基于Windows的線接觸加工數(shù)控系統(tǒng)實時性研究
數(shù)控系統(tǒng)是一種典型的工業(yè)控制軟件，其系統(tǒng)的實時檢測以及控制時序都需要時間基準(zhǔn)。盡管Windows操作系統(tǒng)因其具有強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，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)先級來調(diào)度任務(wù)的，無法立即響應(yīng)外部事件的中斷，因此也就不能滿足工業(yè)應(yīng)用環(huán)境中實時事件處理和實時控制應(yīng)用的要求，因此如何在Windows環(huán)境下實現(xiàn)實時控制是實現(xiàn)大多數(shù)實時系統(tǒng)的關(guān)鍵。本文歸納了Windows環(huán)境下實時操作系統(tǒng)實現(xiàn)的幾種方案，并通過分析比較，提出了線接觸加工數(shù)控系統(tǒng)中實時控制的解決方案——引入外部高精度的定時時鐘，在Windows環(huán)境中編寫WDM程序來響應(yīng)高精度定時時鐘，從而實現(xiàn)線接觸加工數(shù)控系統(tǒng)的強實時控制問題。
1 Windows 2000操作系統(tǒng)進行實時控制的解決方案
在Windows 2000操作系統(tǒng)環(huán)境中進行實時控制時，根據(jù)對定時精度以及實時性要求不同，通?？刹捎靡韵聨追N方法。
1．1 利用Windows系統(tǒng)提供的常規(guī)定時器及多媒體定時器
PC機中，最小的定時間隔是55 ms申請一次中斷請求。在一般的應(yīng)用軟件開發(fā)平臺上都提供了一個具有定時功能的Timer控件用于響應(yīng)這個中斷，如C++Builder中的Timer控件，用戶可以通過Windows提供的API函數(shù)SetTimer和KillTimer來實現(xiàn)定時，但是由于系統(tǒng)時鐘的限制，采用這種方式所獲得的時鐘周期是不會超過55 ms的。同時這些常用的定時器事件也是由消息機制驅(qū)動的，定時消息被放在消息隊列里與其他消息一起排隊，而定時消息的優(yōu)先權(quán)很低，一旦遇到系統(tǒng)比較忙時，就有可能在消息隊列里同時阻塞很多條定時消息。Windows系統(tǒng)對定時消息的處理是：當(dāng)在隊列中同時有幾條時間消息時，系統(tǒng)就會丟棄其他的時間消息，而僅僅處理其中最后的一條定時消息。由此可見，利用系統(tǒng)提供的定時器只能處理一些對定時精度、實時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多媒體擴展庫提供的定時器，它是利用設(shè)置定時器回調(diào)函數(shù)TimeSetEvent，定時時間一到，系統(tǒng)就會調(diào)用回調(diào)函數(shù)，從而實現(xiàn)定時。定時回調(diào)函數(shù)是通過掛接定時中斷來實現(xiàn)的，從而避開操作系統(tǒng)的消息驅(qū)動機制。采用這種方法最高可以獲得1 ms的定時精度。
1．2 利用系統(tǒng)定時中斷
利用PC機中8254定芯片產(chǎn)生的中斷請求0獲得定時間隔。操作系統(tǒng)在工作時，工作時鐘主要由PC機的8254時鐘芯片提供。8254．共有三個獨立的16位計數(shù)器，計數(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。其中計數(shù)器0為日時鐘的中斷源，同時也是系統(tǒng)的定時中斷源。在系統(tǒng)加電后，：BIOS對8254初始化，設(shè)置計數(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時鐘輸入端的輸入脈沖頻率，65 535是16位計數(shù)器的計數(shù)寬度)的方波輸出脈沖作為輸出中斷頻率，即每隔55 ms提起一次中斷請求，CPU響應(yīng)后轉(zhuǎn)入日時鐘中斷處理程序，即中斷請求0的中斷服務(wù)程序。
通過上面的分析，要想獲得高精度的定時時鐘，可以通過兩步實現(xiàn)：首先，根據(jù)需要修改8254計數(shù)器0的計數(shù)初值，從而改變計數(shù)器0的輸出時鐘中斷頻率。然后通過修改中斷請求0中斷服務(wù)程序的中斷地址，將中斷請求0掛接到中斷服務(wù)程序上。
