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1、?29?第2 5 卷 第2 期 2 0 0 3-2嵌入式L i n u x 在数控系统中的应用张承瑞吴俊卿李剑峰山东大学南校区 机械工程学院济南 2 5 0 0 6 1Application of embedded linux system in the numerical control systemZHANG Cheng-rui,WU Jun-qing,LI Jian-fengAbstract:Firstly,this paper introduces the conception and characteristic of the embedded system.Then,the pap
2、er discusses the application of embedded Linux system in the numericalcontrol system and emphasizes system modeling and the solution to realtime.Key words:embedded system;embedded linux system;numerical control system摘 要首先介绍了嵌入式系统的概念和特征然后讨论了嵌入式 L i n u x在数控系统中的应用文中着重阐述了系统建模和实时性解决方案关键词嵌入式系统嵌入式 L i n
3、u x 数控系统中图分类号TP 3 1 6 文献标识码A文章编号1 0 0 9-0 1 3 4(2 0 0 3)0 2-0 0 2 9-0 3Mechanical Engineering School,Shandong University,Jinan 250061,China收稿日期 2 0 0 2-0 9-0 9基金项目国家自然科学基金资助项目(5 9 9 7 5 0 5 5)作者简介张承瑞1957男福建福安人教授博士生导师主要研究方向为计算机应用数控技术1 嵌入式系统简介自从有了电脑,就开始了电脑在嵌入式系统中的应用嵌入式系统被定义为:以应用为中心以计算机技术为基础软件硬件可裁剪,适应于
4、对功能可靠性成本体积功耗严格要求的专用计算机系统嵌入式计算机在应用数量上远远超过了各种通用计算机,在制造工业通讯航空航天军事装备消费类产品等方面均是嵌入式计算机的应用领域嵌入式系统有如下特征:(1)嵌入式系统是面向用户面向应用的,它和具体应用有机地结合在一起,具有较长的生命周期(2)为了提高执行速度和系统可靠性嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器芯片或单片机本身中而不是存贮于磁盘等载体中(3)从节约存储空间角度考虑程序编写是高质量高效率的从而减少程序二进制代码长度最初的嵌入式系统是用汇编语言编写的对硬件的依赖性很强许多系统根本没有操作系统只有循环控制可是更多的嵌入式系统需要图形显示功能以及类网
5、络联接这时仅用简单的循环控制就不够用了必须使用操作系统目前嵌入式操作系统有很多如 Wi n d o ws C E v x wo r k s Q NX等但它们的价格普遍很高而嵌入式 L i n u x为这个问题提供了一个很好的解决方案由于其具有开放源代码强大的技术支持良好的稳定性可扩展性对众多硬件的支持等优势正成为嵌入式系统领域的一种新选择2 嵌入式L i n u x 在数控系统中的应用本例将嵌入式 L i n u x技术应用到普通车床中开发出基于嵌入式L i n u x 平台的数控车削系统下面将本系统的开发和研究作详细介绍2.1 系统建模数控车床是采用了数控技术的机床,它采用计算机作为控制系统
6、,其组成如图1 所示数控车床的核心是计算机数控(C o mp u t e r i z e dNu me r i c a l C o n t r o l,C NC)系统,它由程序I/0 设备,计算机数控装置可编程逻辑控制器(P L C)主轴进给驱动以及反馈测量部分组成其结构如图 1 中虚线框所示,核心部分是计算机数控装置?30?第2 5 卷 第2 期 2 0 0 3-2它由硬件和软件组成,硬件主体是计算机,软件包括管理软件和控制软件管理软件包括输入输出显示诊断等程序控制软件包括数控程序译码刀具补偿插补运算伺服控制等程序此外,采用软件 P L C代替继电器线路,实现主轴的起停转向,以及刀具更换冷却
