1 問題的提出

　　全軟件數(shù)控系統(tǒng)以通用Pc+標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的I／O信號(hào)轉(zhuǎn)接器的模式實(shí)現(xiàn)。整個(gè)系統(tǒng)是由PC擴(kuò)展而成，數(shù)控系統(tǒng)所有的實(shí)時(shí)任務(wù)和非實(shí)時(shí)任務(wù)都由PC完成，能實(shí)現(xiàn)NC內(nèi)核的功能開放并支持上層軟件的用戶定制，是一種真正意義上的開放式數(shù)控系統(tǒng)。其控制通道為：PC通過總線控制每一個(gè)I／O端口，I／O端口與各個(gè)控制目標(biāo)相連。近年來，發(fā)展通用的全軟件開放式數(shù)控系統(tǒng)已成為國(guó)際數(shù)控行業(yè)研究的熱點(diǎn)，代表著數(shù)控技術(shù)發(fā)展的最新潮流。

　　與傳統(tǒng)的基于Pc的數(shù)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)相比，全軟件數(shù)控系統(tǒng)不僅要解決插補(bǔ)運(yùn)算和位置控制的軟件化問題，還應(yīng)以開放的NC內(nèi)核作為其主要特征之一。同時(shí)系統(tǒng)所選擇的運(yùn)行環(huán)境必須能及時(shí)響應(yīng)數(shù)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性任務(wù)，否則系統(tǒng)響應(yīng)的實(shí)時(shí)性不夠會(huì)導(dǎo)致在自動(dòng)加工過程中出現(xiàn)斷續(xù)等不穩(wěn)定現(xiàn)象。然而作為目前主流操作系統(tǒng)的Windows產(chǎn)品并不支持實(shí)時(shí)陛要求很高的實(shí)時(shí)任務(wù)的調(diào)度管理，從而，如何對(duì)Windows操作系統(tǒng)進(jìn)行強(qiáng)實(shí)時(shí)功能的擴(kuò)展以及合理應(yīng)用Windows多線程技術(shù)來解決系統(tǒng)的實(shí)時(shí)多任務(wù)成為實(shí)現(xiàn)全軟件數(shù)控系統(tǒng)的關(guān)鍵問題之一。

2 系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制方案的分析比較

　　高速、高精度的數(shù)控加工首先要求的是極短的插補(bǔ)周期和高的計(jì)算精度，而且插補(bǔ)精度越高，所需要的插補(bǔ)周期就越短。Windows最初并不是作為實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的，它是一種搶占式、多任務(wù)、基于消息傳遞機(jī)制的操作系統(tǒng)。但是僅憑消息調(diào)度機(jī)制顯然是不能滿足全軟件數(shù)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制要求的，目前在這方面的研究中討論較多的是采用有效的實(shí)時(shí)中斷方式來解決諸如插補(bǔ)和位控之類的高實(shí)時(shí)性問題。為具體量化數(shù)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求，這里以脈沖增量式插補(bǔ)的數(shù)控系統(tǒng)為例來計(jì)算一個(gè)插補(bǔ)周期的時(shí)間。假定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量為0.001 mm，系統(tǒng)COO的最大進(jìn)給量設(shè)置為10 000 mm／min。可以算得：在COO恒速進(jìn)給時(shí)插補(bǔ)周期是6斗s，也就是說要求系統(tǒng)每隔6μs并在6μs內(nèi)要完成一次插補(bǔ)計(jì)算并輸出一組脈沖信號(hào)，這個(gè)脈沖周期是微秒級(jí)的，對(duì)操作系統(tǒng)的實(shí)時(shí)響應(yīng)要求比較高。下面我們來分析幾種中斷控制的方案。

　　2.1 利用WINDOWS系統(tǒng)定時(shí)器SetTimer()定時(shí)產(chǎn)生中斷

　　對(duì)于Windows系統(tǒng)定時(shí)器，其本身就是通過截取DOS的08H硬件中斷來實(shí)現(xiàn)的，該中斷約每秒鐘發(fā)生18+2次，器§時(shí)間閱隔為54.945 ms。在上鼷應(yīng)用程序中可以通過調(diào)焉SetTimer函數(shù)為程序分配一個(gè)定時(shí)器，在一個(gè)時(shí)間間隔之后，Windows將向應(yīng)用程序發(fā)送一個(gè)WM_TIMER消息，但它被認(rèn)為屬于不太熏要的消息而放在常規(guī)消息隊(duì)列中的最后，而且當(dāng)隊(duì)列中有多條WM_TIMER消息時(shí)，系統(tǒng)會(huì)把所有的WM_TIMER消怠合并成一條WM_TIMER消息。

