基于WindowsCE的激光切割機開放式數(shù)控系統(tǒng)的研究（1）

0.前言

　　WindowsCE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Windows95/98、WindowsNT不同的是，WindowsCE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Windows95/98，但WindowsCE是基于Win32API重新開發(fā)的、新型的信息設(shè)備平臺。WindowsCE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WindowsCE.NET后，其性能有了更進一步的提高，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，WindowsCE.NET是運行于保護模式的多線程32位操作系統(tǒng)，特別適合數(shù)控系統(tǒng)的多任務(wù)并行機制，而它的內(nèi)存保護功能對于數(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)，WindowsCE.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)用程序進行處理[3]，因此它可以滿足數(shù)控系統(tǒng)的實時性要求。Win2dowsCE.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，WindowsCE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.WindowsCE系統(tǒng)開發(fā)平臺的定制

　　為了使用戶可以方便的將WindowsCE轉(zhuǎn)向一個新的硬件平臺，微軟提供了完整的開發(fā)工具platformbuilder4.2，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)?PlatformWizard)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1WindowsCE系統(tǒng)平臺定制示意圖

　　要創(chuàng)建一個基于WindowsCE.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WindowsCE平臺。②使用平臺向?qū)?PlatformWizard)中備選的設(shè)備及目錄中所列舉的特征對平臺進行定制。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WindowsCE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。Plat2formBuilder支持基于PC機的硬件開發(fā)平臺(CEPC)，CEPC是最靈活的WindowsCE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)控激光切割機的組成

　　圖2激光加工系統(tǒng)示意圖

　　數(shù)控激光切割機由激光切割機主機、CO2激光器、水冷機、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，而激光切割機主機則是實現(xiàn)激光進行優(yōu)質(zhì)切割的載體。所以，對數(shù)控激光切割機主機的開發(fā)設(shè)計顯得尤為重要。

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

　　隨著近年來計算機技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)PC機和模塊化的集成電路逐漸進入數(shù)控領(lǐng)域，PC機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WindowsCE強大的圖形界面功能、多線程機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、擴充和維護。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。