7、润滑等机床辅助功能数控系统软件工作流程如图 2所示2.2 实时性解决方案实时的含义是指在规定的时限内能够传递正确的结果,迟到的结果就是错误实时系统又可以分为硬实时系统和软实时系统二者的区别在于:前者如果在不满足响应时限响应不及时或反应过早的情况下都会导致灾难性的后果(如航空航天系统);而后者则在不满足响应时限时,系统性能退化,但并不会导致灾难性的后果(如交换系统)从L i n u x进程调度的3 个策略:非实时,实时先进先出,实时基于优先权轮转法可以看出,L i n u x 对于实时任务是有特殊处理的(软实时),虽然并没有满足硬实时要求,但是这种软实时可以满足一般嵌入式系统的要求 在C NC系
8、统中,大部分强实时性任务如插补运算 位置控制 故障处理都要由中断处理来完成 如果中断响应不及时 则可能造成加工过程停刀,急停无法及时响应等后果 因此中断处理是重点,通常情况下中断响应时间要求小于1 0 0 s 而普通L i n u x一般是在6 0 0 s 内开始一个中断服务程序 为了解决实时性的问题,我们采用双内核的方法即L i n u x加R T-L i n u x的组合RT-L i n u x是由美国新墨西哥州的 F S M实验室开发的面向实时和嵌入式应用的操作系统R T-L i n u x 实现了一个小巧的实时内核(如图4 所示)它将L i n u x 内核作为新内核的一个具有最低优先
9、级的任务运行,可以被其它的高优先级任务抢占处理机因为完全抢占L i n u x 内核任务,使得它的响应速度特别快在一台3 8 6 机器上,R T-L i n u x 的中断响应时间不会超过1 5 s,因此能够满足数控系统的要求CNC系统中管理任务和控制任务必须同时进行,即所谓的并行处理,这是由 CNC装置的工作特点决定的即在一个插补周期内必须完成控制策略图1 数控车床组成框图主轴电机伺服电机位置检测主轴控制单元速度控制单元计算机控制 装 置加工程序P L CC N C系统它大体的数据流程是这样的:首先,程序解释任务对程序加工代码进行解释,然后将数据放到刀补缓冲区,进行刀补处理 刀补处理后的数据
10、存入插补缓冲区供插补任务处理,插补任务主要是在插补任务周期内完成各个轴的位置增量计算最后是伺服控制任务,它主要是发出运动指令控制各个轴的运动主要处理机床/进行逻辑控制和机床辅助功能的控制处理突发事件等依据机床功能分析我们利用嵌入式技术结合机床特点设计的嵌入式数控系统体系结构如图3 所示由于数控系统基本上是由人机接口译码P L C管理刀补处理插补计算伺服控制等几部分构成因此在软件结构上也划分为相应的功能模块硬件采用标准 P C,采用 F L AS H(闪存)代替硬盘 由于把程序固化到闪存中,大大提高了系统运行的稳定性,完全能够满足恶劣的现场环境采用L i n u x操作系统,在可靠性稳定性方面无
11、可挑剔此外,由于L i n u x内核的模块化结构,可以根据需要量体裁衣,易于数控系统的功能扩展图3 系统体系结构图图形用户界面译 码刀具补偿伺服控制软件P L C插 补嵌入式L i n u x操作系统硬件平台去 机 床图2 软件工作流程伺服控制插补处理刀具补偿P L C程序译码显示M,S,TF,X,Y,Z进给控制主轴控制机床控制?31?第2 5 卷 第2 期 2 0 0 3-2的计算,还要留出一定的时间去做其他的事情例如响应键盘输入,显示加工数据在单微处理器的C NC装置中,主要采用资源分时共享来解决多任务的并行运行,因此要首先解决的问题是各任务占用C P U时间的分配原则在C N C系统中
12、,就要对各种任务根据实时性要求按优先级排队我们设置如下中断优先级(0 级中断级别最底)0加工数据显示1 键盘输入2 译码刀具补偿等预处理3 I/O处理4 外部操作面板5 插补计算终点判别及转段处理6 位置控制7 故障检测R T-L i n u x 和L i n u x 相结合进行工作,按照实时性需求共同处理C N C系统中的任务 R T-L i n u x 的内核负责2 3 4 5 6 7 级实时任务而一些非实时任务可交由L i n u x 内核处理 例如0 1 级任务在两个内核之间可以通过多种途径进行通信,如F I F O,共享内存等方法两个内核相互协调,共同完成加工任务2.3 硬件和软件的
13、实现(1)硬件平台的选择硬件主板采用I B 7 5 5,这是一个典型的a l l-i n-o n e C P U板,其构成为标准的 P C/1 0 4,完全兼容X8 6 体系结构,其技术指标如下 集成于主板的C P U:T r a n s me t a C r u s o e P r o-c e s s o r 4 0 0 MHz(I B 7 5 5-4 s e r i e s)B I O S:A WA R D B I O S S u p p o r t A C P I,D MI,P n P 1 个D I MM插槽,最大支持2 5 6 M内存 1 个 F D D口图 4 R T-L in u
