基于μcos-III數(shù)控系統(tǒng)的研制

張自謙，黃 穗，鄧麗貞

（廣州數(shù)控設(shè)備有限公司，廣東廣州 510000）

0 引言

計算機數(shù)控系統(tǒng)是個實時多任務(wù)系統(tǒng)。它的實時性主要表現(xiàn)在：切削精度、安全性方面、指令響應(yīng)方面。數(shù)控系統(tǒng)的位置控制是通過周期的速度控制的，為了提高切削精度需要保證速度的平穩(wěn)性且插補誤差盡量小，伺服控制周期必須準(zhǔn)確，且周期盡量小。安全性是指系統(tǒng)對突發(fā)事件的反應(yīng)，如刀具破損和機床急停等。指令響應(yīng)主要是指對操作員指令的響應(yīng)時間等。

數(shù)控系統(tǒng)的實時性要求很高，常見的結(jié)構(gòu)和模式可以為多重中斷型、前后臺型或者基于實時操作系統(tǒng)開發(fā)。前后臺型和多重中斷型目前已經(jīng)使用很長的時間，有些過時，目前，一般采用維護性高，以及開發(fā)工作量小的實時操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

實時操作系統(tǒng)μcos-III優(yōu)點突出，被廣泛使用。其支持支持時間片調(diào)度法，允許對實時操作系統(tǒng)內(nèi)核資源進行動態(tài)配置，如：信號量、任務(wù)、任務(wù)棧、事件標(biāo)志組、消息隊列、消息數(shù)、定時器、互斥型信號量和存儲塊劃分等，都可以動態(tài)配置，因此，資源不夠分配的問題，可以避免在程序編譯過程中出現(xiàn)。μcos-III的多數(shù)數(shù)據(jù)類型可修改，獲得按照CPU能適應(yīng)的最佳位數(shù)寬度。可以用匯編語言書寫選擇和確定優(yōu)先級的算法，對于一些有特殊指令，CPU的優(yōu)勢得到充分發(fā)揮，比如：復(fù)位指令、找出第一個不為零位(FF1)指令、計數(shù)器計到零(CLZ)指令等。

1 OMAP-L138處理器

OMAP-L138處理器是一個基于ARM926EJ-S?和C674x DSP為核心處理器的低功耗應(yīng)用。它提供了比數(shù)字信號處理器TMS320C6000?平臺的其他成員顯著較低的功率。它具有強大的操作系統(tǒng)支持，豐富的用戶界面和高速處理性能。另外，它的雙核架構(gòu)提供了DSP和精簡指令集計算機（RISC）技術(shù)，使處理器和存儲系統(tǒng)的所有部分可以連續(xù)運行。

2 數(shù)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)的模塊劃分

把數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)所需完成的功能和需求分為五個任務(wù)，界面管理任務(wù)，數(shù)據(jù)處理任務(wù)，運動控制任務(wù)，位置控制任務(wù)，PLC任務(wù)，每個任務(wù)還可以具體細分。具體的系統(tǒng)模塊劃分如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)模塊圖

人與機器的交互主要由界面管理完成。界面具有顯示加工狀態(tài)和非加工狀態(tài)功能。加工時，界面主要是顯示數(shù)據(jù)段，尺寸，主軸轉(zhuǎn)速，刀具號，進刀速度等參數(shù)。非加工時，界面主要顯示程序目錄，內(nèi)存中存儲的零件程序等。

各種運動軸的控制任務(wù)主要由運動控制模塊完成。相應(yīng)的運動由人工通過鍵盤輸入，大致有自動運行，進行手動，回機床零點，回程序零點等。其中運動控制最核心的功能是自動運行。

PLC模塊主要負責(zé)執(zhí)行器的運行和機床內(nèi)置傳感器數(shù)據(jù)的采集，并保證執(zhí)行器執(zhí)行和數(shù)據(jù)采集的一致性。主要執(zhí)行換刀、主軸、冷卻液、控制面板的掃描以及從機床內(nèi)置傳感器和變換器中采集數(shù)據(jù)，根據(jù)采集的信息執(zhí)行不同的邏輯操作和轉(zhuǎn)換。

在蘭州的歲月里，化建公司（五建時名）以建設(shè)蘭化、發(fā)展蘭化、振興蘭化為使命。20世紀80年代后，蘭化的建設(shè)項目和技改項目呈逐年減少之勢?；翡J的嗅到了改革開放的春風(fēng)已經(jīng)刮起，迎身跳入市場化的浪潮中去，把目光投向了蘭化以外更加廣闊的建筑市場?！傲⒆闾m州、服務(wù)甘肅、面向全國”的經(jīng)營戰(zhàn)略應(yīng)運而生。

譯碼和刀具補償以及前瞰處理主要由數(shù)據(jù)處理模塊完成。數(shù)據(jù)處理模塊將標(biāo)志的數(shù)控代碼翻譯成本系統(tǒng)能識別的代碼，此后的數(shù)據(jù)段坐標(biāo)參數(shù)經(jīng)過軌跡計算，轉(zhuǎn)換為軌跡參數(shù)。軌跡轉(zhuǎn)換一般分兩步，第一步進行刀具補償，即進行刀具長度補償和刀具半徑補償。第二步根據(jù)進行前瞰處理，提前預(yù)測加工路徑的情況，給出近似最優(yōu)的銜接進給速度，提高對微線段的加工效率和加工質(zhì)量。

圖2 數(shù)控系統(tǒng)運行總體框圖

位置控制是在給定的約束范圍內(nèi)各個軸執(zhí)行運動指令所有必須的方法，這些指令通常都是周期性的。它主要是把插補得到的位置給定值與通過傳感器檢測到的位置實際值進行比較，以確定位置偏差，產(chǎn)生一個控制信號，驅(qū)動伺服電機，把位置偏差減小到零或減小到微小的數(shù)值。

