專利名稱：一種開放式可重組軟數(shù)控系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬一種機床數(shù)控系統(tǒng)，特別是基于Windows CE.NET的開放式可重組軟數(shù)控系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
機床數(shù)控系統(tǒng)分為兩類，一類是封閉式結(jié)構(gòu)的數(shù)控系統(tǒng)，一類是開放式數(shù)控系統(tǒng)。封閉式數(shù)控系統(tǒng)是采用專用單片處理器，不同的廠家采用不同的軟件，不具有互換性，一旦系統(tǒng)生成后，系統(tǒng)提供給用戶的是固定的功能模塊，若用戶需要添加新的功能，必需由廠家完成，且開發(fā)周期長，效率低；開放式數(shù)控系統(tǒng)是基于統(tǒng)一的體系結(jié)構(gòu)、標(biāo)準(zhǔn)的開發(fā)規(guī)范和通用計算機系統(tǒng)平臺的數(shù)字控制器。由于其開放和標(biāo)準(zhǔn)化的結(jié)構(gòu)特性，使其能融入網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、智能控制技術(shù)和先進傳感技術(shù)，并兼容各種廣泛應(yīng)用的軟件，從而能快速為用戶構(gòu)建所定制的控制系統(tǒng)?，F(xiàn)有的開放式數(shù)控系統(tǒng)分為兩類，一類采用基于工控機和運動控制卡的結(jié)構(gòu)，另一類是基于32位以上CPU的嵌入式單板計算機加運動控制卡的結(jié)構(gòu)，運動控制卡一般用來保證數(shù)控系統(tǒng)的實時性，但由于運動控制卡比較昂貴，造成整個數(shù)控系統(tǒng)的價格較高。且控制卡硬件部分難以實現(xiàn)使開放式數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)用戶需求定制的目的，造成資源的浪費。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種基于Windows CE.NET的開放式可重組軟數(shù)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)可省去運動控制卡，降低整個系統(tǒng)的成本，同時能由用戶自己或系統(tǒng)開發(fā)商根據(jù)實際需要對數(shù)控軟件進行重組，獲得更大的靈活性，方便、快速地滿足不同用戶的不同需求，應(yīng)用于數(shù)控車床、銑床、鉆床、磨床、彎管設(shè)備等多種機床類型。
解決上述問題的技術(shù)方案是(參見圖1、圖2)本發(fā)明由32位及32位以上的嵌入式單板機、數(shù)字IO接口卡、軟件包組成的重組開發(fā)平臺組成；所述嵌入式單板機設(shè)有中央微處理器(1)，中央微處理器與電源和時鐘發(fā)生器(14)連接，并通過PCI總線(15)與以太網(wǎng)控制器和以太網(wǎng)接口(7)相連；通過內(nèi)部總線與顯示控制器和總線控制器(2)相連；通過內(nèi)存接口與內(nèi)存SDRAM(12)連接；上述顯示控制器和總線控制器(2)通過PC/104總線(16)分別連接PC/104總線接口(3)、串行接口(6)、并行接口(5)、CF卡(13)、硬盤接口(11)、BIOS(10)；同時設(shè)有通用串行接口USB(8)、鍵盤和鼠標(biāo)接口(9)、LCD接口或VGA接口(4)；其中CF卡存儲了根據(jù)主板硬件定制的Windows CE.NET操作系統(tǒng)，及數(shù)控應(yīng)用程序，操作系統(tǒng)映像和數(shù)控應(yīng)用程序由軟件開發(fā)環(huán)境配置而成；所述的顯示控制器和總線控制器，作為系統(tǒng)中央微處理器連接其他部件之間的橋梁，支持標(biāo)準(zhǔn)的PCI和PC104總線，并且通過顯示控制器連接LCD或普通顯示器(CRT)，進行信息顯示，總線控制器管理系統(tǒng)中各個部件之間以及與中央微處理器的數(shù)據(jù)通訊，協(xié)調(diào)各個部件之間任務(wù)處理；所述的PC/104總線接口，提供嵌入式主板擴展能力；所述的數(shù)字IO接口卡設(shè)有邏輯控制器(20