　　由此可見，簡(jiǎn)單的依靠Windows系統(tǒng)定時(shí)器提供的時(shí)鐘消息，應(yīng)用程序不一定能夠按照SetTimer設(shè)定的時(shí)間間隔得到響應(yīng)，更何況，即使能得到響應(yīng)，這個(gè)毫秒級(jí)的響應(yīng)周期也是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能夠滿足實(shí)時(shí)控制要求的。

　　2.2 剃用程序軟件定對(duì)產(chǎn)生中斷

　　通過在上瀑應(yīng)用程濘中進(jìn)行軟件延時(shí)的方法可以獲得比較高精度的插補(bǔ)周期。但是由于Windows操作系統(tǒng)是多任務(wù)并行進(jìn)行的，在軟件延時(shí)的時(shí)候，它和中斷服務(wù)程序并不是異步進(jìn)行的，CPU也不是究全被獨(dú)占，這樣會(huì)導(dǎo)致插補(bǔ)周期的間隔時(shí)間不穩(wěn)定。經(jīng)過簡(jiǎn)單的程序調(diào)試(比如用for語句獲德每隔一定時(shí)間延后啟動(dòng)一個(gè)中斷輸盛脈沖的程序)，我們發(fā)現(xiàn)輸出的脈沖波形較之于理想狀態(tài)有抖動(dòng)現(xiàn)象，在正常加工中這是不允許的；而且這種情況下，由程序軟件延時(shí)所獲得的插補(bǔ)周期與計(jì)算機(jī)的硬件配置(如主頻等)有直接聯(lián)系，導(dǎo)致程序的移植性必將受到影響。我們也不提倡采用這種方案。

　　2.3 利用CreateSystemTimer()定時(shí)產(chǎn)生中斷

　　CreateSystemTimer()用到Windows的SYSTEM．DRV驅(qū)動(dòng)程序中的系統(tǒng)計(jì)時(shí)器函數(shù)，這幾個(gè)函數(shù)雖然沒有被寫入Windows．h中，但卻被SYSTEM．DRV輸出了。這些函數(shù)可以幫勘我們獲得計(jì)時(shí)器服務(wù)，即系統(tǒng)計(jì)時(shí)器。這其中最重要一點(diǎn)是CreateSystemTimer()和KillS)rstemTimer()這兩個(gè)函數(shù)允許我們安裝異步計(jì)時(shí)器的回調(diào)函數(shù)，有些類似于在DOS環(huán)境中截取INT08H中斷處理程序。這個(gè)回調(diào)是真正異步的，完全避開了Windows的消息工具。但這種方法獲得的定時(shí)精度仍然是只有毫秒級(jí)鶼，所以在需要高速贏精度加工數(shù)控系統(tǒng)中，還是不能夠勝任。

　　2.4 使用外圍設(shè)備的硬件中斷實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制

　　由于Windows 9x及其以上的操作系統(tǒng)具有保護(hù)機(jī)制，工作在CPU的用戶態(tài)(3環(huán))程序是不能直接對(duì)系統(tǒng)硬件進(jìn)行操作的，所以中斷的處理只能在CPU的特權(quán)態(tài)(0環(huán))進(jìn)行。對(duì)予Windows操作系統(tǒng)下的外匿

　　設(shè)備的硬件中斷，它的實(shí)現(xiàn)涉及到虛擬設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序VxD。Windows系統(tǒng)的控制實(shí)權(quán)掌握在虛擬級(jí)管理器VMM(Vinue Machine Manager)幫虛擬設(shè)備驅(qū)動(dòng)程痔VxD手中，兩顯VMM黧VxD的操作模式幫真正酶程序不閹。在大多數(shù)時(shí)候，它們是潛伏的。一般應(yīng)用程序在系統(tǒng)中運(yùn)行時(shí)，這些VxD程序不會(huì)被激活，只有當(dāng)某些需要它們處理的硬件中斷/錯(cuò)誤／事件發(fā)生時(shí)，它們才被喚醒。Windows系統(tǒng)為可編程中斷控制器8259安裝了驅(qū)動(dòng)程序VPICD(Viaue Programmable InterruptController)，并通過相關(guān)服務(wù)達(dá)到允許其它VxD利用硬中斷的目的。VPICD負(fù)責(zé)映射中斷信號(hào)到虛擬機(jī)，并模擬相應(yīng)的I／0來識(shí)別虛擬機(jī)發(fā)出的中斷請(qǐng)求。

