當(dāng)今，PC數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要利用Pc機作為軟硬件平臺，以通用操作系統(tǒng)實現(xiàn)弱實時任務(wù)，在總線上連接專用運動控制卡實現(xiàn)數(shù)控強實時任務(wù)，這種PC+運動控制卡為體系結(jié)構(gòu)組件的數(shù)控系統(tǒng)其開放性在于運動控制器有適合PC機開發(fā)的軟件包，但運動控制器的生產(chǎn)并沒有國際統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，開放程度仍然有局限性。隨著PC機性能的提高和數(shù)控技術(shù)的不斷發(fā)展，PC+I/O軟件化體系結(jié)構(gòu)將是未來數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展方向，利用PC機本身的開放性，將數(shù)控裝置的處理任務(wù)全部納入Pc機中，通過軟件算法實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)多任務(wù)實時控制。

    文獻(xiàn)[1]分析過Windows系統(tǒng)內(nèi)核結(jié)構(gòu)及其實時性方面的局限性。本文利用RTX6．0(試用版)實時擴(kuò)展來解決Windows XP系統(tǒng)在開發(fā)數(shù)控軟件中實時性不足這一難題，將強實時性的插補計算、位置控制等工作在RTSS進(jìn)程中；將實時性不強的代碼顯示、圖形仿真、系統(tǒng)狀態(tài)等工作在Win32進(jìn)程中，開發(fā)出一種基于Windows XP+RTX為軟件平臺的原型PC數(shù)控軟件，全部通過軟件算法實現(xiàn)了數(shù)控系統(tǒng)中主要功能，可以大大地提高系統(tǒng)的開放性和可擴(kuò)展性。

1 軟件體系結(jié)構(gòu)設(shè)計

    為了充分發(fā)揮WindowsXP弱實時性能和界面方面的強大優(yōu)勢，以及利用實時擴(kuò)展作為底層實時控制開發(fā)，設(shè)計的軟件體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

    采用VC++6．0為開發(fā)工具，首先建立一個MFCAppWizard工程來作為Win32進(jìn)程環(huán)境，然后建立一個RTX AppWizard工程來作為RTSS進(jìn)程環(huán)境，按照文獻(xiàn)[2]進(jìn)行相關(guān)設(shè)置，在Win32工程下利用Cre—ateProcess()進(jìn)行調(diào)用RTSS進(jìn)程編譯生成的．rtss文件，此時完成兩個進(jìn)程的建立，進(jìn)程間采用共享內(nèi)存機制進(jìn)行通信。

整個軟件采用模塊化設(shè)計，各模塊間通過接口建立通信，信息流程如圖2所示。

2 定時器線程任務(wù)調(diào)度方法

    在RTSS進(jìn)程中，創(chuàng)建的定時器本質(zhì)上是一個隱含的線程，在RTSS主線程，創(chuàng)建插補定時器線程，插補周期為2 m8，優(yōu)先級設(shè)定為RT—PRIORITY—MAX一2；創(chuàng)建位置控制定時器，位置周期為100爐，優(yōu)先級設(shè)定為RT—PRIORITY—MAX；創(chuàng)建任務(wù)協(xié)調(diào)定時器，主要是數(shù)據(jù)交換刷新工作，周期為20 ms，優(yōu)先級設(shè)定為RT_PRIORITY—MAX一10。創(chuàng)建好定時器線程后，RTSS進(jìn)程會嚴(yán)格按照搶占式優(yōu)先級調(diào)用策略進(jìn)行運行，但是在數(shù)控軟件中，插補和位置控制都是強實時任務(wù)，其中插補計算結(jié)果是供位控使用，算法復(fù)雜，運行時間長；位置控制運算簡單，其實時性要求最高，當(dāng)位控定時器產(chǎn)生中斷時，CPU將立即放棄現(xiàn)有的任務(wù)，轉(zhuǎn)入執(zhí)行位控任務(wù)，這就需要上一個插補周期數(shù)據(jù)必須在本位控周期到來前計算完成，為了解決這一問題，本文在RTSS進(jìn)程下設(shè)計了插補線程超前位控線程啟動，采用共享內(nèi)存建立插補緩沖區(qū)舊。進(jìn)行兩者數(shù)據(jù)傳遞。