)，邏輯控制器分別與定時器計數(shù)器(17)、定時器中斷邏輯(18)、PC/104總線接口(19)、時鐘(21)、IO中斷邏輯(22)、緩沖數(shù)字IO接口(23)連接，進行邏輯控制；上述定時器計數(shù)器(17)與定時器中斷邏輯(18)相連，產(chǎn)生定時中斷控制；定時器計數(shù)器(17)分別與4-軸普通接口(25)、4-軸差分接口(26)連接，提供控制伺服電機的信號；定時器計數(shù)器(17)與編碼器接口(24)以及時鐘(21)相連組成計數(shù)器，對編碼器的脈沖進行計數(shù)；所述的數(shù)字IO接口卡通過PC/104總線接口(19)連接到嵌入式單板機的PC/104總線接口(3)，由主板和軟件進行控制；上述數(shù)字IO接口卡組成本發(fā)明的開放式軟數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)字接口板，符合PC/104總線標(biāo)準(zhǔn)，具有自堆疊的能力，數(shù)字接口板通過接口連接數(shù)控機床中的伺服電機、編碼器、限位開關(guān)、狀態(tài)檢測傳感器，以提供控制數(shù)據(jù)或狀態(tài)數(shù)據(jù)與執(zhí)行部件之間的傳輸和控制；所述的重組開發(fā)平臺設(shè)有由系統(tǒng)需求描述器/分析器/自動建模器、功能塊編輯器、功能塊連接器、功能塊編譯器、功能塊庫、軟件運動控制和軟件PLC模塊庫、故障診斷模塊庫、人機交互功能模塊庫、嵌入對象連接過程控制(OPC)服務(wù)器模塊庫以及硬件驅(qū)動程序庫和嵌入式操作系統(tǒng)定制器；上述重組開發(fā)平臺包括數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境和運行環(huán)境，其中開發(fā)環(huán)境和運行環(huán)境相互分離，運行環(huán)境是由開發(fā)環(huán)境重組生成。
本發(fā)明數(shù)字接口板由軟件控制產(chǎn)生定期的中斷信號對運動控制過程進行有節(jié)拍的控制，輸出實時控制伺服電機的方向和速度信號，完成系統(tǒng)的運動控制任務(wù)，通過編碼器接口接收外部輸入的脈沖個數(shù)進行計數(shù)，實時獲取伺服電機運動的當(dāng)前位置，實現(xiàn)高精度控制，數(shù)字輸入輸出接口與數(shù)控軟件一起實現(xiàn)軟可編程邏輯控制器(PLC)對機床中的各個部件的工藝邏輯順序進行控制，完成生產(chǎn)加工過程的控制，并且接收傳感器和開關(guān)的狀態(tài)信息，實時提供加工過程和故障診斷的狀態(tài)信息；本數(shù)控系統(tǒng)除了與外界的驅(qū)動接口外，全部由單板計算機實現(xiàn)，并且數(shù)控系統(tǒng)的軟件功能模塊可通過系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境配置，在實際應(yīng)用中，本發(fā)明的數(shù)控軟件和嵌入式實時操作系統(tǒng)映像，可以使用重組開發(fā)平臺由用戶或系統(tǒng)開發(fā)商根據(jù)產(chǎn)品的加工要求，按照規(guī)則輸入系統(tǒng)需求形成系統(tǒng)需求描述，由開發(fā)平臺中的系統(tǒng)需求描述器/分析器/自動建模器，生成數(shù)控系統(tǒng)中用戶需要的功能模塊；用戶也可以根據(jù)需要，通過功能塊編輯器創(chuàng)建自己需要的功能塊，然后使用功能塊連接器創(chuàng)建用戶數(shù)控應(yīng)用功能塊邏輯，由功能塊編譯器把用戶數(shù)控應(yīng)用功能塊邏輯與預(yù)先提供的功能塊庫、軟件運動控制和軟件PLC模塊庫、故障診斷模塊庫、人機交互功能模塊庫、OPC服務(wù)器模塊庫以及硬件驅(qū)動程序庫中相應(yīng)的模塊進行編譯連接，產(chǎn)生用戶要求的數(shù)控軟件，然后由嵌入式操作系統(tǒng)定制器根據(jù)硬件定制Windows CE.NET嵌入式實時操作系統(tǒng)映像，把操作系統(tǒng)映像和數(shù)控軟件打包成二進制壓縮映像，下載到嵌入式目標(biāo)硬件平臺并存儲在CF卡上。其中操作系統(tǒng)映像主要負(fù)責(zé)各功能塊的實例對象的創(chuàng)建、協(xié)調(diào)運行和管理控制任務(wù)的分配，用戶創(chuàng)建的數(shù)控應(yīng)用功能塊邏輯則實現(xiàn)用戶的生產(chǎn)加工過程控制。從而實現(xiàn)數(shù)控軟件和嵌入式實時操作系統(tǒng)映像由重組開發(fā)平臺根據(jù)用戶或系統(tǒng)開發(fā)商的需要生成并且下載到目標(biāo)硬件平臺上運行，進行數(shù)控加工。
