數(shù)控系統(tǒng)軟件芯片的研制和開發(fā)

1　數(shù)控系統(tǒng)軟件芯片的劃分

　　合理的芯片劃分，是開發(fā)軟件芯片的首要步驟。數(shù)控系統(tǒng)軟件芯片庫中的各芯片以界面的方式開放，通過接口參數(shù)和界面信息的提示，用戶可掌握芯片的啟動(dòng)、結(jié)束和運(yùn)作。不同芯片的內(nèi)部為黑箱封裝，外部接口開放，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)新系統(tǒng)的構(gòu)建。因此，如何定義出合理的數(shù)控系統(tǒng)軟件芯片，使芯片的外部接口易于標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化，內(nèi)部易于進(jìn)行黑箱封裝，是我們開發(fā)數(shù)控系統(tǒng)軟件芯片庫的關(guān)鍵步驟。

　　目前，盡管數(shù)控系統(tǒng)從系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法到系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方式千差萬別，但是其基本原理和軟件的組成都是類似的。在對現(xiàn)有的數(shù)控系統(tǒng)［3］和用戶需求進(jìn)行仔細(xì)而全面分析的基礎(chǔ)上，同時(shí)，在總結(jié)現(xiàn)有系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)的共有特征，并對其進(jìn)行適當(dāng)?shù)臍w類和抽象的基礎(chǔ)上，將數(shù)控系統(tǒng)劃分為以下幾個(gè)基本的功能模塊。

（1）人機(jī)交互界面模塊　此模塊主要完成在系統(tǒng)運(yùn)行前和運(yùn)行中系統(tǒng)參數(shù)的修改和設(shè)定，如設(shè)定系統(tǒng)工作模式（自動(dòng)、手動(dòng)、點(diǎn)動(dòng)等），圖形顯示模式，系統(tǒng)初始化設(shè)定，坐標(biāo)偏置設(shè)定，G代碼程序的編輯等。
（2）零件代碼解釋模塊　負(fù)責(zé)根據(jù)用戶的系統(tǒng)配置，以及零件程序的語法規(guī)則對用戶編寫的零件程序進(jìn)行語法檢查，并進(jìn)行解釋譯碼，將源代碼指令中給出的各種信息進(jìn)行分離提取，變成各種狀態(tài)和數(shù)據(jù)，為預(yù)處理芯片提供語法上正確的零件程序的中間代碼。
（3）刀補(bǔ)預(yù)處理模塊　負(fù)責(zé)對解釋后的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理及插補(bǔ)前的準(zhǔn)備工作。
（4）軌跡插補(bǔ)模塊　負(fù)責(zé)加減速的控制、插補(bǔ)、終點(diǎn)判別等工作，向位置控制器輸出通過軌跡運(yùn)算后的進(jìn)給量。
（5）軸伺服控制模塊　在從I/O及插補(bǔ)運(yùn)算得到的信息的幫助下，通過精插補(bǔ)控制機(jī)床執(zhí)行機(jī)構(gòu)按NC指令指定的路徑和速度運(yùn)動(dòng)。
（6）I/O模塊　負(fù)責(zé)控制器的輸入和輸出（包括機(jī)床檢測信號及位置和相關(guān)反饋信息的輸入、控制指令的輸出等）。
　　以上這幾個(gè)模塊間具有互操作性、可移植性和可擴(kuò)展性，因而可作為數(shù)控軟件芯片庫的基本芯片的劃分。

