I/O控制器是開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的一部分,考慮到整個(gè)數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)層次化和模塊化的特點(diǎn),構(gòu)造了基于RCS設(shè)計(jì)方法的I/O控制器。文章簡(jiǎn)述了RCS 方法的主要思想及數(shù)控系統(tǒng)中I/O控制器的主要功能和組成,詳細(xì)闡述一個(gè)基于RCS方法的I/O控制器的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)過(guò)程。最后總結(jié)了基于RCS 設(shè)計(jì)方法的I/O控制器的優(yōu)缺點(diǎn)。

0 前言

　　基于PC機(jī)豐富的軟硬件資源開(kāi)發(fā)具有開(kāi)放式體系結(jié)構(gòu)的數(shù)控系統(tǒng)已經(jīng)成為當(dāng)今數(shù)控系統(tǒng)研發(fā)的潮流。開(kāi)放式體系結(jié)構(gòu)使數(shù)控系統(tǒng)有更好的通用性、柔性、適應(yīng)性、可擴(kuò)展性和可移植性。數(shù)控系統(tǒng)是一個(gè)強(qiáng)實(shí)時(shí)、多任務(wù)的復(fù)雜控制系統(tǒng)。為了更好的解決它的實(shí)時(shí)性問(wèn)題,人們進(jìn)行了很多的理論研究,RCS(Real - Time Control System) 設(shè)計(jì)方法就是由美國(guó)國(guó)家技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)(NIST)的智能系統(tǒng)部(ISD)在多年的控制系統(tǒng)研發(fā)過(guò)程中,形成的一套完整的用于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的層次及分布式實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的一套設(shè)計(jì)方法及軟件庫(kù),多年來(lái),RCS 方法在國(guó)外已經(jīng)在多個(gè)領(lǐng)域得到試驗(yàn)和應(yīng)用 。

1 RCS設(shè)計(jì)方法

　　RCS設(shè)計(jì)方法的基本原理就是將復(fù)雜的控制系統(tǒng)分解成一些簡(jiǎn)單的、獨(dú)立的、小規(guī)模的、易于用傳統(tǒng)的控制方法來(lái)實(shí)現(xiàn)的子系統(tǒng),而分解之后的這些子系統(tǒng)可以運(yùn)行于不同的系統(tǒng)環(huán)境中,甚至分布在網(wǎng)絡(luò)的不同節(jié)點(diǎn)。然后根據(jù)分解的結(jié)果,采用由下至上對(duì)各層的模塊分別進(jìn)行定義的方法來(lái)定義控制系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu),RCS 將這些子系統(tǒng)按照層次結(jié)構(gòu)組織起來(lái),每一層節(jié)點(diǎn)都有各自的任務(wù),組成一個(gè)層次結(jié)構(gòu)。最后確定系統(tǒng)中各模塊的任務(wù)分配和模塊間共享的信息,同時(shí)定義關(guān)于命令和狀態(tài)信息的詞匯,完成控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作。這樣大大地減少了實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的復(fù)雜度。

2 I/O控制器在數(shù)控系統(tǒng)中的作用

　　2.1 開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)

　　本系統(tǒng)用藍(lán)天NC-200 作為系統(tǒng)的硬件平臺(tái),采用RTLinux實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)作為操作平臺(tái)。整個(gè)數(shù)控系統(tǒng)由控制單元、CRT單元、機(jī)床操作站三個(gè)單元組成。

　　CNC 系統(tǒng)是一個(gè)專(zhuān)用的實(shí)時(shí)多任務(wù)計(jì)算機(jī)系統(tǒng),它通常作為一個(gè)獨(dú)立的過(guò)程控制單元用于生產(chǎn)過(guò)程中,因此它的系統(tǒng)軟件必須完成管理和控制兩大任務(wù)。系統(tǒng)的管理部分包括輸入輸出、I/O處理、顯示、診斷。系統(tǒng)的控制部分包括譯碼、刀具補(bǔ)償、速度處理、差補(bǔ)和位置控制。這樣根據(jù)CNC系統(tǒng)軟件的功能要求和RCS設(shè)計(jì)方法層次化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特點(diǎn),整個(gè)數(shù)控系統(tǒng)軟件就可以設(shè)計(jì)成一個(gè)層次化的結(jié)構(gòu)模型,如圖1所示。在這個(gè)結(jié)構(gòu)中主要有四個(gè)功能模塊,分別是為圖形用戶(hù)界面(GUI),任務(wù)控制器,運(yùn)動(dòng)控制器和I/O控制器。