由于本發(fā)明采用上述技術(shù)方案，經(jīng)過簡單的重組即可應(yīng)用于數(shù)控車床、銑床、鉆床、磨床、彎管設(shè)備等多種機床類型；經(jīng)過簡單的重組即可實現(xiàn)一個到多個運動軸、一個到多個外圍輔助設(shè)備的控制應(yīng)用；這種面向用戶的功能塊構(gòu)件方法可使用戶自己或系統(tǒng)開發(fā)商根據(jù)實際需要對數(shù)控軟件進行重組，獲得更大的靈活性，以快速對市場需求做出響應(yīng)；本數(shù)控系統(tǒng)除了與外界的驅(qū)動接口外，將目前由運動控制卡實現(xiàn)的運動插補功能全部由運行在單板計算機上的軟件實現(xiàn).故去除了控制卡，一方面可降低整個系統(tǒng)的成本，另一方面可通過對軟件模塊的選擇實現(xiàn)對數(shù)控系統(tǒng)的定制，數(shù)控系統(tǒng)的軟件功能模塊可通過系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境配置；本發(fā)明的軟件開發(fā)環(huán)境和運行環(huán)境相分離，更易對數(shù)控系統(tǒng)控制采用模塊化的定制，且具有開放性，可比較容易實現(xiàn)功能的改變或新功能的添加以及集成更新的技術(shù)。


圖1、本發(fā)明實施例開放式軟數(shù)控系統(tǒng)硬件嵌入式主板和數(shù)字接口板構(gòu)成示意2、本發(fā)明實施例開放式軟數(shù)控系統(tǒng)的軟件重組開發(fā)平臺構(gòu)成示意圖具體實施方式
以下結(jié)合實施例及附圖對本發(fā)明作進一步說明在圖1中，中央微處理器1、顯示控制器和總線控制器2、PC/104總線接口3、LCD接口或VGA接口4、并行接口5、串行接口6、以太網(wǎng)控制器和以太網(wǎng)接口7、通用串行接口(USB)8、鍵盤和鼠標(biāo)接口9、BIOS10、硬盤接口11、內(nèi)存(SDRAM)12、CF卡13、時鐘發(fā)生器和電源14、PCI總線15、PC/104總線16組成本發(fā)明開放式軟數(shù)控系統(tǒng)的嵌入式主板。
中央微處理器1通過PCI總線15和以太網(wǎng)控制器和以太網(wǎng)接口7相連，通過內(nèi)部總線和顯示控制器和總線控制器2相連，通過內(nèi)存接口和內(nèi)存(SDRAM)12連接；顯示控制器和總線控制器2通過PC/104總線16分別連接PC/104總線接口3、串行接口6、并行接口5、CF卡13、硬盤接口11、BIOS10，同時提供了通用串行接口(USB)8、鍵盤和鼠標(biāo)接口9、LCD接口或VGA接口4。
其中，中央微處理器1，采用32位高性能的嵌入式低功耗處理器芯片，用于系統(tǒng)整體的控制運算，軟件運動插補運算，調(diào)度任務(wù)計算、故障診斷計算以及功能性的協(xié)調(diào)，在使用根據(jù)嵌入式主板硬件定制的Windows CE.NET實時嵌入式操作系統(tǒng)映像的工作環(huán)境下，主要完成對系統(tǒng)的整體控制運算，運動軟件插補，任務(wù)協(xié)調(diào)管理。并且通過和數(shù)字接口板相互配合，完成實時運動軟件插補計算和復(fù)雜的控制和功能性的任務(wù)。
顯示控制器和總線控制器2，作為系統(tǒng)中央微處理器1連接其他部件之間的橋梁，支持標(biāo)準(zhǔn)的PCI和PC104總線，可以連接支持PCI或PC104總線的其他部件與中央微處理器1以及操作系統(tǒng)協(xié)調(diào)和控制各部件之間的實時數(shù)據(jù)傳輸、計算和變換，并且通過顯示控制器的LCD或VGA接口連接LCD或CRT，進行實時的控制數(shù)據(jù)，工作狀態(tài)以及系統(tǒng)幫助等信息的顯示?？偩€控制器管理著與并行接口5、串行接口6、以太網(wǎng)控制器和以太網(wǎng)接口7、通用串行接口(USB)8、通用鍵盤和鼠標(biāo)接口9、BIOS10、硬盤接口11、CF卡13之間以及與中央微處理器1的數(shù)據(jù)通訊，協(xié)調(diào)各個部件之間任務(wù)處理。
