專利名稱：一種開放式數(shù)控系統(tǒng)的實時內(nèi)核芯片的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬先進控制與先進制造領域，具體涉及一種用于開放式數(shù)控系統(tǒng)的實時內(nèi)核芯片。
背景技術：
基于IEEE定義的現(xiàn)有開放式數(shù)控系統(tǒng)是以實時操作系統(tǒng)(Real Time Operating System, RTOS)為中心的系統(tǒng)架構。實時操作系統(tǒng)中關于內(nèi)外資源的管理機制以及關于內(nèi)外環(huán)境變化的應變機制與插補迭代控制算法的運算規(guī)則緊密耦合在一起構成一種普適的數(shù)字控制方法即插補迭代控制方法，實時操作系統(tǒng)從而成為進行實時插補迭代的實時控制中心。插補迭代控制方法貫穿于數(shù)字控制技術與數(shù)控系統(tǒng)的全部歷史，創(chuàng)建了數(shù)控系統(tǒng)的“插補時代”。在上世紀七十年代以前，計算機基本上只用于科學計算，其應用環(huán)境是多個用戶程序的管理，由此產(chǎn)生了面向多用戶的分時操作系統(tǒng)。八十年代后，計算機廣泛應用于生產(chǎn)過程的實時控制。為了解決操作系統(tǒng)的實時性，在通常的多用戶分時操作系統(tǒng)中嵌入一個實時內(nèi)核，并稱之為實時操作系統(tǒng)。例如，在PC中，WindowsNT+RTX與Linux+RTLinux便廣泛使用實時內(nèi)核RTX與RTLinux。文獻《PC數(shù)控原理、系統(tǒng)及應用》(作者周凱，機械工業(yè)出版社2007年7月第1 版 第2次印刷)指出，在基于PC的現(xiàn)有開放式數(shù)控系統(tǒng)中，實時內(nèi)核是數(shù)控軟件系統(tǒng)的核心。數(shù)控軟件系統(tǒng)的結構、設計與運行管理所涉及的“以多進程和多線程等方式實現(xiàn)的多任務軟件設計”，“對實時性和可靠性要求相當苛刻的實時軟件設計”，“實時軟件與非實時軟件間的相互協(xié)調運行和信息交換”等問題均依賴于實時內(nèi)核。IEEE (Institute of Electrical and Electronic s Engineers,電氣電子工禾呈師協(xié)會)關于開放式系統(tǒng)的定義為“符合系統(tǒng)規(guī)范的應用系統(tǒng)可以運行在多個銷售商的不同平臺上，可以與其它系統(tǒng)的應用進行互操作，并且具有一致風格的用戶交互界面。”中國國家標準《GB/T 18759. 1-2002 ·機械電氣設備·開放式數(shù)控系統(tǒng) 第1部分總則》抓住IEEE定義的本質并遵循IEEE定義的基本原則，在3. 1款中直截了當將開放性定義為應用軟件的“即插即用”，將開放式數(shù)控系統(tǒng)定義為“指應用軟件構筑于遵循公開性、可擴展性、兼容性原則的系統(tǒng)平臺之上的數(shù)控系統(tǒng)，使應用軟件具備可移植性、互操作性和人機界面的一致性。”上述定義表明，在體系結構上，現(xiàn)有開放式數(shù)控系統(tǒng)完全被IEEE定義“計算機化”，成為需要配置實時操作系統(tǒng)的通用計算機系統(tǒng)，數(shù)控軟件系統(tǒng)則只是其中的一個專用應用系統(tǒng)。實時性的本質為timing predictability，指的是操作系統(tǒng)中所有任務的運行時間是可預見的，也就是說，實時性是指操作系統(tǒng)在可預見的時間內(nèi)響應和處理外部事件的