14、x 数据和控制流程示意图Interrupt control hardware(中断控制硬件)Real-time kernel(实时内核)Real-time tasks(实时内核)Linux processes(Linux程序)Linux 4 个串口(3 个R S 2 3 2 口,1 个R S 2 3 2/4 2 2/4 8 5口)1 个并口(支持 E P P,E C P)支持2-1 4 4 MB的D i s k O n C h i p P C/1 0 4 模块接口 U S B接口F l a s h Me mo r y我们选用 M-S y s t e ms 的MD 2 2 0 0-D 1 6(2
15、)软件开发工具及实现图形用户界面,我们选用的是挪威 T r o l l T e c h软件公司的产品Q T/E mb e d d e d Q T/E mb e d d e d是面向嵌入式系统的 Q T 版本,提供了非常完整的嵌入式G U I 解决方案它可以充分利用L i n u x 提供的F r a me b u f f e r(桢缓冲)机制进行图形显示 它的主要特点是可移植性较好 许多基于 Q T 的 X Wi n-d o w 程序可以非常方便地移植到嵌入式系统 它是一个半开放的用于C+开发g r a p h i c a l u s e r i n-t e r f a c e (G U I)
16、应用的面向对象结构软件易扩展支持组件编程创造性的s i g n a l/s l o t 机制真正实现组件编程,组件间不用相互了解也可以完善结合成为新的组件我们用它开发的图形界面如图 5 所示图5 加工方式选择界面图形用户界面提供给用户4 个模块编辑加工方式选择(包括自动MDI 手动三种方式)刀具管理参数设置图 5为加工方式选择界面控制软件,如译码刀具补偿插补计算等采用标准C语言编写 实现功能模块化,即将每个功能作为一个模块 模块之间具有相对独立性,它们之间的通信通过定义数据结构来实现例如我们规定译码数据结构s t r u c t b l o c k _ s t r u c t?32?第2 5
17、卷 第2 期 2 0 0 3-2i n t l a b e l;/标号b o o l s k i p;/当前块是否处于跳步状态i n t g _ c o d e 5 ;/当前块中的 G代码i n t m_ c o d e 5 ;/当前块中的 M代码f l o a t a,b,c,d,f,h,I,j,k,l,p,q,r,s,t,u,v,w,x,y,z;/运动指令或参数i n t c o n t r o l;/控制关键字 I F,E L S E I F,E L S E,WHI L Ec h a r c o n d i t i o n 2 0 ;/控制语句中的判断条件c h a r e x p r
18、e s s i o n 3 0 ;/变量表达式;3 结束语嵌入式系统是一个具有发展前途的工业对中国的信息产业来说充满了机遇和挑战而且 L i n u x的一系列特性又为我们开发自己的嵌入式操作系统提供了方便它的应用领域很宽而且投资较少相信嵌入式 L i n u x产品在中国将会有更加广阔的应用前景参考文献 1 周巍松.L in u x 系统分析与高级编程技术 M .北京:机械工业出版社,1 9 9 9.2 陈莉君.L in u x 操作系统内核分析 M .北京:人民邮电出版社,2 0 0 0.3 任玉田,焦振学,王宏甫.机床计算机数控技术 M .北京:北京理工大学出版社,1 9 9 6.4 古
19、天龙,蔡国永,庞建雄.嵌入式实时系统及其相关问题 J .电子科技导报,1 9 9 7,1 2:1 2-1 6.5 周德新,张向利.L in u x 和嵌入式操作系统 J .桂林电子工业学院学报,2 0 0 0,2 0(4):2 1-2 3.供应商分销商共享信息 知识和资源,建立了网络模式下产品持续性质量改进的支撑系统,从而使企业能够适应动态变化的全球市场环境,提高企业竞争能力,全面提高产品质量参考文献 1 C H I L D E S J.T h e e x t e n d e de n t e r p r is e -ac o n c e p t o f c o-o p e r a t io