　　2. 2 　I/O控制器在數(shù)控系統(tǒng)中的作用

　　I/O 控制器是數(shù)控系統(tǒng)中執(zhí)行I/O操作的中心,它主要處理來(lái)自任務(wù)控制器的針對(duì)I/O系統(tǒng)的指令。對(duì)于數(shù)控系統(tǒng)而言,這些I/O設(shè)備主要有刀具,主軸,冷卻部件,潤(rùn)滑器以及急停開(kāi)關(guān)等一些輔助操作。這些針對(duì)I/O 的操作都是一些開(kāi)關(guān)量控制,所以又稱(chēng)為離散型I/O控制器。I/O控制器根據(jù)來(lái)自任務(wù)控制器的控制指令,按照控制對(duì)象進(jìn)行任務(wù)拆分,發(fā)送到對(duì)應(yīng)的目的I/O設(shè)備中。I/O控制器是數(shù)控系統(tǒng)中的重要組成部分,是控制外部設(shè)備的中心。

3 I/O控制器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　I/O操作對(duì)實(shí)時(shí)性的要求比運(yùn)動(dòng)控制要求低,它與任務(wù)控制器之間的通信采用NML 機(jī)制。

　　3.1 I/O控制器與任務(wù)控制器的接口

　　通信接口在數(shù)控系統(tǒng)總體的層次化結(jié)構(gòu)模型中,I/O控制器位于任務(wù)控制器的下層,它與任務(wù)控制器之間有三條用于通信的NML 通道,分別是命令通道、狀態(tài)通道和錯(cuò)誤信息通道。而在任務(wù)控制器中,有一個(gè)專(zhuān)門(mén)的接口模塊taskintf ,它定義了所有發(fā)送到其下級(jí)運(yùn)動(dòng)控制器和I/O控制器的控制命令。I/O控制器與任務(wù)控制器的接口如圖2 所示。

　　I/O控制器的任務(wù)主要有: I/O初始化、停止、關(guān)閉、急停開(kāi)關(guān)、主軸正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止、冷卻液開(kāi)關(guān)、潤(rùn)滑初始化與開(kāi)關(guān)、刀具準(zhǔn)備、上刀下刀和刀具表管理等等。下面是刀具部分的接口定義。

　　cncToolPrepare(int tool) ;　　cncToolLoad() ;　　cncToolUnload() ;　　cncToolLoadToolTable(const char 3 file) ;　　cncToolSetOffset (int tool , double length , double diameter) ;

　　3.2 I/O控制器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)　　　基于RCS設(shè)計(jì)思想設(shè)計(jì)一個(gè)I/O控制器, 它可以對(duì)任務(wù)控制器發(fā)送給I/O控制器的命令進(jìn)行分類(lèi)整理, 即在I/O控制器內(nèi)把任務(wù)劃分為若干個(gè)模塊,即為:與刀具相關(guān)、與主軸相關(guān)、與潤(rùn)滑相關(guān)、與冷卻相關(guān)和其他與輔助操作相關(guān)的五個(gè)子任務(wù)模塊。同時(shí)在I/O控制器頂層設(shè)定一個(gè)I/O接口模塊,用于總體把握I/O控制器的狀態(tài)和任務(wù)分發(fā)。模塊之間的通信利用NML通信機(jī)制。具體的I/O控制器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。

　　如圖所示,I/O接口、刀具控制、主軸控制、冷卻處理、潤(rùn)滑處理和輔助加工分別作為一個(gè)獨(dú)立的模塊存在。I/O接口模塊位于其他五個(gè)模塊的上層,作為I/O控制器和任務(wù)控制器的接口,接收所有來(lái)自任務(wù)控制器送往I/O 部分的任務(wù),它將接收的任務(wù)進(jìn)一步劃分,并按照任務(wù)的分類(lèi)分別送往刀具、主軸、冷卻,潤(rùn)滑和輔助幾個(gè)模塊進(jìn)行執(zhí)行。底層的五個(gè)模塊作為執(zhí)行任務(wù)的最終節(jié)點(diǎn),具體執(zhí)行細(xì)化任務(wù),不再有子模塊。

