一种基于Windows操作系统的仿真嵌入式数控系统及其实现方法

摘要

本发明提供一种基于Windows操作系统的仿真嵌入式数控系统，本发明在Windows环境下实现了虚拟的CNC系统驱动程序，将uC/OS-II进行基于Windows线程的移植，为CNC应用软件提供虚拟的运行环境，移植后运行于Windows操作系统，实现对CNC的软件仿真直接对数控系统软件进行移植，与数控系统实物的人机交互、功能表现高度一致，达到了很好的仿真效果。

说明书

技术领域

本发明涉及数控仿真技术，具体涉及一种基于Windows操作系统的仿真嵌入式数控系统及其实现方法。

背景技术

随着嵌入式控制技术的不断发展，嵌入式控制器日益普及于工业生产的方方面面。而嵌入式控制模拟仿真技术也得到了快速发展，但是，现有国内的数控模拟仿真技术，是根据数控系统的外在功能表现重新设计软件进行模仿，难免出现功能不全，表现不一致等问题。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中的不足之处，提供一种基于Windows操作系统的仿真嵌入式数控系统，本发明在Windows环境下实现了虚拟的CNC(数控机床)系统驱动程序，将uC/OS-II进行基于Windows线程的移植，为CNC应用软件提供虚拟的运行环境，移植后运行于Windows操作系统，实现对CNC的软件仿真直接对数控系统软件进行移植，与数控系统实物的人机交互、功能表现高度一致，达到了很好的仿真效果。

本发明的另一目的在于提供上述基于Windows操作系统的仿真嵌入式数控系统的实现方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于Windows操作系统的仿真嵌入式数控系统，包括：

将嵌入式CNC软件所连接的外部设备移植到Windows操作系统所生成的Windows用户界面程序；

安装运行indows操作系统的计算机；

将嵌入式CNC软件移植到Windows操作系统所生成的CNC仿真系统；

将嵌入式CNC软件中的驱动程序移植到Windows操作系统生成的虚拟驱动层；

使用一个Windows线程虚拟嵌入式CNC软件中的uC/OS-II操作系统所生成的虚拟uC/OS-II操作系统。

上述系统中，所述虚拟驱动层设置有：

使用Windows的标准文件IO接口重定义嵌入式CNC软件中的原文件系统接口所生成的文件系统，使CNC仿真系统使用Windows的文件系统，直接使用计算机的磁盘作为存储器；

显示驱动，为CNC仿真系统的绘图接口提供一块连续内存存储显示数据，数据区的大小由显示分辨率和颜色质量决定，Windows用户界面程序从显示驱动读取显示数据转为位图进行显示，模拟CNC的液晶显示；

键盘驱动，为CNC仿真系统提供键盘扫描状态数据访问的接口，Windows用户界面程序将软件模拟的键盘状态通过键盘驱动通知CNC仿真系统；

非易失性随机访问存储器(NVRAM)，在虚拟驱动中，使用一个磁盘文件存储NVRAM变量值，CNC仿真系统启动时，从文件读取变量值到RAM空间，供CNC仿真系统使用；CNC仿真系统关闭时，将变量值存储到磁盘文件，使CNC仿真系统下次启动时，NVRAM变量保持为上次关闭时刻的值；

输入/输出端口，用于CNC仿真系统的伺服轴移动量输出、内嵌PLC的信号输入/输出、主轴转速控制的模拟电压输出、主轴编码器及手轮编码器信号输入，具体为：

伺服轴移动量输出，当CNC仿真系统运行产生伺服轴移动时，通过虚拟驱动输出移动量，在CNC软件中，移动量输出的频率很高，两次输出的间隔为毫秒级。虚拟驱动中采用环行队列来存储各伺服轴每次输出的移动量，提供给Windows用户界面程序使用，以仿真伺服轴的运动；内嵌PLC的输入/输出信号；进行主轴转速控制的模拟电压输出；主轴编码器及手轮编码器输入。

上述基于Windows操作系统的仿真嵌入式数控系统的实现方法，具体为：

将嵌入式CNC软件移植到计算机的Windows操作系统生成CNC仿真系统；

将嵌入式CNC软件中的驱动程序移植到计算机的Windows操作系统生成虚拟驱动层；

使用一个Windows线程虚拟嵌入式CNC软件中的uC/OS-II操作系统，生成虚拟uC/OS-II操作系统。

上述方法中，所述使用一个Windows线程虚拟嵌入式CNC软件中的uC/OS-II操作系统，生成虚拟uC/OS-II操作系统，具体包括时钟TICK的获得，时钟中断的产生，以及任务上下文切换。

本发明相比现有技术具有以下优点及有益效果：

本发明在Windows环境下实现了虚拟的CNC(数控机床)系统驱动程序，将uC/OS-II进行基于Windows线程的移植，为CNC应用软件提供虚拟的运行环境，移植后运行于Windows操作系统，实现对CNC的软件仿真直接对数控系统软件进行移植，与数控系统实物的人机交互、功能表现高度一致，达到了很好的仿真效果。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明中时钟中断产生的具体流程图；

