助線程中，負(fù)責(zé)進(jìn)行數(shù)控代碼的編譯處理，向PMAC發(fā)送命令以及實時數(shù)據(jù)采集，實現(xiàn)了控制層的功能。

3.2 G代碼轉(zhuǎn)換模塊的實現(xiàn)

為了使PMAC控制卡兼容G代碼指令，專門開發(fā)了G代碼編譯轉(zhuǎn)換模塊，大大提高該控制系統(tǒng)的開放性和兼容性，為熟悉G代碼編程的用戶提供了方便。本編譯模塊使用了多線程的方法。多線程的應(yīng)用使程序的并行處理得以實現(xiàn)，多線程使得不同的代碼可以“同時”執(zhí)行。本模塊采用了工作者線程，其適用于處理后臺任務(wù)，而不影響用戶對應(yīng)用程序的使用。工作者線程僅僅由一個函數(shù)體實現(xiàn)，其實現(xiàn)簡單，便于編程者控制，與事件同步方法相配合能對中止消息做出較快反應(yīng)。事件同步是通過將事件自身設(shè)置為有信號或無信號來通知其它線程的某一操作已完成或尚未完成，其設(shè)置可由編程人員手工完成，適合于工控程序應(yīng)用。

與之相對應(yīng)，本模塊具有一個主線程和兩個子線程，其中一個子線程為通信線程，另一個為計算線程。主線程是Windows下每個應(yīng)用程序都具備的，負(fù)責(zé)線程間的同步、向計算線程和通信線程傳遞參數(shù)、管理人機(jī)界面、接收用戶輸入等功能。通信線程通過通信端口(本程序涉及的是PCI接口)負(fù)責(zé)與下端的設(shè)備進(jìn)行通信并交換數(shù)據(jù)。計算線程負(fù)責(zé)核心算法的實現(xiàn)，根據(jù)系統(tǒng)的不同完成不同的數(shù)據(jù)處理任務(wù)。程序結(jié)構(gòu)如圖5。

圖5多線程結(jié)構(gòu)示意圖

4.結(jié)論

Windows CE以其良好的實時性和對多線程的支持，為實現(xiàn)總線式、模塊化、開放式的數(shù)控系統(tǒng)提供了便利。隨著Windows CE. NET系統(tǒng)的不斷完善， PC機(jī)速度的不斷升級，其可以應(yīng)用的軟硬件資源不斷發(fā)展，開放式數(shù)控系統(tǒng)必將受到國內(nèi)外的普遍關(guān)注。