模块化可重构的网络化开放式数控系统

摘要

一种模块化可重构的网络化开放式数控系统，包括由总线1连接的主控2、存储器扩展3、运动控制4、网络5、人机交互6、PLC7、状态监控8等7个模块。每个模块均包括一个功能电路、总线接口以及模块识别芯片和一个硬件驱动及任务映像芯片。主控模块内含有支持可重构及模块化的网络化的开放型嵌入式实时操作系统，该系统上运行着虚模块。模块识别芯片分别对应存储了上述7个模块的识别码，对各自对应的模块进行唯一标识，并描述模块的功能类型，每个模块识别芯片中的信息由主控模块经系统总线读出。本发明的有益效果是：该数控系统不只限于PC架构，也适于以单片机、DSP等为核心的数控系统，因此数控系统成本可大幅降低，使得性价比更高。

说明书

                            技术领域

本发明属于数控调节技术，具体涉及计算机模块化可重构的网络化开放式数控系统。

                            背景技术

目前数控系统可分为两种结构体系，即采用基于PC架构的数控系统和采用单片机作为控制核心的封闭式数控系统。

基于PC架构的数控系统，由于继承了PC机模块化、开放化的特性，只要配置通用的工控主机、运动控制卡、人机交互面板、网络接口等即可以构建出数控系统的硬件平台。同时配合通用的操作系统和通用的软件开发环境，易于快速地建立数控系统的软件平台。石宏等人在“开放式数控系统的现状与发展”中指出，采用PC机作为开放式数控系统的主控制器已成为当前的一种发展趋势(机械制造，2005，43(6)：18-21)。但是基于PC架构的数控系统有其先天不足。第一，在硬件体系方面，PC架构不是针对数控领域专门设计，因此PC机硬件模块并非完全适应数控系统的要求。PC机中的很多模块在数控中并不需要，还有一些模块功能大大超出数控系统的实际需要。这些在PC结构中冗余的设置，不但会增加系统不必要的成本和空间，而且可能成为系统内部的干扰因素，造成系统可靠性降低；第二，在操作系统方面，目前采用的通用操作系统，其实时性和可靠性不高，而这两点对于数控系统的正常运行至关重要。曹遂军等人在“国内外开放式数控系统的研究与现状”中指出，到目前为止，基于PC的数控系统还没有真正解决Windows操作系统的实时控制问题(机电工程技术，2003，32(5)：20-22)。另外，通用操作系统中常常隐藏运行着数控系统中不需要的服务任务，这些任务不仅影响系统的实时性，也容易造成软件运行崩溃；第三，目前基于PC的数控软件，多是针对特定类型的数控系统，各个系统间数控软件的通用性较差，开发和使用成本较高。

另一种采用单片机作为控制核心的封闭式数控系统。由于单片机本身被设计用于专用领域，因此系统硬件的可靠性较高；其软、硬件功能设置合理，既能充分发挥系统的控制能力，又可以满足低成本的需求；数控软件可以直接访问底层硬件，并直接对中断作出响应，实时性较好。因此，这类系统成为当前经济型数控系统的主要结构体系。但基于单片机的数控系统目前普遍存在开放性差、非模块化设计的缺点。其封闭的硬件体系结构使得数控系统成为功能固定的装置，因此难以实现系统的可重构性，从而限制了最终用户使用的灵活性，难以达到对各种加工机床、加工模式及自动化加工网络的普遍适应；其软件体系通常是固定的根据特定数控系统定制的程序，对用户不开放，没有统一的接口，限制了软件上的可重构性，使得此类系统的软件功能受限，一旦出厂就难以变更。张英杰等人在《中国制造业信息化》2004，33(9)：106-108上撰文指出，这类专用的封闭体系结构的数控系统，由于其功能扩展、改编和修改，都必须求助于系统供应商，这类系统占领的市场已逐渐减小。

