合工大数控课件3.3软件结构

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1、3.1 计算机数控装置的概述 3.2 数控装置的硬件结构 3.3 数控装置的软件结构 3.4 译码的软件设计基础 3.5 插补原理 3.6 补偿功能 3.7 故障诊断功能和可编程控制器 第三章 计算机数控装置 * 3.3 数控装置的软件结构 一 CNC装置软硬件的分工； 二 CNC装置软件结构的特点； 三 CNC装置软件结构模式； 四 基于DOS的CNC系统软件结构； 五 其他基于实时操作系统的结构模式； Date 3.3 数控装置的软件结构 CNC装置的软件是为完成数控机床的 各项功能而专门设计和编制的一种专用软 件。其结构取决于硬、软件的分工、也取 决于软件本身的工作特点。软件功能是 CN

2、C装置的功能体现。一些厂商生产的 CNC装置，硬件设计好后基本不变，而 软件功能不断升级，以满足制造业发展的 要求。 Date 3.3 数控装置的软件结构 CNCCNC装置装置 软件：设计灵活，适应性强，但软件：设计灵活，适应性强，但 处理速度较慢；处理速度较慢； 硬件：处理速度快，但价格较贵。硬件：处理速度快，但价格较贵。 支持支持 l l 软件和硬件在逻辑上等价，由硬件完成的软件和硬件在逻辑上等价，由硬件完成的 工作同样可以由软件完成。在工作同样可以由软件完成。在CNCCNC系统中系统中 ，软硬件的分配比例，随微电子、计算机，软硬件的分配比例，随微电子、计算机 技术的发展而不断变化。技术的

3、发展而不断变化。 19521952年到年到19701970年，年，“ “硬联接硬联接” ”数控时代；数控时代； 7070年代后，进入了年代后，进入了“ “软联接软联接” ”的数控时代；的数控时代； 8080年代后期：计算机数控（年代后期：计算机数控（CNCCNC）系统。）系统。Date 一 CNC装置软硬件的分工 当今数控技术发展趋势：用相对较少且标准化程度较高的硬 件，配以功能丰富的软件模块构成CNC装置。 Date 二 CNC装置软件结构的特点 CNC系统是一个专用的实时多任务计 算机控制系统，它的控制软件也采用了 计算机软件技术中的许多先进技术。其 中： 1 多任务并行处理； 2 多重实

4、时中断。 这两项技术的运用是CNC装置软件结 构的特点 Date 1 多任务性和并行处理技术 1）多任务： CNC系统是一个专用的实时多任务系 统，它的系统软件必须完成管理和控制两大任务。 CNC装置系统软件 管理软件控制软件 编译处理 刀具补偿计算 速度处理 插补运算 位置控制 机床输入输出 主轴控制 零件程序管理 显示处理 人机交互 输入输出管理 故障诊断处理 Date 1 多任务性和并行处理技术 2）多任务调度技术实现并行处理 （1）资源分时共享： 对单CPU装置而言，方法：在一定的 时间长度（通常称为时间片)内，根据系 统各任务的实时性要求程度，规定它们 占用CPU的时间，使它们按规定

5、顺序和 规则分时共享系统的资源。 Date 解决各任务占用CPU时间的 分配原则。 其一是各任务何时占CPU。即 任务的优先级分配问题。 其二是各任务占用CPU的时间 长度，即时间片的分配问题。 1 多任务性和并行处理技术 Date CNC系统各 任务分时共 享CPU的时 间分配图 1 多任务性和并行处理技术 Date 各任务在运 行中占用CPU 时间示意图 资源分时共享的并行处理只具有宏观上的意义，即从微观上来 看，各个任务还是逐一执行的。 1 多任务性和并行处理技术 Date 2）多任务调度技术实现并行处理 （2）并发处理和流水处理： 对多CPU装置而言 方法：任务关联程度不高的放在一个C

6、PU 中让其同时执行为并发处理；任务关联程 度高采用流水处理。 1 多任务性和并行处理技术 Date 2）多任务调度技术实现并行处理 （2）并发处理和流水处理： 流水处理技术是利用重复的资源（CPU），将 一个大的任务分成若干个子任务(任务的分法与 资源重复的多少有关)，这些子任务是彼此关系 的，然后按一定的顺序安排每个资源执行一个 子任务，就象在一条生产线上分不同工序加工 零件的流水作业一样。 1 多任务性和并行处理技术 Date CNC装置在自动加工工作方式时，其数 据转换过程由4个子过程组成： 零件程序输入 插补淮备(包括译码、刀具补偿和速度 处理) 插补 位置控制 1 多任务性和并行处

7、理技术 Date 在任何时刻（流水处理除开始和结束外）均有两个或两个以 上的任务在同时执行。 流水处理的关键是时间重叠，是以资源重复的代价(多个 CPU) 换得时间上的重叠，或者说以空间复杂性的代价换得时间上的 快速性。 1 多任务性和并行处理技术 Date 2 实时性和优先抢占机制 （1）实时性 某任务的执行有严格时间要求（即任务必须在规定时间 内完成或响应），否则将导致执行结果错误或系统故障。 （2）实时性任务分类 强实时性任务 弱实时性任务 实时突发性任务 实时周期性任务 Date 实时突发性任务：随机性和突发性任务 ，有很强的实时性要求。如急停、机械 限位、硬件故障、机床PLC中断、操