PC/104總線接口3，提供嵌入式主板的擴展能力，支持具有PC/104接口的其他計算、控制或功能性的板卡。接口是堆疊式的，通過該接口，可以添加多個以后需要其他功能的附加硬件和軟件模塊，使得該數(shù)控系統(tǒng)具有良好靈活的擴展能力。
LCD接口或VGA接口4，對LCD或CRT監(jiān)示器提供了控制和傳輸顯示數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)接口，對系統(tǒng)的控制數(shù)據(jù)，工作狀態(tài)信息以及系統(tǒng)幫助信息進行實時處理和圖形化顯示，幫助用戶清晰的了解當(dāng)前數(shù)控系統(tǒng)的狀態(tài)。
并行接口5，提供了與打印機的連接，通過該接口和打印機，輸出用戶編輯的加工程序信息，系統(tǒng)工作狀態(tài)信息，系統(tǒng)故障自我診斷信息，用戶使用記錄，生產(chǎn)記錄。
串行接口6，提供標(biāo)準(zhǔn)的計算機進行串行傳輸接口，通過軟件提供的標(biāo)準(zhǔn)調(diào)制解調(diào)器驅(qū)動和支持標(biāo)準(zhǔn)的調(diào)制解調(diào)器，實現(xiàn)撥號連網(wǎng)，在一些只能使用調(diào)制解調(diào)器連網(wǎng)的地區(qū)或用戶同樣提供專線或電話連網(wǎng)的能力。提供連接和處理本數(shù)控系統(tǒng)與工廠企業(yè)內(nèi)部局域網(wǎng)和國際互連網(wǎng)絡(luò)Internet之間的數(shù)據(jù)信息和控制信息傳輸。而且通過顯示控制器和總線控制器2以及PC/104總線接口3與數(shù)字接口板相連通訊，和定制的軟件一起協(xié)同實現(xiàn)系統(tǒng)的遠程狀態(tài)監(jiān)控和故障診斷。
以太網(wǎng)控制器和以太網(wǎng)接口7，用于連接和處理本數(shù)控系統(tǒng)與其他數(shù)控系統(tǒng)，生產(chǎn)線數(shù)控工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)，工廠企業(yè)內(nèi)部局域網(wǎng)和國際互連網(wǎng)絡(luò)Internet之間的數(shù)據(jù)信息和控制信息傳輸。以太網(wǎng)控制器和以太網(wǎng)接口7通過PCI總線15和中央微處理器1以及顯示控制器和總線控制器2相連，通過總線控制器的協(xié)調(diào)和控制，用于接收網(wǎng)絡(luò)傳輸過來的數(shù)據(jù)信息解碼網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，還原用戶的數(shù)據(jù)和控制信息，提供給中央微處理器1和定制的嵌入式實時操作系統(tǒng)Windows CE.NET進行處理和控制系統(tǒng)的生產(chǎn)加工運作過程，數(shù)控系統(tǒng)現(xiàn)場運行信息、狀態(tài)信息、生產(chǎn)信息同時也通過PCI總線15和以太網(wǎng)控制器和以太網(wǎng)接口7進行協(xié)議編碼和上傳到生產(chǎn)管理中心或數(shù)據(jù)集中服務(wù)器進行存儲記錄，供給歷史生產(chǎn)分析和數(shù)控系統(tǒng)狀態(tài)分析。以太網(wǎng)控制器和以太網(wǎng)接口7還通過PCI總線15、顯示控制器和總線控制器2以及PC/104總線接口3與數(shù)字接口板相連通訊，和定制的軟件一起協(xié)同實現(xiàn)系統(tǒng)的遠程狀態(tài)監(jiān)控和故障診斷。
通用串行接口(USB)8，提供了即插即用的功能，使得用戶可以使用USB設(shè)備進行數(shù)據(jù)傳輸，該接口用于管理USB設(shè)備和數(shù)控系統(tǒng)之間的通訊。支持USB便攜式存儲設(shè)備、USB定位設(shè)備、USB輸入設(shè)備、USB觸摸設(shè)備。通用串行接口(USB)8通過顯示控制器和總線控制器2、PCI總線15以及PC/104總線接口3與其他相關(guān)部件進行數(shù)據(jù)信息通訊。