2　數(shù)控系統(tǒng)軟件芯片的構(gòu)建及工作原理
　　
　　軟件芯片概念的提出是軟件重用發(fā)展過程中的里程碑。開發(fā)軟件芯片就是采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)把特定類中的一些通用模塊做成獨(dú)立的可重用的對象類。由于面向?qū)ο缶哂蟹庋b、分類、消息響應(yīng)和繼承等很有價(jià)值的特點(diǎn)，使得軟件芯片和系統(tǒng)其它部分的耦合度得到盡可能的降低，這為軟件芯片的開發(fā)和使用提供了可＊保證。同時(shí)，由于芯片都是對較成熟的技術(shù)進(jìn)行封裝而實(shí)現(xiàn)的，在實(shí)踐上是經(jīng)過了驗(yàn)證的，也就是說一個(gè)成熟的芯片已經(jīng)將錯(cuò)誤率降到了最低點(diǎn)，所以可以利用數(shù)控軟件芯片來構(gòu)造新的數(shù)控系統(tǒng)能最大程度地保證系統(tǒng)的可＊性。 軟件芯片的構(gòu)建就是將功能模塊的本體部分進(jìn)行黑箱封裝，使之輸入接口和輸出接口盡量簡單、規(guī)范。由于C++語言的面向?qū)ο筇匦院头庋b性較好［4］，所以在本系統(tǒng)中將VC作為編程環(huán)境來進(jìn)行芯片本體的構(gòu)建。整個(gè)芯片是基于靜態(tài)庫創(chuàng)建的，最后生成一個(gè)Lib庫文件。所有功能的實(shí)現(xiàn)都封裝在Lib庫文件中。用戶使用時(shí)，不需要知道芯片內(nèi)部的功能（如初始化、錯(cuò)誤信息處理、數(shù)據(jù)分離）是怎樣實(shí)現(xiàn)的，只需將對應(yīng)的.Lib文件和.H文件加入到自己的系統(tǒng)中，然后依照芯片說明提出的接口要求，通過接口參數(shù)調(diào)用相應(yīng)的方法即可。接口參數(shù)和方法在Lib 文件中定義為，用戶可以在外界通過它們和芯片進(jìn)行交互。就如同用戶通過硬件IC的引腳來使用芯片內(nèi)部的功能一樣。

　　下面就以零件程序解釋芯片為例，簡述數(shù)控系統(tǒng)軟件芯片的構(gòu)建過程。
　　首先，對芯片的本體功能進(jìn)行分析，定義出合適的接口。一般來說，一個(gè)完整的零件數(shù)控加工程序，由若干程序段組成，一個(gè)程序段又由若干個(gè)代碼字組成，最后以“；”結(jié)束。每個(gè)代碼字由文字符和數(shù)字符組成，代碼字之間用空格符隔開。
根據(jù)自上向下的原則，該部分又可劃分為以下幾個(gè)部分：
　　（1）詞法檢查　對源程序的數(shù)據(jù)進(jìn)行拼寫及位數(shù)檢查；
　　（2）語法檢查　對程序段中的G代碼和其它功能碼的格式進(jìn)行檢查，如G代碼的相容性檢查等；
　　（3）語義檢查　對上下文相關(guān)的錯(cuò)誤進(jìn)行檢查，如I、J、K和R不能出現(xiàn)在同一行代碼中等；
　　（4）譯碼　將程序段的信息進(jìn)行提取，變成相應(yīng)的狀態(tài)量和數(shù)據(jù)量，存儲在輸出緩沖區(qū)中。
　　在綜合考慮數(shù)控系統(tǒng)解釋器的內(nèi)部邏輯關(guān)系和數(shù)控系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制的基礎(chǔ)上，將解釋芯片的輸入口數(shù)據(jù)定義為以字符串形式輸入的一行數(shù)控代碼段（char＊ LineStr）；輸出口數(shù)據(jù)定義為一個(gè)包含各種信息量的結(jié)構(gòu)。
　　輸出數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：
typedef struct｛
int Gp01;　　　∥1組G代碼
　　……
int Gp15;　　　∥15組G代碼
int N,　　　∥程序段號
G,　　　∥準(zhǔn)備功能
M,　　　∥輔助功能
P,Q,L,D,H;　　　∥其他參數(shù)字符
long T;　　　∥刀具選擇
double F;　　　∥進(jìn)給速度
double S;　　　∥主軸速度
double D;　　　∥刀具半徑
double X,Y,Z,A,B,C,I,J,K,R,U,V,W;　∥尺寸字
　　……
BOOL bLastCmnd;　　最后一行指示標(biāo)志
　　　　　　｝NCcode
如要對一行代碼段進(jìn)行解釋譯碼，則先聲明一個(gè)實(shí)例：
　　CCode code;　　//CCode為Lib文件所生成的類
然后調(diào)用其成員函數(shù)，
　　code.InterCode（char＊ LineStr）
　　完成對LineStr中代碼段的詞法、語法、語義檢查和數(shù)據(jù)分離。在進(jìn)行解釋過程中，如果發(fā)現(xiàn)代碼段中有語法或語義錯(cuò)誤，InterCode 會(huì)給出相應(yīng)的提示，并返回到編輯狀態(tài)重新編輯。

　　類似的，如要對結(jié)構(gòu)中的標(biāo)志位進(jìn)行初始化，則可通過調(diào)用code.FlagINI（）實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，還可以通過在外部對code.ENDED變量進(jìn)行賦值來結(jié)束整個(gè)芯片的運(yùn)行。