2.2 μcos-III系統(tǒng)的運行結(jié)構(gòu)

如圖2所示，是μcos-III系統(tǒng)的整個軟件的運行框圖。系統(tǒng)的操作方式由鍵盤選擇輸入。比如當(dāng)用戶選擇自動運行后，啟動系統(tǒng)后，系統(tǒng)順序執(zhí)行代碼編譯，刀具補償，速度計算，插補，位置控制完成對配件的加工。

2.3 系統(tǒng)任務(wù)

數(shù)控系統(tǒng)的各個模塊被劃分為不同的任務(wù)。其中PLC劃分為兩個任務(wù)：一個任務(wù)的優(yōu)先級高，完成對時間要求比較高的操作，如急停等；另一個任務(wù)的優(yōu)先級低，主要完成I/O口的操作。每個任務(wù)對應(yīng)著μcos-III操作系統(tǒng)的一個任務(wù)，并根據(jù)它們的重要性設(shè)定不同的優(yōu)先級。它們分別是界面管理任務(wù)、運動控制任務(wù)、數(shù)據(jù)處理任務(wù)、PLC任務(wù)1、PLC任務(wù)2。它們都是周期性任務(wù)，即每個任務(wù)都需要周期的運行。

任務(wù)之間采用共享內(nèi)存進行通訊，在μcos-III中，共享內(nèi)存采用全局變量實現(xiàn)。任務(wù)間同步采用關(guān)中斷和開中斷的方式和信號量方式。開中斷和關(guān)中斷其實就相當(dāng)于全局變量，這個主要用在傳輸數(shù)據(jù)量小的操作；傳輸數(shù)據(jù)量大的操作，耗費的時間較長，主要采用信號量的方式進行通訊。在μcos-III中郵箱只傳輸一個數(shù)據(jù)，可以把它用作同步信號，在本系統(tǒng)中也可以采用郵箱進行同步。

為了防止優(yōu)先級逆轉(zhuǎn)，采用了優(yōu)先級天花板協(xié)議[2]。優(yōu)先級逆轉(zhuǎn)一般是在兩個任務(wù)訪問共享數(shù)據(jù)時出現(xiàn)，為了保證數(shù)據(jù)的一致性，這兩個訪問必須串行，如果優(yōu)先級高的任務(wù)首先獲得訪問權(quán)，則優(yōu)先級的順序保持一致，如果優(yōu)先級低的任務(wù)先獲得訪問權(quán)，這時優(yōu)先級高的任務(wù)請求訪問，則優(yōu)先級高的任務(wù)必須等到優(yōu)先級低的任務(wù)訪問為止。優(yōu)先級天花板協(xié)議是使用優(yōu)先級繼承協(xié)議，當(dāng)任務(wù)J阻塞更高優(yōu)先級任務(wù)時，它在被阻塞任務(wù)中優(yōu)先級最高水平上執(zhí)行關(guān)鍵部分，關(guān)鍵部分一結(jié)束，任務(wù)J返回到原先的優(yōu)先級上。有些實時操作系統(tǒng)不提供改變優(yōu)先級功能，但μcos-III提供了一個改變優(yōu)先級的函數(shù)OSTask-ChangePrio()函數(shù)，主要利用該函數(shù)實現(xiàn)優(yōu)先級天花板協(xié)議，防止優(yōu)先級逆轉(zhuǎn)。

具體的優(yōu)先級算法如下：

（1）在系統(tǒng)配置階段

1）求出共享數(shù)據(jù)data中任務(wù)的最高優(yōu)先級Pceiling；

由于μcos-III不允許優(yōu)先級重疊，所以在系統(tǒng)配置時，任務(wù)優(yōu)先級的設(shè)置：

|Pi-Pj|＞=2 Pi表示第i個任務(wù)的優(yōu)先級，其中i≠j。

（2）在系統(tǒng)運行階段

2）任務(wù)i訪問數(shù)據(jù)data時，把任務(wù)i的優(yōu)先級提高到Pceiling+1;

（3）任務(wù)i訪問數(shù)據(jù)data結(jié)束，把任務(wù)i的優(yōu)先級恢復(fù)。繼續(xù)運行下面程序，這個時候該任務(wù)可以被其他任務(wù)搶占了。

3 數(shù)控系統(tǒng)的實現(xiàn)

為了驗證以上提到設(shè)計的效果，用μcos-III實現(xiàn)了一個嵌入式數(shù)控系統(tǒng)。該數(shù)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

數(shù)控系統(tǒng)硬件采用ARM+FPGA結(jié)構(gòu)。μcos-III運行在ARM上，實現(xiàn)系統(tǒng)的界面管理、輔助數(shù)據(jù)管理、運動控制、PLC及位置控制等任務(wù)；FPGA實現(xiàn)系統(tǒng)的I/O管理。目前該系統(tǒng)已經(jīng)裝配機床，運行安全、可靠。

圖3 數(shù)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

用μcos-III實現(xiàn)的嵌入式數(shù)控系統(tǒng)如圖4所示。操作人員可以根據(jù)要求選擇不同的操作方式，來實現(xiàn)不同的功能選擇。

圖4 嵌入式數(shù)控系統(tǒng)界面

4 結(jié)論

本文給出了基于μcos-III的數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。詳細論述了在μcos-III上實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)的模塊結(jié)構(gòu)、運行結(jié)構(gòu)以及任務(wù)間的同步，在此基礎(chǔ)上給出了基于ARM嵌入式硬件平臺的數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)。

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