鍵盤和鼠標(biāo)接口9，提供系統(tǒng)與鍵盤和鼠標(biāo)的連接，通過顯示控制器和總線控制器2把用戶的按鍵信息和屏幕定位信息輸入到系統(tǒng)中，由中央微處理器1進行處理，實現(xiàn)用戶與數(shù)控系統(tǒng)的控制和交互。
BIOS，基本輸入輸出系統(tǒng)，提供了數(shù)控系統(tǒng)嵌入式主板硬件級別的初始化和管理，并且提供給上層應(yīng)用可輸出的硬件服務(wù)。
硬盤接口11和CF卡13，硬盤接口11用于提供連接硬盤存儲設(shè)備，當(dāng)需要存儲大容量數(shù)據(jù)信息時，使用硬盤是一個經(jīng)濟的方式。CF卡13用于存放嵌入式實時操作系統(tǒng)、數(shù)控軟件、存放生產(chǎn)加工信息，系統(tǒng)診斷信息的數(shù)據(jù)庫以及通過網(wǎng)絡(luò)傳輸過來的數(shù)據(jù)和控制信息，作為整個系統(tǒng)存放信息的區(qū)域。
內(nèi)存(SDRAM)12，與中央微處理器1直接相連，提供系統(tǒng)運行時裝載操作系統(tǒng)和數(shù)控軟件以及暫時存放信息。
上述中央微處理器、各類控制器和接口、部件以及連接在PC/104總線接口3上的數(shù)字接口板通過PCI總線15和PC/104總線相互連接，由顯示控制器和總線控制器2進行總線之間的協(xié)調(diào)和管理，把數(shù)控系統(tǒng)外界的信息輸送到嵌入式主板的各個相應(yīng)部件進行處理，并且通過各個接口以及連接在PC/104總線接口3上的數(shù)字接口板將系統(tǒng)的控制命令和數(shù)據(jù)傳輸?shù)酵獠靠刂撇考?br> PCI總線15、PC/104總線16，PCI總線15支持32位模式，用于具有PCI接口的設(shè)備或芯片，PC/104總線16則提供16位數(shù)據(jù)寬度的通道連接多個部件，PCI總線15和PC/104總線16主要負(fù)責(zé)控制器、接口、存儲CF卡、USB設(shè)備、輸入輸出、數(shù)字接口板和中央微處理器1之間的連接與通訊，作為傳輸數(shù)據(jù)、地址數(shù)據(jù)和控制信號的橋梁。
時鐘發(fā)生器和電源14，提供整個嵌入式主板和數(shù)字接口板的電源和驅(qū)動中央微處理器、各類控制器、總線和接口的工作時鐘。
圖1所示的開放式軟數(shù)字接口板由定時器計數(shù)器17、定時器中斷邏輯18、PC/104總線接口19、邏輯控制器20、時鐘21、IO中斷邏輯22、緩沖數(shù)字IO接口23、編碼器接口24、4-軸普通接口25、4-軸差分接口26組成，符合PC/104總線標(biāo)準(zhǔn)，具有自堆疊的能力，數(shù)字接口板通過接口連接數(shù)控機床中的伺服電機、編碼器、限位開關(guān)、狀態(tài)檢測傳感器，提供了控制數(shù)據(jù)或狀態(tài)數(shù)據(jù)與執(zhí)行部件之間的傳輸和控制。
數(shù)字接口板通過PC/104總線接口19連接到嵌入式主板上的PC/104總線接口3，由主板和軟件進行控制。邏輯控制器20分別與定時器計數(shù)器17、定時器中斷邏輯18、PC/104總線接口19、時鐘21、IO中斷邏輯22、緩沖數(shù)字IO接口23接，進行邏輯控制；定時器計數(shù)器17和定時器中斷邏輯18相連，產(chǎn)生定時中斷控制；定時器計數(shù)器17分別與4-軸普通接口25、4-軸差分接口26連接，提供控制伺服電機的信號；定時器計數(shù)器17與編碼器接口24以及時鐘21相連組成計數(shù)器，對編碼器的脈沖進行計數(shù)。
其中，邏輯控制器20，用于對來自通過PC/104總線接口19傳輸?shù)那度胧街靼宓臄?shù)據(jù)信息進行邏輯譯碼，對定時器計數(shù)器17、定時器中斷邏輯18、IO中斷邏輯22、4-軸普通接口25、4-軸差分接口26和7進行控制，發(fā)送控制信息或者從編碼器接口24、緩沖數(shù)字IO接口23接收外部編碼器、傳感器，開關(guān)的狀態(tài)信息，然后通過PC/104總線接口19把外部連接部件的狀態(tài)信息傳輸?shù)綌?shù)控系統(tǒng)中。