　　有了上述硬件中斷的可行性，我們接下來簡(jiǎn)單分板一下VxD的中斷處理浚稷。Windows啟動(dòng)時(shí)，它初始億中斷描述表IDT(Interrupt Descriptor Table)，中斷是由虛擬擬機(jī)管理器VMM處理的。當(dāng)發(fā)生中斷時(shí)，VMM和一個(gè)叫做虛擬可編程中斷控制器VPICD的VxD協(xié)調(diào)工作。后者虛擬化了PC機(jī)中的雙8259A PIC。發(fā)生中斷時(shí)，VMM接管控制，然后VMM通知VPICD這個(gè)中斷事件，希望虛擬此中斷的VxD，當(dāng)VPICD接收到巢一中斷事件時(shí)，就會(huì)通知登記到此中斷的VxD。這個(gè)流程如圖1所示。

圖1 VxD中斷處聯(lián)流程

　　我們關(guān)注的是系統(tǒng)中斷的實(shí)時(shí)性，從而有必要了解這個(gè)中斷的響應(yīng)時(shí)間。顯然，執(zhí)行上面描述的這個(gè)過程是需要時(shí)間的，我們把硬件產(chǎn)生一個(gè)中斷信號(hào)請(qǐng)求服務(wù)開始，到。環(huán)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序響應(yīng)中斷，并執(zhí)行中斷服務(wù)程序ISR之間的這段時(shí)間稱之為中斷延時(shí)。中斷延時(shí)中最大的部分來自于中斷自身，當(dāng)82:59通知CPU發(fā)生了硬件中斷時(shí)，CPU自動(dòng)屏蔽中斷，直到中斷服務(wù)程序重新打開中斷屏蔽。如果當(dāng)前的中斷還沒有處理完，新產(chǎn)生的中斷會(huì)被CPU忽略直到再次允許中斷，這樣就會(huì)導(dǎo)致不確定的中斷延時(shí)。如果硬件設(shè)備過于頻繁地產(chǎn)生中斷，也會(huì)導(dǎo)致中斷延時(shí)的增加。所以這個(gè)時(shí)間間隔對(duì)于硬件和軟件設(shè)計(jì)都是非常重要的。對(duì)于硬件，中斷延時(shí)決定了硬件產(chǎn)生中斷并可以得到正確響應(yīng)的最高頻率。如果硬件產(chǎn)生中斷的頻率高于此頻率，則系統(tǒng)肯定工作不正常，甚至于死機(jī)。所以我們?cè)谠O(shè)計(jì)觸發(fā)中斷的硬件電路時(shí)必須兼顧到這個(gè)方面的問題。軟件方面，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序應(yīng)該發(fā)掘操作系統(tǒng)和硬件的潛力，使延時(shí)盡可能地小。這就體現(xiàn)在所設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)程序的效率問題上，因?yàn)樗鼘⒅苯佑绊懙綌?shù)控系統(tǒng)插補(bǔ)周期的時(shí)間。在中斷服務(wù)子程序中，我們提倡盡量用優(yōu)化的軟件結(jié)構(gòu)，以匯編語言編寫來確保在規(guī)定的插補(bǔ)周期內(nèi)完成這類強(qiáng)實(shí)時(shí)性任務(wù)。

　　為了測(cè)定中斷響應(yīng)時(shí)間，我們用匯編語言編寫了虛擬設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序來實(shí)現(xiàn)對(duì)外部中斷信號(hào)的響應(yīng)，并設(shè)計(jì)了一塊基于1SA的插件板，用以產(chǎn)生脈沖中斷信號(hào)送CPIT。其上設(shè)有一個(gè)高精度定時(shí)器8253、一個(gè)脈沖頻率發(fā)生器和一個(gè)中斷發(fā)生器?？紤]到硬件匹配的需要我們選用20 MH:的晶振，由它產(chǎn)生的晶振周期是50ns。比如一個(gè)主頻為500 MHz Pentium處理器的

　　一個(gè)指令周期是2 ns，對(duì)于它，使用這個(gè)插件板可以大致測(cè)量到幾十、幾百個(gè)指令的時(shí)閥。設(shè)計(jì)該程序的思路是這樣的：先關(guān)閉8253 GATEl，把8253設(shè)置在方波發(fā)生器模式，寫入初始簸0FFFFH；打開8253 GATEl，使定時(shí)器開始工作；開中斷并觸發(fā)中斷。在中斷服務(wù)子程序里安排一個(gè)關(guān)閉8253 GATEl的操作，使定時(shí)器停止計(jì)數(shù)；并讀出當(dāng)前8253計(jì)數(shù)器中的數(shù)值，把初始值減去這個(gè)數(shù)值的結(jié)果再乘以50便是當(dāng)前系統(tǒng)環(huán)境下程序中斷響應(yīng)的時(shí)間了。