具體掛接中斷服務(wù)程序的辦法是通過編寫WDM驅(qū)動程序，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，每個表項共占4個字節(jié)，共有8 192個中斷描述符，但是CPU能夠利用的只有前面的256個。在Windows 2000操作系統(tǒng)中這些IDT表項及其所對應(yīng)的中斷地址可以通過在SoftICE中執(zhí)行IDT指令顯示出來。當(dāng)中斷到來時，要執(zhí)行中斷服務(wù)程序，可以通過將IDT中8號中斷對應(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)生的時候，CPU就會直接把控制權(quán)交到IDT的相應(yīng)ISR中去運行。
通過修改8254．定時器0的定時初值，并掛接中斷服務(wù)程序，可以獲得一個穩(wěn)定的時鐘中斷。但是由于8254定時器除了提供系統(tǒng)的日時鐘中斷源外，還是系統(tǒng)工作的定時中斷源，當(dāng)把中斷請求0掛接到中斷服務(wù)程序上時，為確保系統(tǒng)穩(wěn)定工作，必須保存原來系統(tǒng)的中斷服務(wù)程序地址，當(dāng)8254計數(shù)器0的定時時間達到55 ms時，必須將中斷請求8的中斷服務(wù)程序地址恢復(fù)為原來的中斷服務(wù)程序地址，以完成系統(tǒng)定時需要。這種通過修改中斷服務(wù)程序地址的方法獲得高精度的定時中斷，由于涉及到系統(tǒng)工作的定時中斷源，一旦處理不當(dāng)，很容易使系統(tǒng)工作不穩(wěn)定，嚴(yán)重時會造成系統(tǒng)的崩潰。
1．3 通過對系統(tǒng)CMOS實時時鐘編程
Windows 2000操作系統(tǒng)中要獲得高精度的定時中斷，可以通過修改CMOS實時時鐘的方法來獲得，即利用PC機的中斷請求8來獲得。在Pc機中都存在一個CMOS實時時鐘芯片，該時鐘由于采用的是獨立晶振、用獨立的電池供電，因此可以永不間斷地運行。它的主要功能是為系統(tǒng)提供備用時鐘、三個可屏蔽的中斷和一個通用的中斷輸出、可編程方波發(fā)生器等。另外，它與操作系統(tǒng)相互獨立，修改它的定時中斷頻率對操作系統(tǒng)工作的影響不大，所以，通過修改CMOS中斷頻率的辦法可獲得與前面利用系統(tǒng)定時中斷相比較，更可靠、更穩(wěn)定的高精度定時時鐘中斷。
PC機的CMOS實時時鐘一般采用MC146818芯片，該芯片上包含了一個實時時鐘和一個64 B的CMOS內(nèi)存。在這64個字節(jié)的內(nèi)存中0～0DH是與實時時鐘相關(guān)的信息，0E～3FH中包含的是關(guān)于計算機的硬件配置信息。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。實時時鐘有4個狀態(tài)寄存器A，B，C，D。其中寄存器A主要功能是用來開啟、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用來控制實時時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，再從71H中將數(shù)據(jù)讀出即可，向CMOS內(nèi)寫入數(shù)據(jù)的過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，通過修改CMOS實時時鐘的A寄存器選擇不同的方波輸出頻率，其最大輸出速率可達到122μs。與上面利用系統(tǒng)提供的中斷請求0相比較，IRQ0是每隔55 ms中斷一次，而IRQ8因為用的是自己的晶振，中斷頻率則要高很多，軟件上的實現(xiàn)上同前面利用系統(tǒng)定時中斷中的方法相同，即通過編寫WDM驅(qū)動程序，修改中斷描述表(IDT)，然后通過hook掛接中斷服務(wù)程序，從而搶先實現(xiàn)任務(wù)。[!--empirenews.page--]
1．4 引入外部定時中斷
在Windows 2000操作系統(tǒng)下要獲得高精度定時時鐘還可以通過引入外部定時時鐘的方法。即在PC機的外部提供一個高精度的時鐘，在PC機的內(nèi)部，在Windows 2000操作系統(tǒng)下，通過編寫WDM程序的方式來響應(yīng)這個外部的中斷。