定時器計數(shù)器17，由數(shù)控軟件對加工程序分析生成運動控制數(shù)據(jù)，進行軟件插補后對定時器進行控制產(chǎn)生可以調(diào)節(jié)變化的脈沖，與4-軸普通接口25和4-軸差分接口26協(xié)同工作，輸出控制伺服電機的方向和速度信號，對伺服電機進行實時控制，并且由定時器和定時器中斷邏輯產(chǎn)生定期的中斷信號由數(shù)控系統(tǒng)對運動控制過程進行有節(jié)拍的控制，完成生產(chǎn)加工中數(shù)控系統(tǒng)的運動控制任務(wù)。計數(shù)器用于對通過編碼器接口24接收外部輸入的脈沖個數(shù)進行計數(shù)，實時獲取伺服電機運動的當(dāng)前位置，反饋給數(shù)控軟件，實現(xiàn)高精度的生產(chǎn)加工控制。
定時器中斷邏輯18，用于控制定時器如何產(chǎn)生中斷信號，并且通過PC/104總線接口19向嵌入式主板上的中央微處理器提出中斷請求，要求其提供響應(yīng)的中斷服務(wù)。
IO中斷邏輯22，用于控制連接傳感器的輸入信號如何按其狀態(tài)產(chǎn)生具有優(yōu)先權(quán)排列的中斷信號，并且通過PC/104總線接口19向嵌入式主板上的中央微處理器提出中斷請求，要求其提供響應(yīng)的中斷服務(wù)，對機床的狀態(tài)做出實時正確的處理。
緩沖數(shù)字IO接口23，其中數(shù)字輸出接口用于控制開關(guān)，與數(shù)控軟件一起實現(xiàn)軟PLC對機床中的各個部件的工藝邏輯順序進行控制，完成生產(chǎn)加工過程的控制。數(shù)字輸入接口用于接收傳感器和開關(guān)的狀態(tài)信息，并且實時的通過PC/104總線接口19反饋給系統(tǒng)，提供加工過程和故障診斷的狀態(tài)信息。
4-軸普通接口25和4-軸差分接口26，提供連接4軸伺服電機的接口，控制伺服電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動方向，實現(xiàn)運動控制。普通接口和差分接口分別提供了不同的連接方式，提高了數(shù)字接口板的適應(yīng)能力。
PC/104總線接口19，用于與嵌入式主板的連接，實現(xiàn)他們之間的數(shù)據(jù)通訊和控制。
時鐘21，提供給定時器計數(shù)器17的定時器進行計時，與定時器中斷邏輯18產(chǎn)生精確的控制節(jié)拍。
圖2顯示了本發(fā)明開放式軟數(shù)控系統(tǒng)的軟件構(gòu)成示意圖系統(tǒng)軟件是一重組開發(fā)平臺，由系統(tǒng)需求描述器/分析器/自動建模器、功能塊編輯器、功能塊連接器、功能塊編譯器、功能塊庫、軟件運動控制和軟件PLC模塊庫、故障診斷模塊庫、人機交互功能模塊庫、OPC服務(wù)器模塊庫以及硬件驅(qū)動程序庫和嵌入式操作系統(tǒng)定制器組成。
功能塊庫、軟件運動控制和軟件PLC模塊庫、故障診斷模塊庫、人機交互功能模塊庫、OPC服務(wù)器模塊庫以及硬件驅(qū)動程序庫可以由第三方廠商或公司提供，例如人機交互功能模塊庫可以采用Intellution和RedLion公司的人機交互模塊庫，故障診斷模塊庫、軟件PLC模塊庫西門子公司S7系列的PLC模塊庫，功能塊庫、軟件運動控制可以采用ServoWorks公司的模塊庫，或者由用戶自己創(chuàng)建提供。
嵌入式操作系統(tǒng)定制器是MICROSOFT的平臺定制器(Platform Builder)。硬件驅(qū)動程序庫中每種硬件設(shè)備的驅(qū)動架構(gòu)具有相似的結(jié)構(gòu)，包含提供上層應(yīng)用程序調(diào)用的統(tǒng)一函數(shù)接口XXX_Init、XXX_DeInit、XXX_Open、XXX_Close、XXX_Read、XXX_Write、XXX_Seek、XXX_PowerUp、XXX_PowerDown、XXX_IOControl。其中XXX是硬件設(shè)備驅(qū)動程序的名稱，各個不同硬件設(shè)備之間的設(shè)備名稱不可相同，同一種的多個設(shè)備可以使用索引號進行區(qū)分，XXX_Init函數(shù)接口負(fù)責(zé)驅(qū)動程序在系統(tǒng)開機時的初始化；XXX_DeInit函數(shù)接口則在驅(qū)動程序不再使用時由應(yīng)用程序或操作系統(tǒng)顯式從內(nèi)存中卸載；XXX_Open函數(shù)接口由應(yīng)用程序控制打開硬件設(shè)備驅(qū)動程序獲得對硬件設(shè)備的控制句柄；XXX_Close函數(shù)接口關(guān)閉由XXX_Open打開