    圖3所示為其調(diào)用過程，定義指向緩沖區(qū)的指針pInterpbuf，每次插補計算結(jié)果通過pInterpbuf一>interpbuf[pInterpbuf->interpline]存人數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中。當(dāng)執(zhí)行幾個周期后才啟動位控例程，此時位控線程啟動，將通過pInterpbuf->interpbuf[pInterpbuf->posline]進(jìn)入緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù)。為了減少緩沖區(qū)空間大小，位控讀走首行數(shù)據(jù)后將通過循環(huán)將interpbuf數(shù)組中的數(shù)據(jù)前移一個地址。本文算法中設(shè)定插補計算10個周期后啟動位控周期，可以保證緩沖區(qū)始終存有插補數(shù)據(jù)。

3 控制算法及信息流程

    開發(fā)的原型數(shù)控軟件包含：人機界面模塊、譯碼模塊、插補模塊、位置控制模塊、數(shù)據(jù)交換模塊。

    人機界面模塊實現(xiàn)了坐標(biāo)及系統(tǒng)狀態(tài)顯示、圖形仿真、代碼顯示、軟操作面板功能。譯碼模塊完成了負(fù)責(zé)根據(jù)用戶的系統(tǒng)配置，提供語法上正確的運動程序中間代碼。插補模塊是數(shù)控軟件的核心，采用數(shù)據(jù)采樣法原理進(jìn)行粗插補計算，并利用直線加減速對瞬時速度進(jìn)行平滑處理，在轉(zhuǎn)接點處進(jìn)行了轉(zhuǎn)接點速度的約束計算，提高了系統(tǒng)的加工效率，其流程如圖4所示。

    位置控制模塊，主要針對以脈沖控制的步進(jìn)電動機或伺服電動機，在Pc主機系統(tǒng)與步進(jìn)驅(qū)動板之間利用并行接口來作為信號接口轉(zhuǎn)換，脈沖源由PC主機系統(tǒng)RTX實時擴(kuò)展高精度時鐘產(chǎn)生。位置控制中精插補采用數(shù)字積分法，整個位置控制算法流程如圖5所示。在針對并口發(fā)送控制信號前，用到RTX端口服務(wù)，需要將并口設(shè)置成RTX環(huán)境下識別的設(shè)備。

4 實驗案例

    在實驗前進(jìn)行的是調(diào)試階段。這一階段，電動機空運轉(zhuǎn)，觀察電動機的運行狀況，通過實時仿真技術(shù)檢驗插補數(shù)據(jù)的軌跡仿真情況，同時觀察坐標(biāo)及系統(tǒng)狀態(tài)顯示情況是否存在異常，若出現(xiàn)問題時，到相應(yīng)的模塊中查明原因，這樣可以減小在實際實驗中出現(xiàn)損壞設(shè)備的概率。圖6為實驗完成時數(shù)控軟件運行界面。圖7為實驗時運行RtxServer實時顯示信息結(jié)果，其中p是根據(jù)加減速控制算法計算出的每段轉(zhuǎn)接處的速度值。圖8為實驗結(jié)果，仿真結(jié)果與源代碼相符合。

5 結(jié)語

    本文開發(fā)了一種基于Windows XP+RTX的原型Pc數(shù)控軟件，研究了軟件結(jié)構(gòu)、線程任務(wù)調(diào)度及其實現(xiàn)方法，設(shè)計了控制算法流程圖，整個軟件采用1廣模塊化的設(shè)計，模塊間通過數(shù)據(jù)接門通信，可以很方便地增加功能模塊和改進(jìn)控制算法。通過實驗，檢驗了整個數(shù)控軟件的結(jié)構(gòu)體系和核心控制算法，同時也為進(jìn)一步研究基于RTX進(jìn)行數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)
[1]Williams，Tom．Tools add fault toleran-ce，scalability to real-time Windows
NT[J]．Electronic Design，1997，45(21)：100．
[2]Venturcom lnc．RTX5．1 SDK Docume～ntion，2001．