20、n J .P r o d u c t io n P la n n in g&C o n t r o l,1 9 9 8,9(3):3 2 0-3 2 7.2 J A G D E V H S,B R O W N E J.T h e e x t e n d e d e n t e r p r is e-a c o n t e x t f o rm a n u f a c t u r in g J .P r o d u c t io n P la n n in g&C o n t r o l.1 9 9 8.9(3):2 1 6-2 2 9.3 V E R N A D E T F B.E n t e
21、 r p r is e m o d e lin g a n d in t e g r a t io n p r in c ip le s a n da p p lic a t io n s M .C h a p m a n a n d H a ll,1 9 9 6.4 S O B A H A P,O R S O L Y A S.A m o d e l-b a s e d m e t h o d o lo g y f o r e x t e n d e de n t e r p r is e e n g in e e r in g E B/O L .h t t p:/im s.t o y o-e
22、 n g.c o.jp/.2 0 0 2.质量体系内审管理质量管理协同工具服务计算机辅助质量工程工具服务系列化质量工具服务计算机辅助产品全生命周期质量管理服务图4 基于A S P 方式的扩展企业质量协同管理信息支持系统体系结构人员培训与奖惩管理质量信息处理工具服务计算机与网络(I n t e r n e t/E x t r a n e t/I n t r a n e t)操作系统(Wi n 9 x,Wi n NT,Wi n 2 0 0 0,Un i x)统一的数据库(S Q L S e r v e r 或 O RAC L E)J D B C数据访问对象支持层应用层R MI访问层浏览器浏览器浏览
23、器浏览器核心企业客户供应商分销商We b 服务(J S P P a g e s,S e r v l e t sHT T P,HT ML,XMLP o r t a lR MI内部系统接口设计与开发质量管理生产质量管理使用质量管理计算机辅助企业基础性质量管理服务E J B业务对象客户供应商企业人员产品计量器具设备文档系统运行与管理平台质量文档与标准管理计量与设备管理质量成本管理供应商管理客户管理分销商管理过程管理外部系统接口 上接第 1 6 页 5 F A N,S H IN G I.C o n c u r r e n t E n g in e e r in g in a e r o s p a c
24、 e e x t e n d e d e n t e r p r is e s C .T h e C IM In s t it u t e,G r a n d f ie ld U n iv e r s it y:4 t h in t e r n a t io n a l c o n-f e r e n c e o n c o n c u r r e n t e n t e r p r is in g,1 9 9 7:3 0 7-3 1 4.6 L A R S B L,J O H A N V,C H IA T A G.T h e e x t e n d e d e n t e r p r is
25、e c o n c e p tf r o m f in a l c o n c e p t p a p e r f r o m t h e G lo b e m a n 2 1 C o n c e p t T e a m R .G L O B E M A N 2 1 P r o je c t-G lo b a l M a n u f a c t u r in g in t h e 2 1 s t C e n t u r y.h t t p:/im s.t o y o-e n g.c o.j p/.2 0 0 2.7 S U N M T.T h e J a v aT M 2 E n t e r p r is e e d it io n d e v e lo p e r s g u id e(v e r s io n1.2.1)E B/O L .h t t p:/j a v a.s u n.c o m,2 0 0 2,5.