的控制句柄，但并不把驅(qū)動程序從內(nèi)存中卸載；XXX_Read函數(shù)接口提供給應(yīng)用程序從硬件設(shè)備讀取數(shù)據(jù)；XXX_Write函數(shù)接口則由應(yīng)用程序往硬件設(shè)備輸出數(shù)據(jù)；XXX_Seek函數(shù)接口允許應(yīng)用程序在設(shè)備數(shù)據(jù)中定位；XXX_PowerUp和XXX_PowerDown函數(shù)接口則提供對設(shè)備的電源控制，以達到節(jié)能的目的；XXX_IOControl函數(shù)接口提供給應(yīng)用程序控制硬件設(shè)備的輸入和輸出。
各個模塊庫分別包含了某一方面的處理算法控制的實現(xiàn)，功能塊庫則從用戶的角度描述了數(shù)控系統(tǒng)的各種功能塊——運動控制功能塊(負(fù)責(zé)運動速度、位置、精度和方向的處理)、PLC控制功能塊(負(fù)責(zé)生產(chǎn)加工過程邏輯順序控制)、故障診斷功能塊(負(fù)責(zé)信號采集、監(jiān)測、記錄、處理分析預(yù)測和診斷以及通過OPC服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)接口實現(xiàn)遠程監(jiān)控)、人機交互(HMI)功能塊(負(fù)責(zé)處理鍵盤輸入和狀態(tài)顯示)、用戶加工程序編輯功能塊(負(fù)責(zé)編輯和編譯用戶加工程序)、數(shù)據(jù)庫管理功能塊(負(fù)責(zé)信息的存儲和數(shù)據(jù)挖掘處理)，提供給用戶豐富而齊全的功能塊庫創(chuàng)建靈活的應(yīng)用，實現(xiàn)了面向用戶的開放性。
數(shù)控軟件和嵌入式實時操作系統(tǒng)映像由重組開發(fā)平臺根據(jù)用戶或系統(tǒng)開發(fā)商的需要生成并且下載到目標(biāo)硬件平臺上運行，實現(xiàn)數(shù)控加工。
權(quán)利要求
1.一種開放式可重組軟數(shù)控系統(tǒng)，其特征在于由32位及32位以上的嵌入式單板機、數(shù)字IO接口卡、軟件包組成的重組開發(fā)平臺組成；所述嵌入式單板機設(shè)有中央微處理器(1)，中央微處理器與電源和時鐘發(fā)生器(14)連接，并通過PCI總線(15)與以太網(wǎng)控制器和以太網(wǎng)接口(7)相連；通過內(nèi)部總線與顯示控制器和總線控制器(2)相連；通過內(nèi)存接口與內(nèi)存SDRAM(12)連接；上述顯示控制器和總線控制器(2)通過PC/104總線(16)分別連接PC/104總線接口(3)、串行接口(6)、并行接口(5)、CF卡(13)、硬盤接口(11)、BIOS(10)；同時設(shè)有鍵盤和鼠標(biāo)接口(9)、LCD接口或VGA接口(4)；其中CF卡存儲了根據(jù)主板硬件定制的Windows CE.NET操作系統(tǒng)，及數(shù)控應(yīng)用程序，操作系統(tǒng)映像和數(shù)控應(yīng)用程序由軟件開發(fā)環(huán)境配置而成；所述的顯示控制器和總線控制器，作為系統(tǒng)中央微處理器連接其他部件之間的橋梁，支持標(biāo)準(zhǔn)的PCI和PC104總線，并且通過顯示控制器連接LCD或普通顯示器，進行信息顯示，總線控制器管理系統(tǒng)中各個部件之間以及與中央微處理器的數(shù)據(jù)通訊，協(xié)調(diào)各個部件之間任務(wù)處理；所述的PC/104總線接口，提供嵌入式主板擴展能力；所述的數(shù)字IO接口卡設(shè)有邏輯控制器(20)，邏輯控制器分別與定時器計數(shù)器(17)、定時器中斷邏輯(18)、PC/104總線接口(19)、時鐘(21)、IO中斷邏輯(22)、緩沖數(shù)字IO接口(23)連接，進行邏輯控制；上述定時器計數(shù)器(17)與定時器中斷邏輯(18)相連，產(chǎn)生定時中斷控制；定時器計數(shù)器(17)分別與4-軸普通接口(25)、4-軸差分接口(26)連接，提供控制伺服電機的信號；定時器計數(shù)器(17)與編碼器接口(24)以及時鐘(21)相連組成計數(shù)器，對編碼器的脈沖進行計數(shù)；所述的數(shù)字IO接口卡通過PC/104總線接口(19)連接到嵌入式單板機的PC/104總線接口(3)，由主板和軟件進行控制；上述數(shù)字IO接