数控系统加工过程远程监控工具的设计与实现

0 引言

　　随着计算机技术、通信技术、控制技术的迅速发展，出现了 IPC 工控机以及大量的智能仪表，其应用使得工业生产过程的自动化水平得到了很大的提高。过程分析技术( Process Analytical Technology，PAT) 的出现，促使装备制造业引入该技术来提高产品的精度以及生产过程自动化的水平。远程监控是指利用计算机通过网络系统实现对远程工业生产过程控制系统的监视和控制。工业生产过程的监控信息接入 Internet，在一定条件下就可以通过 Internet 监控生产系统和现场设备的运行状态和各种参数，控制者就不必亲临现场，这能够节省大量的人力物力。

　　本文采用硬件抽象层、共享内存以及 I/O 多路复用技术实现对数控系统加工过程的远程监控。数控系统加工过程中轴位置、轴速等信息通过共享内存技术与服务器进行交互，以 C/S 模式构成远程监控系统，client 可以通过运行客户端应用程序监控数控系统加工过程的状态信息。

1 相关技术

　　1.1 硬件抽象层( Hardware Abstract Layer，HAL)

　　数控系统作为一个复杂的嵌入式系统，具有专用性强、外围设备多样的特性，这决定了其应用的硬件环境差异性较大。系统软件模块与硬件之间的接口是系统设计过程中的必需环节，也是影响数控系统应用前景的关键问题之一。HAL 的引入可有效的解决该问题，HAL 是将硬件平台与应用软件隔离开来的的软件层次，通过硬件抽象层技术实现硬件相关和硬件无关两部分程序代码的隔离，为应用程序提供一个没有硬件特性的接口。硬件抽象层的引入不仅是系统体系结构设计方法的改进，更直接关系到整个系统的开发模式以及嵌入式操作系统的可移植性。硬件抽象层的引入大大推动了嵌入式系统开发的规范化进程。

　　EMC2 中设计硬件抽象层的目的是使 EMC2 可以快速的针对不同的硬件进行配置而不需要改变上层程序，实现在 I/O 接口和其他底层模块之间传输实时数据。HAL 的设计采用了传统的电路设计的模式，I/O设备以软元件的形式存在于 HAL 中，HAL 软元件和传统元件类似，包括引脚( pin) 、参数( parameter) 等信息。可以通过 HAL 中软元件的加载和相连形成复杂多样的控制系统，如图 1 所示，利用 HAL 组件构建并口输出 PWM 信号驱动 X-Y 轴的直流伺服电机的连接图。

图 1 井口输出 PWM 信号驱动 X-Y 轴的直流伺服电机 HAL 连接图

　　1.2 I/O 多路复用

　　在 Linux 服务器编程中，系统资源的利用率是一个令人关注的问题。本系统通过采用单进程 I/O 多路复用的方式解决了传统的创建子进程方式带来的系统资源消耗，并极大地提高了 CPU 的利用率，同时也可以方便的支持多个客户端，理论上，在一个线程中可支持 63 个客户端; 可以采用多线程支持更大数量的 clients。

　　I/O 多路复用，即一个进程需要在多个 I/O 端口上等待读取或写入数据，可选择将自己挂起，如果一个或多个 I/O 满足数据操作时，进程将被通知，继续运行，并作相应的判断处理和 I/O 操作。select( ) 方法可以对多路 I/O 进行阻塞式查询。它提供同时对多个 I/O 描述符进行阻塞式查询方法，可以方便地实现 I /O多路复用。