基于Windows CE的开放式数控系统的研究与开发

0 引言

　　随着世界经济发展的全球化，制造业市场竞争日益加剧，新产品上市周期大为缩短，用户需求也趋于多样化、个性化，对计算机数控系统(CNC)提出了必须向开放式结构的转化趋势。自20世纪90年代开始，美国、欧盟、日本等发达国家或地区已开始了开放式结构控制器的研究，并分别提出了OMAC(Open Modular Architecture Controller)、OSACA(OpenSystem Architecture for Control within Automation)、OSEC(Open System Environment for Controller)几个标准规范。我国从2003年开始实施oNC——《开放式数控系统总则》国家标准。开放式CNC大多采用基于通用PC机(或工控机)和数控(NC：NumericalContr01)专用模块的主从式结构㈣。NC模块采用通用微处理器或数字信号处理器(DSP：Digital SignalProcessor)实现，主要运行以坐标轴运动为主的强实时控制，而上位机主要运行弱实时性及非实时性任务。随着高性能嵌入式计算机技术的发展，出现了面向32位及以上的嵌入式实时操作系统(RTOS：RealTime Operating System)，为实现高可靠性、低成本的开放式数控系统提供了条件。目前CNC正在从基于PC的开放式控制系统向32位及以上的高性能实时嵌入式控制系统方向发展，基于uC／OS、RTLinux、Windows CE等实时操作系统的数控系统越来越受到相关公司和科研院所的重视。Windows CE并不是Windows桌面操作系统的缩减版本，是微软全新设计的针对嵌入式系统市场的部分源代码开放的、模块化的、抢先式多任务32位嵌入式操作系统。相对于DOS，Windows CE是运行于保护模式的多线程操作系统，其内存保护功能满足了数控系统的稳定性，相对于Windows桌面操作系统Windows CE是嵌入式实时操作系统，能够快速响应和调度外部中断，可以满足数控系统的弱实时任务以及非实时任务。

　　伴随着电子信息技术的高速发展，运动控制硬件方面也已经从以单片机和微处理器作为核心处理器及专用芯片(ASIC：Application Specific IntegratedCircuits)作为协处理器发展到采用基于计算机总线的以DSP(Digital Signal Processor)和FPGA(FieldProgrammable Gate Array)技术来研发运动控制设备。

　　本文采用“嵌入式计算机+运动控制设备”的上下位机方式来构建数控系统，上位机采用Windows CE嵌入式系统来进行系统的管理、弱实时任务的调度，下位机采用自行开发的基于DSP&FPGA的运动控制器来调度运动控制为主的强实时控制任务．研究并实现了系统的软硬件搭建以及数控软件系统开发的核心问题，包括数控代码智能解释器的原理与实现，数控代码二三维仿真的原理与实现，数控系统实时调度的分析。

1 系统的总体架构

　　按照我国国家标准《开放式数控系统体系结构》的要求：系统平台必须支持ONC系统的结构特性：互换性、伸缩性、互操作性和可移植性，把数控系统划分为三个层次：管理显示层，数据控制层，支撑设备层。管理显示层负责数据的显示(如实时坐标更新显示、刀补数据显示、工艺参数显示、I／O状态的显示)以及故障诊断；数据控制层负责整个数控系统的数据交互，如数控代码的编辑及编译、数控代码的二维及三维仿真、刀具的长度及半径补偿、直线和圆弧插补的计算、主轴启动和终止、冷却液和润滑液的开启和关闭等，并且根据任务的优先级别进行实时的调控，以满足数控系统实时性的要求；支撑设备层主要针对于物理设备，如自行开发设计的I／O硬件、自行开发设计的可重构的运动控制硬件、嵌入式式计算机以及相关的外设、板卡及接口等。整个系统的总体架构图如图1所示。

图1系统总体架构图 

　　图2是自行设计的三轴数控实验平台。三个运动轴由伺服电机驱动滚珠丝杆实现直线位移，模拟主轴采用步进电机驱动工作方式。CNC采用通过PC 104总线在嵌入式单板计算机(SBC)上堆插DSP运动控制卡和10卡的主从式结构。DSP运动控制卡负责计算机数控系统的实时运动控制，I／O卡负责数控系统的辅助设备控制和手轮脉冲计数等功能。嵌入式单板计算机运行Windows CE RTOS(使用电子盘方式)，该测试平台配以所开发出的可重配置数控系统可以实现对独立运动轴／主轴的控制、二轴联动、三轴联动数控车床、铣床等种多数控机床或运动控制平台的模拟测试。

图2 CNC硬件平台