　　解釋完成后的各種狀態(tài)和數(shù)據(jù)信息存放在前面定義的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中。用戶只需按照一般結(jié)構(gòu)的讀法去取相應(yīng)的數(shù)據(jù)，如NCcode.G; NCcode.M ，也可以將整個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)作為下一個(gè)芯片的入口，實(shí)現(xiàn)芯片與芯片之間的數(shù)據(jù)傳遞。

　　為了防止在芯片進(jìn)行譯碼時(shí)，外界對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行操作而產(chǎn)生錯(cuò)誤。本芯片使用了臨界區(qū)的方法，即在方法InterCode（）被調(diào)用時(shí)，就用 CcriticalSection的成員函數(shù)Lock進(jìn)行加鎖處理，拒絕外界訪問正在更新的數(shù)據(jù)，以免出現(xiàn)新老數(shù)據(jù)同時(shí)被讀入的錯(cuò)誤。解釋完成后，用 Unlock進(jìn)行解鎖處理，使用戶能訪問更新以后的數(shù)據(jù)。

3　芯片間的同步和協(xié)調(diào)

　　當(dāng)若干個(gè)芯片組成一個(gè)實(shí)用系統(tǒng)后，芯片之間的同步問題就變得格外重要，尤其是像數(shù)控系統(tǒng)這樣對實(shí)時(shí)性要求比較高的系統(tǒng)。在使用軟件芯片構(gòu)建數(shù)控系統(tǒng)時(shí)，每一個(gè)有具體功能的芯片，如譯碼、插補(bǔ)等，都是一個(gè)單獨(dú)的線程。線程與線程之間的通信，是利用事件對象的方式來實(shí)現(xiàn)的。本系統(tǒng)由于是在VC環(huán)境下開發(fā)的，所以可以利用MFC庫中的CEvent類及其成員函數(shù)來完成。每一個(gè)事件對象可以有兩種狀態(tài)：信號態(tài)和非信號態(tài)。事件可以監(jiān)控線程是否被置于信號態(tài)，并由此決定在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候運(yùn)行相應(yīng)的線程。使用事件對象進(jìn)行線程通信的另一個(gè)原因是事件對象的聲明十分容易，就像聲明一個(gè)全局變量一樣簡單。如 CEvent InterCodedStart;事件對象創(chuàng)建以后，是處于非信號態(tài)的，要是事件對象處于信號態(tài)，只需調(diào)用事件對象的成員函數(shù) SetEvent（），即InterCodeStart.SetEvent（）;

　　在執(zhí)行了上面的語句后，事件對象InterCodeStart便處于信號態(tài)。線程監(jiān)視事件是否處于信號態(tài)可利用下面的Windows API 函數(shù)實(shí)現(xiàn)。

　　WaitForSingleObject（InterCodeStart.mhObject, 0）;在此情況下，如果函數(shù)返回的是值為 WAITOBJECT0，則事件已被置于信號態(tài)，否則，事件仍處于非信號態(tài)。通過這些消息和方法，我們就可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)各線程之間的通信，也可以通過這些事件對象間的通信控制將若干芯片“粘連”成一個(gè)有機(jī)的實(shí)用系統(tǒng)。

4　結(jié)束語

　　本系統(tǒng)全部是在 Windows NT下的VC環(huán)境中開發(fā)的，所以利用了很多MFC中的基本類，這些都大大提高了整個(gè)系統(tǒng)的靈活性，增強(qiáng)了整個(gè)系統(tǒng)的功能。如，數(shù)控代碼的編輯器是基于CEditView類創(chuàng)建的，因此在使用時(shí)，它可以利用CEditView類本身所帶的一些編輯功能，如 New、Open、Save、Copy、Cut、Paste等，這使數(shù)控程序的編輯及管理變得和Windows下的文件管理一樣方便容易。同時(shí)，VC中各種控件的使用，不但增加了系統(tǒng)控制的易操作性，還使控制界面變得美觀、友好。這些都是值得進(jìn)一步深入探討的地方。利用可重用構(gòu)件技術(shù)來開發(fā)軟件芯片，并利用其構(gòu)建新的數(shù)控系統(tǒng)的思想已用于國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“高可＊性數(shù)控系統(tǒng)軟件芯片庫及其運(yùn)行環(huán)境”的研究，取得了良好的效果，不但很好地實(shí)現(xiàn)了數(shù)控系統(tǒng)的開放性設(shè)計(jì)和資源重用，而且由于是基于Windows NT和IPC等通用環(huán)境下開發(fā)的，對數(shù)控系統(tǒng)的升級換代和對市場的及時(shí)響應(yīng)，都具有良好的開發(fā)前景。

參考文獻(xiàn)
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