                            发明内容

本发明的目的是提供一种模块化可重构的网络化开放式数控系统，以解决现有技术的不足和难题。

本发明的目的是这样实现的，模块化可重构的网络化开放式数控系统，包括由数控系统总线1连接的主控模块2、存储器扩展模块3、运动控制模块4、网络模块5、人机交互模块6、PLC模块7和状态监控模块8，在上述7个模块中每个模块均包括模块功能电路9和总线接口10(如图1和图2)。开放式数控系统中的主控模块2、存储器扩展模块3、运动控制模块4、网络模块5、人机交互模块6、PLC模块7和状态监控模块8每一个模块上均包括一个模块识别芯片11和一个硬件驱动及任务映像芯片12，硬件驱动及任务映像芯片12用于存储该模块的硬件驱动和任务代码的映像。主控模块2内含有支持可重构及模块化的网络化的开放型嵌入式实时操作系统22，用于对所述全部模块重构后的数控系统资源进行重新配置，生成新的数控系统。实时操作系统22上运行着虚模块13，用于实现开放式数控系统控制算法及系统通信和文件系统的管理，虚模块13的驱动及任务映像存储在开放式数控系统主控模块2中的存储器中。模块识别芯片11分别对应存储了主控模块2、存储器扩展模块3、运动控制模块4、网络模块5、人机交互模块6、PLC模块7和状态监控模块8每个模块的识别码，对各自对应的模块进行唯一标识，并描述模块的功能类型。每个模块识别芯片11中的信息由主控模块2经系统总线1读出。

每个模块的驱动和系统的各个任务通过实时操作系统22进行集成，形成开放式数控系统的软件平台。软件重构过程的步骤为(如图4)：

系统上电后首先进行初始化，与原先的硬件模块及虚模块配置对照，检查系统中是否有硬件模块或虚模块被删除。若有硬件模块或虚模块被删除，则需删除系统中与该模块相对应驱动程序和任务。然后检查系统中是否有新增的模块。若新模块是虚模块，则要由用户输入虚模块的识别码，并确定该模块的类型。若新模块是硬件模块，则通过读取其模块识别芯片11的内容，获取其模块识别码，并确定该模块的类型。对于硬件模块，系统进一步检查模块上是否存在硬件驱动及任务映像芯片12。如果存在，则操作系统从该芯片中获得此硬件模块的驱动及其任务映像。如果不存在，则操作系统根据模块识别码，试图由网络获取该模块驱动及其任务映像。之后，根据当前系统上安装的模块类型，判断系统配置的正确性。如果配置正确，操作系统记录当前模块配置，并进行数控系统的资源的重新分配。最后，操作系统加载模块驱动及系统任务映像，进入实时多任务模式，执行数控系统功能。

本发明的特点及有益效果在于：

(1)数控系统从硬件平台到软件平台充分采用了模块化方式，易于实现系统重构。

(2)数控系统内嵌的支持可重构及模块化的网络化嵌入式实时操作系统软件，可以在自动对软件系统进行配置，实现自动重构。支持由网络获取驱动和任务映像使得系统的升级、维修都更加简便，自动化程度高。实时操作系统根据系统的真实模块组成进行资源分配，能够剔除软件系统中的冗余功能，优化实时多任务环境，最大限度地利用系统资源。

(3)该数控系统支持虚模块，在软件平台上虚模块与硬件模块同等对待。虚模块的识别码通过厂商对用户授权得到，只有通过正确的识别码才能从网络得到虚模块，保护了知识产权。