图3是本发明中CNC系统移植的操作流程图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

总的来说，本发明技术方案就是在Windows操作系统环境下通过软件模拟嵌入式系统的相关硬件驱动层，以及使用Windows线程模拟的uC/OS-II操作系统，创建一个虚拟的嵌入式系统软件运行环境，移植嵌入式控制器的应用软件，以Windows用户界面程序模拟CNC连接的外部设备，使CNC软件通过虚拟驱动层对这些设备进行操作，实现对嵌入式控制器的仿真。

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述。

实施例1

如图1所示，基于Windows操作系统的仿真嵌入式数控系统，包括：

将嵌入式CNC软件所连接的外部设备移植到Windows操作系统所生成的Windows用户界面程序；

含Windows操作系统的计算机；

将嵌入式CNC软件移植到Windows操作系统所生成的CNC仿真系统；

将嵌入式CNC软件中的驱动程序移植到Windows操作系统生成的虚拟驱动层；

使用一个Windows线程虚拟嵌入式CNC软件中的uC/OS-II操作系统所生成的虚拟uC/OS-II操作系统。

一、虚拟驱动层

虚拟驱动实现与原CNC软件中驱动程序一致的接口函数，为应用层软件提供与硬件交互必需的接口，主要包括文件系统，显示驱动，键盘驱动，非易失性随机访问存储器(NVRAM)，输入/输出端口等。

1.1、文件系统

虚拟驱动使用Windows的标准文件IO接口重定义原文件系统接口，使CNC软件使用Windows的文件系统，直接使用计算机的磁盘作为存储器。

1.2、显示驱动

显示驱动为CNC软件的绘图接口提供一块连续内存存储显示数据，数据区的大小由显示分辨率和颜色质量决定。Windows用户界面程序从显示驱动读取显示数据转为位图进行显示，模拟CNC的液晶显示。

1.3、键盘驱动

键盘驱动为CNC软件提供键盘扫描状态数据访问的接口。Windows用户界面程序将软件模拟的键盘状态通过键盘驱动通知CNC软件。

1.4、非易失性随机访问存储器(NVRAM)

在虚拟驱动中，使用一个磁盘文件存储NVRAM变量值，仿真CNC启动时，从文件读取变量值到RAM空间，供CNC软件使用；仿真CNC关闭时，将变量值存储到磁盘文件。使仿真CNC下次启动时，NVRAM变量保持为上次关闭时刻的值。

1.5、输入/输出端口

输入/输出端口驱动主要包含：

1.5.1伺服轴移动量输出。当CNC软件运行产生伺服轴移动时，通过虚拟驱动输出移动量。在CNC软件中，移动量输出的频率很高，两次输出的间隔为毫秒级。虚拟驱动中采用环行队列来存储各伺服轴每次输出的移动量，提供给Windows用户界面程序使用，以仿真伺服轴的运动。

1.5.2内嵌PLC的输入/输出信号。

1.5.3进行主轴转速控制的模拟电压输出。

1.5.4主轴编码器及手轮编码器输入。

二、虚拟uC/OS-II操作系统层

使用一个Windows线程实现虚拟的uC/OS-II操作系统，使得CNC软件通过虚拟的uC/OS-II操作系统直接运行于Windows，减少移植过程中与操作系统相关的工作。这个虚拟层其实是将uC/OS-II进行基于Windows线程的移植，其所有任务都在Windows的一个线程中运行。

uC/OS-II的移植主要包括三个内容：时钟TICK的获得，时钟中断的产生，任务上下文切换。

2.1、时钟TICK的获得

模拟软件本身是运行在Windows下，不需要强实时性，因此采用Windows的软件定时器，通过使用定时精度ms级的timeSetEvent()函数来产生模拟时钟TICK。其函数原型：MMRESULT timeSetEvent(UINT uDelay，UINT uResolution，LPTIMECALLBACK lpTimeProc，WORD dwUser，UINT fuEvent)，将需要周期性执行的任务定义在lpTimeProc回调函数中，从而完成所需处理的事件。调用这个函数后会增加一个线程，时间一到则在这个线程中调用回调函数。

2.2、时钟中断的产生

timeSetEvent()函数调用定时回调函数是和主线程同时被Windows操作系统调度的，并没有起到中断的作用。所以在调用定时回调函数lpTimeProc的时候必须停止主线程的运行，退出回调函数则恢复主线程的运行，这些事情都放在定时回调函数，也就是uC/OS-II的时钟中断处理函数中完成，如图2所示。

2.3任务上下文切换

这里的任务上下文和uC/OS-II在x86上移植的不同点是段寄存器不用保存，因为在Windows下的uC/OS-II任务其实只是在同一个线程中切换，而且在保护模式下段寄存器，其值在同一个线程中是不会变的。

三、CNC系统软件移植

CNC系统软件是在外部定时中断响应中进行插补处理的。模拟的CNC系统运行在以Windows Thread虚拟的uC/OS-II系统之上，CNC的所有任务均运行在一个线程中，且只模拟了时钟TICK中断。模拟软件无实时性要求，所以可将插补处理在优先级最高的任务中进行，周期性的调用原中断服务函数，再对任务过程进行少许修改即可。如图3为插补处理任务的流程。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。