表1中，時間T被咼散分割為η個區(qū)間Δ、，. . .，Δ tn，X、y、Z、A、B等5個變量在Ati內(nèi)的坐標值增量為ΔΧ” ΔΥ > ΔΖ” ΔΑ” ΔΒ^在基于IEEE定義的現(xiàn)有開放式數(shù)控系統(tǒng)中，At1，...，Atn為實時操作系統(tǒng)的分時周期，是等長的，稱之為插補周期。在實時操作系統(tǒng)的控制下，插補迭代控制算法在插補
能力。因此，所謂實時內(nèi)核，必然涉及操作系統(tǒng)中與進程調度/線程調度有關的高精度時鐘管理、多級嵌套中斷管理、任務調度的通信與同步等依賴低層硬件的基本功能。換言之，現(xiàn)有開放式數(shù)控系統(tǒng)中的實時內(nèi)核并非是針對數(shù)字控制中的具體實時過程，而是針對操作系統(tǒng)響應和處理內(nèi)外環(huán)境變化的應變機制。事實上，由于工業(yè)應用環(huán)境的復雜性，導致實時過程的具體形態(tài)差異極大。對于種種不同形態(tài)的實時過程采用統(tǒng)一的應變機制違反了具體問題具體分析的原則，必然耗費大量的計算資源并導致事倍功半的效果。對于數(shù)字控制來說，上述實時內(nèi)核作為數(shù)控軟件系統(tǒng)的核心還存在下述問題。實時內(nèi)核中的關鍵技術是進程調度/線程調度。實時性將進程調度復雜化。并行算法又將進程調度進一步復雜化。更為麻煩的是線程，與機器指令級流水線的并發(fā)性和處理器級進程的并發(fā)性相比，線程的并發(fā)性所面臨的不確定性極為復雜。進程與線程，再加上并行算法，導致實時操作系統(tǒng)的高度復雜化以及數(shù)控軟件系統(tǒng)的高度復雜化。對于高速高精度的多軸系統(tǒng)，數(shù)控軟件系統(tǒng)勢必成為采用并行算法、涉及多進程/多線程嵌套調用以及多重實時嵌套中斷的一個龐大而復雜的中斷系統(tǒng)。為了研發(fā)這個龐大而復雜的中斷系統(tǒng)，既要精通數(shù)字控制技術，又要精通計算機軟硬體系結構，還要精通并行算法與多線程編程。這就意味著，數(shù)控軟件系統(tǒng)成為所謂的專家型系統(tǒng)，即只有精通上述技術的復合型專家才能研發(fā)的系統(tǒng)，用戶無法進行二次開發(fā)，從而完全喪失了開放性。操作系統(tǒng)是一個極為復雜的系統(tǒng)，可能隱含有幾百上千個潛在的漏洞。問題是，沒有什么人能完全理解一個完整的操作系統(tǒng)。因而，這些漏洞往往需要幾年、十幾年的維護時間來修復，并且也很難徹底消除。統(tǒng)計資料指出，影響計算機系統(tǒng)可靠性的因素，硬件錯誤僅占百分之幾，絕大多數(shù)的錯誤來源于系統(tǒng)的管理。顯然，系統(tǒng)管理的錯誤則基本上來源于操作系統(tǒng)。特別是，因延遲(delay)之永恒性與不確定性而導致流水線/線程/進程等層次產(chǎn)生“干擾”應該是導致系統(tǒng)管理錯誤的主要原因。因此，對于數(shù)控系統(tǒng)的可靠性來說， 實時操作系統(tǒng)猶如達摩克利斯之劍。眾所周知，在機械系統(tǒng)的數(shù)字控制過程中，所謂實時過程就是控制相關坐標軸聯(lián)動以合成刀路曲線(Tool Path)。在一般情況下，設聯(lián)動的坐標軸為X、y、Z、A、B等5軸，刀路曲線為X、y、Z、A、B等 5個變量的函數(shù)。將X、y、Z、A、B等5個伺服驅動裝置接收的坐標值增量依時序列為表1。
權利要求