　　3.3 I/O控制器和任務(wù)控制器以及I/O控制器內(nèi)部各模塊之間的通信

　　I/O控制器和任務(wù)控制器之間,以及I/O控制器內(nèi)部各模塊之間的通信是通過(guò)NML通道來(lái)完成的。系統(tǒng)定義了兩種類(lèi)型的NML通道:一是命令通道,用于傳遞上層模塊對(duì)下層模塊的命令信息;二是狀態(tài)通道,用于上級(jí)從下級(jí)讀取狀態(tài)信息;在這里,NML通道采用共享內(nèi)存的方式實(shí)現(xiàn),所有的數(shù)據(jù)要經(jīng)過(guò)共享內(nèi)存進(jìn)行中轉(zhuǎn)。I/O內(nèi)部模塊間也是按照共享內(nèi)存的方式進(jìn)行通信的,因此系統(tǒng)中設(shè)立了相應(yīng)的共享內(nèi)存緩沖區(qū)用于內(nèi)部模塊間通信。例如用于I/O接口與刀具間的緩沖區(qū)toolCmd和toolSts ; 用于I/O接口與主軸間的緩沖區(qū)spindleCmd 和spindleSts , 用于I/O接口與冷卻間的緩沖區(qū)coolandCmd 和coolandSts ,用于I/O接口與輔助操作間的緩沖區(qū)auxCmd 和auxSts ,用于I/O接口與潤(rùn)滑間的緩沖區(qū)lubeCmd 和lubeSts。

4 I/O控制器的執(zhí)行

　　I/O控制器內(nèi)部由I/O接口、刀具、主軸、冷卻、潤(rùn)滑和輔助操作五個(gè)模塊組成。每個(gè)模塊都有其模塊內(nèi)部執(zhí)行過(guò)程, 目的在于完成上下級(jí)模塊間通信及本模塊的任務(wù)處理。在構(gòu)造I/O控制器的時(shí)候,可將五個(gè)模塊在控制器內(nèi)部循環(huán)執(zhí)行。由于I/O接口在上層,所以循環(huán)次序?yàn)镮/O接口刀具主軸冷卻潤(rùn)滑輔助操作。每一個(gè)循環(huán)為控制器的一個(gè)執(zhí)行周期,那么五個(gè)模塊共同消耗這個(gè)執(zhí)行周期。每個(gè)模塊在執(zhí)行時(shí)都對(duì)自己的執(zhí)行時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì),設(shè)定模塊的最大和最小執(zhí)行時(shí)間。I/O控制器在開(kāi)始時(shí)定義五個(gè)模塊如下:

　　CNC IO MODULE 3 iointf ;　　CNC TOOL MODULE 3 tool ;　　CNC SPINDLE MODULE 3 spindle ;　　CNC COOLANT MODULE 3 coolant ;　　CNC AUX MODULE 3 aux ;　　CNC LUBE MODULE 3 lube ;

　　I/O控制器內(nèi)部的執(zhí)行過(guò)程如圖4 所示。由流程圖可見(jiàn):總體來(lái)說(shuō)整個(gè)執(zhí)行過(guò)程是一個(gè)while 主循環(huán),并且可以通過(guò)系統(tǒng)中斷信號(hào)隨時(shí)中止循環(huán)。同時(shí)利用RCS 庫(kù)提供的RCS TIMER類(lèi)的對(duì)象同步系統(tǒng)時(shí)鐘,由成員函數(shù)RCS TIMER: :wait ( ) 實(shí)現(xiàn)這一功能。在每一個(gè)采樣周期內(nèi),規(guī)定任務(wù)執(zhí)行結(jié)束后可能還有剩余時(shí)間,wait () 函數(shù)就是保證等到下一采樣周期到來(lái)時(shí)才執(zhí)行下一個(gè)循環(huán)操作。比如一個(gè)采樣周期是100ms ,運(yùn)行所有控制所需時(shí)間是60ms ,那么wait 函數(shù)將使進(jìn)程處于睡眠狀態(tài)40ms ,之后才繼續(xù)運(yùn)行下一循環(huán)。

5 結(jié)論

　　基于RCS 設(shè)計(jì)方法,設(shè)計(jì)數(shù)控系統(tǒng)中的I/O控制器是一種很成功的方法。這樣的I/ O 控制器具有如下特點(diǎn):優(yōu)點(diǎn):

　　1) 層次化、模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),使系統(tǒng)易更改,可擴(kuò)展性好,大大提高了系統(tǒng)的靈活性。

　　2) 對(duì)于不同的I/O板卡等硬件可以使用專(zhuān)門(mén)的讀寫(xiě)函數(shù),實(shí)現(xiàn)底層操作。故使I/O控制器可適用于不同的硬件平臺(tái)。缺點(diǎn):

　　I/O控制器只實(shí)現(xiàn)了對(duì)I/O的離散控制,因此它只實(shí)現(xiàn)了解決開(kāi)關(guān)量的邏輯運(yùn)算,以及計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)等幾種有限的功能控制,難以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的邏輯運(yùn)算,算術(shù)運(yùn)算,數(shù)據(jù)處理以及數(shù)控機(jī)床所需要的許多特殊功能。