口卡組成本發(fā)明的開放式軟數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)字接口板，符合PC/104總線標(biāo)準(zhǔn)，具有自堆疊的能力，數(shù)字接口板通過接口連接數(shù)控機床中的伺服電機、編碼器、限位開關(guān)、狀態(tài)檢測傳感器，以提供控制數(shù)據(jù)或狀態(tài)數(shù)據(jù)與執(zhí)行部件之間的傳輸和控制；所述的重組開發(fā)平臺設(shè)有由系統(tǒng)需求描述器/分析器/自動建模器、功能塊編輯器、功能塊連接器、功能塊編譯器、功能塊庫、軟件運動控制和軟件PLC模塊庫、故障診斷模塊庫、人機交互功能模塊庫、嵌入對象連接過程控制服務(wù)器模塊庫以及硬件驅(qū)動程序庫和嵌入式操作系統(tǒng)定制器；上述重組開發(fā)平臺包括數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境和運行環(huán)境，開發(fā)環(huán)境和運行環(huán)境相互分離，運行環(huán)境是由開發(fā)環(huán)境重組生成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的開放式可重組軟數(shù)控系統(tǒng)，其特征在于所述的數(shù)字接口板由軟件控制產(chǎn)生定期的中斷信號對運動控制過程進行有節(jié)拍的控制，輸出實時控制伺服電機的方向和速度信號，完成系統(tǒng)的運動控制任務(wù)，通過編碼器接口接收外部輸入的脈沖個數(shù)進行計數(shù)，實時獲取伺服電機運動的當(dāng)前位置，實現(xiàn)高精度控制，數(shù)字輸入輸出接口與數(shù)控軟件一起實現(xiàn)軟可編程邏輯控制器對機床中的各個部件的工藝邏輯順序進行控制，完成生產(chǎn)加工過程的控制，并且接收傳感器和開關(guān)的狀態(tài)信息，實時提供加工過程和故障診斷的狀態(tài)信息。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的開放式可重組軟數(shù)控系統(tǒng)，其特征在于所述的以太網(wǎng)控制器和以太網(wǎng)接口通過與數(shù)字接口板相連通訊，與定制的軟件一起協(xié)同實現(xiàn)系統(tǒng)的遠程狀態(tài)監(jiān)控和故障診斷。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的開放式可重組軟數(shù)控系統(tǒng)，其特征在于所述的顯示控制器和總線控制器(2)設(shè)有通用串行接口USB(8)，具有即插即用的功能，可與USB設(shè)備進行數(shù)據(jù)傳輸。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的開放式可重組軟數(shù)控系統(tǒng)，其特征在于所述的顯示控制器和總線控制器(2)設(shè)有通用串行接口USB(8)，具有即插即用的功能，可與USB設(shè)備進行數(shù)據(jù)傳輸。
全文摘要
一種開放式可重組軟數(shù)控系統(tǒng)，由32位及32位以上的嵌入式單板機、數(shù)字IO接口卡、軟件包組成的重組開發(fā)平臺組成；單板機中顯示控制器和總線控制器接有CF卡，運行軟件通過數(shù)字接口板完成對機床的時實控制，重組開發(fā)平臺設(shè)有由系統(tǒng)需求描述器/分析器/自動建模器、功能塊編輯器、功能塊連接器、功能塊編譯器、功能塊庫、軟件運動控制和軟件PLC模塊庫、故障診斷模塊庫、人機交互功能模塊庫、嵌入對象連接過程控制服務(wù)器模塊庫以及硬件驅(qū)動程序庫和嵌入式操作系統(tǒng)定制器。本發(fā)明可省去運動控制卡，降低整個系統(tǒng)的成本，并可通過面向用戶的重組開發(fā)平臺由用戶自己或開發(fā)商根據(jù)實際需要對數(shù)控軟件進行重組，獲得更大的靈活性，快速響應(yīng)對市場需求。
文檔編號G05B15/02GK1601415SQ200410051840
公開日2005年3月30日 申請日期2004年10月15日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月15日
發(fā)明者李迪, 賴乙宗 申請人:李迪, 賴乙宗