通過對這幾種實時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)定時器及多媒體定時器，其定時精度太低，無法滿足數(shù)控系統(tǒng)對高精度定時時鐘的需求；利用系統(tǒng)的定時時鐘，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)對控制可靠性的要求；通過修改CMOS實時時鐘的方法來獲得高精度的定時時鐘，因為受到輸入晶振頻率的限制，其最大輸出頻率也只能可達到122μs，仍然無法滿足數(shù)控系統(tǒng)對較高加工速度的要求。
綜合以上原因，本文提出通過ISA總線引入外部時鐘的方法來獲得高精度、穩(wěn)定的定時中斷。在程序上通過編寫WDM驅(qū)動程序來響應(yīng)該時鐘中斷。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好處：首先，利用外部提供的時鐘，其時鐘的頻率可以根據(jù)實際的需要提供，也就是說可以靈活地提供所需要的任何頻率的定時時鐘。其次，利用外部定時中斷提供高精度的定時時鐘與利用PC機系統(tǒng)提供的定時時鐘相比較，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)高精度定時時鐘的解決
通過對Windows操作系統(tǒng)下高精度定時時鐘引入方法的分析，采用了第四種方法，即通過引入外部定時時鐘中斷的方法，在操作系統(tǒng)的內(nèi)部通過編寫系統(tǒng)WDM程序來響應(yīng)這個外部中斷。圖1是線接觸加工數(shù)控系統(tǒng)高精度定時時鐘解決方法的方框圖，即在PC機的外部提供一個高精度的定時中斷源，在PC機一側(cè)則是利用ISA總線通過中斷IRQ5接入PC機，在Windows操作系統(tǒng)內(nèi)部通過WDM程序響應(yīng)這個外部中斷。
為了方便試驗以及測試需要，選用了華邦公司生產(chǎn)的W77E58單片機來產(chǎn)生不同頻率的時鐘。W77E58是與Intel51系列單片機完全兼容的8位單片機，但是它比51系列單片機的工作速度更快。該單片機一個機器周期僅需要4個時鐘周期，外接晶振最高頻率為40 MHz。經(jīng)計算這種單片機的單周期指令僅需要O.1μs，通過如下的循環(huán)指令很容易就實現(xiàn)1μs的定時周期。
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)個數(shù)的Nop指令便可以得到一系列小于1 MHz時鐘的輸出脈沖。
將上面輸出的方波脈沖作為外部中斷經(jīng)過ISA總線連接至中斷請求IRQ5以此作為線接觸加工數(shù)控系統(tǒng)的基準(zhǔn)中斷時鐘。為了試驗的需要，本文將單片機輸出的時鐘連接到了ISA總線的幾個不同的中斷上，并另外做了一個小的鍵盤用來選擇ISA總線上不同頻率的時鐘源。
為了能夠使系統(tǒng)實時響應(yīng)外部的IRQ5中斷，必須通過編寫Windows操作系統(tǒng)下的設(shè)備驅(qū)動程序。WDM驅(qū)動程序是*．sys系統(tǒng)驅(qū)動程序。在WDM程序中對中斷的響應(yīng)可以通過下面的方法實現(xiàn)：
該WDM設(shè)備程序是非即插即用的ISA驅(qū)動程序，因此驅(qū)動程序的資源分配必須在．inf文件中進行。線接觸加工數(shù)控系統(tǒng)對資源的分配是在．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
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)下實現(xiàn)實時性控制的幾種解決方案，并對這幾種方案進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)的實時控制方案——引入外部定時中斷的方式，并具體研究了此方法的實現(xiàn)過程，同時用實驗手段驗證了線接觸加工數(shù)控系統(tǒng)，最終實現(xiàn)了控制系統(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(dāng)量是O.037 μm。
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