(4)该数控系统不只限于PC架构，也适于以单片机、DSP等为核心的数控系统，因此数控系统成本可望大幅降低，使得性价比更高。

                            附图说明

图1是本发明的硬件模块构成框图。

图2是本发明的硬件组成框图。

图3是本发明实施例的软件平台组成示意框图。

图4是本发明的实时操作系统模块重构流程图。

                        具体实施方式

以下通过对各附图模块的实施例对本发明作进一步的说明：

每个硬件模块都包含模块功能电路9、硬件驱动及任务映像芯片12、模块识别芯片11和总线接口10(如图1)。其中模块功能电路9是直接实现该硬件模块的功能的电路部分。硬件驱动及任务映像芯片12是一片非易失性的FLASH存储器芯片，内存该模块的硬件驱动程序代码和该模块相关的系统任务代码映像，它们与本发明中的实时操作系统TDNC-OS兼容。TDNC-OS可从中获得模块硬件驱动及任务，并自动对软件系统进行重构。如果硬件驱动及任务映像芯片12不存在，TDNC-OS也支持从网络获得该模块的硬件驱动及任务。模块识别芯片11是一片非易失性的E²PROM存储器芯片，内存该模块的模块识别码。该模块识别码是数控系统识别模块的依据，不同模块的模块识别码互不相同。模块识别芯片11的内容可以通过总线1读出。总线接口10负责各硬件模块与总线的通信。

系统中各硬件模块通过总线1连接，总线1包含32位双向数据总线，22位地址总线、若干控制总线及电源线(如图2)。

主控模块2包含了中央处理器、主RAM、基本固件存储器、系统时钟电路、复位电路、电源电路、实时时钟电路。中央处理器为32位ARM内核微控制器，用于系统整体的控制运算和功能协调，在实时操作系统的支持下执行数控系统中的任务，并驱动各硬件模块执行相应功能。主RAM为4M字节的SDRAM，用于中央处理器执行指令时随机数据的存储。基本固件存储器是一片1M字节的可擦写的非易失性FLASH存储器，存储该数控系统工作所需基本程序代码和各种数据信息，其中存有实时操作系统TDNC-OS，该操作系统可以完成对模块已经重构的数控系统资源进行重新配置，实现系统软件重构，从而生成新的数控系统。

存储器扩展模块3含有扩展的128M非易失性FLASH存储器及控制电路。

运动控制模块4是一个高度自主的子系统，采用高速32位DSP芯片为控制核心，配合一片FPGA芯片和高效软件算法可以实现插补、闭环伺服控制、多轴联动的功能。运动控制模块4直接执行主控模块2的命令，驱动机床执行单元运行，并将相关执行信息反馈给主控模块2。

网络模块5含有RS232接口、CAN现场总线接口和以太网接口。实现数控系统之间、数控系统与车间网络、企业内部网络Intranet乃至国际互联网络Internet连接，完成信息传输，是实现DNC、FMS、CIMS的必要条件。在本发明中通过网络模块5获取模块的驱动及任务映像，实现系统软件的自动重构、维修和升级。

人机交互模块6包括数控操作面板、液晶显示器、手轮、报警器、开关及相应的接口电路。通过此模块将操作人员的命令输入数控系统，数控系统将各种信息输出给操作人员。

本实施例中采用8位RISC单片机作为PLC模块7核心，内嵌PLC指令解释程序。另外，PLC模块7包含一片1M字节的FLASH芯片，用于下载和存储用户PLC程序。PLC模块采用专用的编程语言。机床中切削液的开关、各种电机的启动/停止的控制、限位开关的信号输入等都由PLC模块7控制。PLC模块根据主控模块2的命令执行相应功能，并可向主控模块2反馈当前状态。

状态监控模块8含有A/D功能的8位RISC单片机为核心，状态监控模块8中还包含信号调理电路和64K的扩展RAM。状态监控模块8将传感器的信号反馈至主控模块2，由主控模块2对信号进行分析，实现在线的机床运行状态监控。