8、作中 断等。 实时周期性任务：具有精确时间间隔的 任务。如插补运算、位置控制等 弱实时性任务：非实时性的任务。如： CRT显示、零件程序的编辑、加工状态和 加工轨迹的动态显示、译码、刀补等。 2 实时性和优先抢占机制 Date 2 实时性和优先抢占机制 （3）优先抢占机制 优先抢占调度机制是一种基于实时中断 技术的任务调度机制。 一是优先调度：在CPU空闲，多个任务请 求，级高的任务将优先执行。 二是抢占方式：优先级高的任务中断优 先级的正在执行的任务。 Date 三 CNC装置软件结构模式 CNC装置的软件结构模式指系统软件的 组织管理方式；系统软件通过一定的结构模 式，来组织和协调各个任务

9、的执行，使各任 务满足一定的时序配合要求和逻辑关系，从 而实现CNC系统的各种控制要求。结构模式 主要有一些三种： 1 前后台型结构模式 2 中断型结构模式 3 基于实时操作系统的结构模式 Date 1 前后台型结构模式 该模式将CNC系统软件划分成两部分： 前台程序: 主要完成插补运算、位置控制、 故障处理等实时性很强的任务，它是一个实 时中断服务程序。 后台程序(背景程序): 完成显示、零件加工 程序的编辑管理、系统的输入/输出、插补预 处理（译码、刀补处理、速度预处理)等弱实 时性的任务，它是一个循环运行的程序， Date 后台程序在运行过程中，不断地定时被前台实时中断 程序打断；前后相

10、互配合来完成零件的加工任务。 1 前后台型结构模式 Date 2 中断型结构模式 在该结构中，除了初始化程序之外，整个系统软件的各个任 务模块分别安排在不同级别的中断服务程序中，然后由中断 管理系统（由硬件和软件组成）对各级中断服务程序实施调 度管理。整个软件就是一个大的中断管理系统。 实时性好：由于中断级别 较多，强实时性任务可安 排在优先级较高的中断服 务程序中。 但是模块间的关系复杂， 耦合度大，不利于对系统 的维护和扩充。 Date 实时操作系统（RTOS）是操作系统的一 个重要分支它除了具有通用操作系统的功 能外，还具有任务管理、多种实时任务调度 机制（如优先级抢占调度、时间片轮转调

11、度 等）、任务间的通信机制(如邮箱、消息队 列、信号灯等)等功能。优点: 1）弱化功能模块间的耦合关系； 2）系统的开放性和可维护性好； 3）减少系统开发的工作量。 3 基于实时操作系统的结构模式 Date 四 基于DOS的CNC系统软件结构 RTM模块为自行开发的实 时多任务管理模块，负责 CNC系统的任务管理调度。 NCBIOS模块为基本输入 输出系统，管理CNC系统所 有的外部控制对象，包括设 备驱动程序（IO）的管理、 位置控制、插补计算以及内 部监控等。 NCBASE= RTM+ NCBIOS 1 软件结构 Date 2 NCBASE功能 2 实时多任务调度 该功能由RTM模块实现，

12、它是由DOS的INT08 中断功能来实现任务调度的。调度核心由时钟中断 服务程序和任务调度程序组成。 Date 五 其他基于实时操作系统的结构模式 1 基于Linux系统平台 2 基于Windows CE系统平台 Windows CE是Microsoft为多种嵌 入式系统和产品而设计的一个紧凑、高 效、可升级的多进程、多线程、抢先多 任务实时操作系统。 Date lvoid main( void ) l/ 定时器0, 1Ms 中断 lEnableTimer0( ); l/ 等待 300 Ms lWaitMsCnt = 300; lwhile( WaitMsCnt ) ; l/ 串行口1 lEn

13、ableComm1( ); l/ 初始化屏幕 lInitLcd( ); lfor( ; ; ) l ShowWarnInf( ); lCurKeyVal = GetKey( ); l l Date lvoid EnableTimer0( void ) l l/ 定时器0，方式1 lTMOD lTMOD |= 0 x01; l/ 24M 1ms,12T方式 lTH0 = (65536- (DWORD)10000*CPU_FREQ/12)8; lTL0 = (65536- (DWORD)10000*CPU_FREQ/12); l/ 启动 lTR0 = 1; l/ 允许中断 lET0 = 1; lEA = 1; l Date l/ Timer0 定时常数设定 lvoid Timer0Interrupt(void) interrupt TIMER0_INT l l/ 重置常数 lTR0 = 0; lTH0 = (65536- (DWORD)1000*CPU_FREQ/12) 8; lTL0 += (65536- (DWORD)1000*CPU_FREQ/12); lTR0 = 1; lP0_0 = P0_0; l Date ENDTHE Date