1.一種開放式數(shù)控系統(tǒng)的實時內(nèi)核芯片，其特征在于，包括扇區(qū)分析模塊、聯(lián)動坐標軸設置模塊、聯(lián)動命令設置模塊、節(jié)律控制模塊、終點控制模塊、聯(lián)動接口 ；所述扇區(qū)分析模塊用于讀取隨動表中的控制信息；所述控制信息包括軌跡指令的順序碼、段碼、狀態(tài)字、控制節(jié)律Ati(i = l，...，n)；所述聯(lián)動坐標軸設置模塊用于從所述順序碼與所述段碼所指定的隨動表中讀取狀態(tài)字；所述狀態(tài)字用于指定聯(lián)動的坐標軸；所述聯(lián)動命令設置模塊用于從所述隨動表中讀取Ati(i = 1，. . .，η)； 所述節(jié)律控制模塊用于根據(jù)Ati(i = 1，. . .，η)指定的時間值輸出脈沖； 所述終點控制模塊用于控制刀路曲線的終點；所述聯(lián)動接口用于按照隨動表中的控制節(jié)律Ati(i = 1，. . . ,η)向狀態(tài)字指定的伺服驅動裝置發(fā)送聯(lián)動命令。
2.如權利要求1所述的開放式數(shù)控系統(tǒng)的實時內(nèi)核芯片，其特征還在于，所述聯(lián)動接口包括狀態(tài)字寄存器、T指針、T分割定時器、脈沖發(fā)生器；所述狀態(tài)字寄存器用于寄存狀態(tài)字，指定聯(lián)動的坐標軸； 所述T指針用于寄存隨動表的當前地址； 所述T分割定時器用于寄存Ati(i = l，...，n)，產(chǎn)生定時信號； 所述脈沖發(fā)生器用于根據(jù)所述T分割定時器中的定時信號產(chǎn)生脈沖； 所述聯(lián)動接口的每個數(shù)據(jù)位分別連接一個伺服驅動裝置。
3.如權利要求2所述的開放式數(shù)控系統(tǒng)的實時內(nèi)核芯片，其特征還在于，所述T分割定時器有多個，每個T分割定時器中的Ati可以實時修改；所述聯(lián)動接口以所述聯(lián)動脈沖的后沿作為聯(lián)動信息，用于異步控制。
4.如權利要求1所述的開放式數(shù)控系統(tǒng)的實時內(nèi)核芯片，其特征還在于，還包括用于向伺服驅動裝置發(fā)送軸聯(lián)動表的串行接口 ；所述串行接口為現(xiàn)場總線、RS232接口、RS485接口、USB接口或無線接口。
5.如權利要求1所述的開放式數(shù)控系統(tǒng)的實時內(nèi)核芯片，其特征還在于，還內(nèi)置有微處理器與中斷管理模塊；所述中斷管理模塊用于處理來自伺服驅動裝置的實時反饋信息。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種開放式數(shù)控系統(tǒng)的實時內(nèi)核芯片，將刀路曲線的實時控制過程轉化按照隨動表中的控制節(jié)律Δti(i＝1，...，n)單向發(fā)送同步脈沖，實現(xiàn)了實時控制方法與實時控制過程的開放性，具有簡單可靠的高速高精度多軸同步/異步能力，導致數(shù)字控制方法的重大變革。所述實時內(nèi)核芯片將刀路曲線的實時控制過程與聯(lián)動命令的實時發(fā)送過程合二為一，徹底消除了操作系統(tǒng)與現(xiàn)場總線對實時控制過程的制約。所述實時內(nèi)核芯片內(nèi)置有串行接口，涵蓋了運動控制接口。所述實時內(nèi)核芯片，功能與結構極為簡單，價格低廉、可靠性高，易于標準化，大大方便了用戶的開發(fā)使用。
文檔編號G05B19/25GK102354154SQ201110206678
公開日2012年2月15日 申請日期2011年7月22日 優(yōu)先權日2011年7月22日
發(fā)明者江俊逢 申請人:江俊逢