图3是本发明实施例的软件组成示意图。

本发明实施例的软件平台以天津大学研发的基于ANSI C内核的实时操作系统TDNC-OS为核心，分为驱动层、操作系统核心层和系统任务层。其中，由主控模块驱动23、存储器扩展模块驱动24、运动控制模块驱动25、网络模块驱动26、人机交互模块驱动27、PLC模块驱动28和状态监控模块驱动29构成驱动层。驱动层为提供系统中各模块的软件接口。只有驱动层可以直接对模块进行访问，模块的反馈信息也直接发送到驱动层。因此，驱动层实现了对模块功能的封装，为任务层提供了规范的接口，使得系统的任务层专注于实现任务本身的功能，而不必考虑模块使用的具体细节。

系统任务层将数控系统的软件功能划分为系统任务，并按照实时性的不同分配不同的优先级。系统中的各个任务在宏观上是并行运行的，各任务之间只有最基本的耦合，模块化程度高，易于实现重构。在图3中的系统管理任务21负责对数控系统的加工过程进行管理和调度，并管理系统相关参数和加工相关数据流。译码任务15将数控系统得到的数控指令的代码进行编译，转换成数控系统易于执行的本机代码。译码后的本机代码中包括加工曲线形状数据，这些数据输出至插补任务16。插补任务16将加工曲线细化，使得曲线能够通过执行机构加工。插补得到的位置数据供运动控制任务17使用。运动控制任务17根据加工工艺要求和加工位置的轨迹，控制执行单元的运动。由于运动控制与加工精度、表面粗糙度和加工效率等关键指标密切相关，其实时性要求最高，是系统中优先级最高的任务。人机交互任务18处理屏幕刷新、键盘、按钮、手轮输入等人机交互相关的内容。加工仿真任务14可以在数控机床不进行实际加工的情况下对加工过程进行仿真，在屏幕上显示加工轨迹供操作者验证数控程序。通信任务19负责数控系统的网络通信。数控系统可以从网络得到加工指令，并可以将数控系统中的数据信息上传到网络。特别地，本发明中嵌入式实时操作系统22可以借助网络实现数控系统的自动重构。监测任务20实时监测数控机床的运行状态。当运行状态不正常时自动作出报警、急停等相应处理。也可以通过数据记录对机床运行状态进行简单分析，提供机床维护的建议。同时，监测数据可通过通信任务19上传至网络作进一步处理。

在本实施例中，与硬件模块对应的系统任务和驱动来自相应硬件模块的硬件驱动及任务映像芯片12。此外，译码任务15、插补任务16、加工仿真任务14以虚模块13的形式集成在软件平台中。

操作系统核心层是软件平台的核心，也就是嵌入式实时操作系统TDNC-OS。由TDNC-OS实现实时多任务环境，进行任务的调度管理，提供任务间通信手段，任务的时间管理及驱动层管理等服务。图4是本方案中的实时操作系统模块重构流程图。图4说明了本发明所述的内嵌的支持可重构及模块化的网络化嵌入式实时操作系统软件对模块已经变更后的数控系统资源进行重新配置，实现系统软件重构，从而生成新的数控系统的过程。

本发明的软/硬件采用了标准化的模块设计，具有开放性的特征，而且其硬件架构可以是非PC架构，因此可以大大降低成本，提高性价比。当数控系统不适应新的加工要求时，用户只需对数控系统的模块进行调整，就可以得到重构的适合新要求的数控系统。当系统中的模块调整后，数控系统软件都可以根据硬件识别码获得系统新的配置信息，并从模块本身的硬件驱动及任务映像芯片或网络获得模块在本数控系统的操作系统中的驱动及其任务，并自动进行系统资源的再分配，实现软件自动重构。用户根据需要可以选择不同厂商的模块，也可以按照系统的软/硬件标准开发自己的模块，从而配置出最佳方案。系统中的虚模块使得改变插补、运动控制的算法等变得简单易行，只需输入厂商授权的模块识别码即可由操作系统自动配置。各个模块的驱动及任务可由网络下载，便于实现系统的自动维护和升级。因此，用户通过本发明可以简便、可靠、快速地对数控系统进行重构，减少了人工调试时间，降低了成本，从而保证企业对市场需求的快速响应。