　　利用這個(gè)方法，我們分別在不同主頻和Windows98系統(tǒng)、Windows2000系統(tǒng)的空閑狀態(tài)下分20次為一組測(cè)量。

　　這個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這些響應(yīng)時(shí)間都是微秒級(jí)的，使用外圍設(shè)備的硬件中斷來實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制能夠達(dá)到控制要求。同時(shí)我們還注意到同一主頻下，Win98比Win2000的響應(yīng)時(shí)間略短一些，我們初步分析認(rèn)為這是由于系統(tǒng)處理中斷過程的差異性造成的。

3 利用Windows多線程技術(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)多任務(wù)

　　我們把插補(bǔ)計(jì)算和位置控制放在前臺(tái)的實(shí)時(shí)中斷服務(wù)子程序中去完成，通過變量和寄存器進(jìn)行前后臺(tái)的信息交互。那么剩下的}h作就是組織全軟件數(shù)控系統(tǒng)后臺(tái)的處理工作了，這時(shí)應(yīng)當(dāng)合理充分利用Win-down的多線程技術(shù)來展現(xiàn)全軟件數(shù)控系統(tǒng)控制的靈活性和強(qiáng)大功能。設(shè)計(jì)中，為便于人機(jī)交互的工作，以用戶界面線程作為主線程，利用多線程將“CPU資源分時(shí)共享”的特點(diǎn)，將有并行要求的模塊比如程序編輯模塊、參數(shù)設(shè)置模塊、圖形仿真模塊等置于獨(dú)立的線程中，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的多任務(wù)并行工作。考慮到在信息處理過程的輕重緩急，需要設(shè)置線程的優(yōu)先級(jí)別，比如限位報(bào)警線程要高于其他線程，加工代碼解釋及預(yù)處理線程要高于圖形仿真線程等等?；谶M(jìn)程的不同基礎(chǔ)優(yōu)先級(jí)和可能的線程優(yōu)先級(jí)，一共有22個(gè)不同優(yōu)先級(jí)值，它們分布在1和31之間，數(shù)值越大，優(yōu)先級(jí)越高。

　　多線程之間須要考慮同步，它有四種方法，分別是:互斥量、臨界段、信號(hào)量和事件。比如事件同步是通過把事件設(shè)置為有或者無信號(hào)狀態(tài)來通知其他線程關(guān)于某操作己完成或者仍未完成。線程的具體實(shí)現(xiàn)原理是首先在頭文件里聲明一個(gè)事件對(duì)象，然后在初始化對(duì)話框中使這個(gè)事件對(duì)象處于無信號(hào)狀態(tài)。下面以手動(dòng)運(yùn)行為例說明。當(dāng)在手動(dòng)運(yùn)行按鈕事件中無限循環(huán)輸出脈沖的時(shí)候，每次循環(huán)都判斷這個(gè)事件對(duì)象是否有信號(hào)，如果沒有，程序繼續(xù)運(yùn)行，如有信號(hào)，則退出循環(huán)。而使這個(gè)事件對(duì)象處于有信號(hào)狀態(tài)的操作就在手動(dòng)復(fù)位按鈕事件中寫出。由于篇幅所限，相關(guān)程序代碼從略。

在輔助線程響應(yīng)的時(shí)候，數(shù)控系統(tǒng)最好是要求CPU能快速響應(yīng)用戶發(fā)出的消息，所以優(yōu)先級(jí)別應(yīng)設(shè)得較高?？梢酝ㄟ^函數(shù)Set'ThreadPriority ( HA}DL.E <>hThread , iut nPriority)來設(shè)置線程優(yōu)先級(jí)。在這里把nPriority設(shè)置成THREAD_ PRIORITY_ HIGHEST，就可以滿足系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求。

4 結(jié)語

　　在機(jī)械制造加工中，數(shù)控軟件的設(shè)計(jì)很重要的一個(gè)方面是實(shí)現(xiàn)連續(xù)加工控制的實(shí)時(shí)性。我們以VisualC++6. 0作為開發(fā)工具，在Windows2000平臺(tái)下，充分利用PC的硬件功能，通過編寫VPICD虛擬設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序來提供實(shí)時(shí)中斷并結(jié)合Windows多線程機(jī)制較好地解決了全軟件開放式數(shù)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制問題，并對(duì)我們己開發(fā)的一套數(shù)控系統(tǒng)作了這方面進(jìn)一步的改進(jìn)，取得了比較明顯的成效。