基于Windows CE的激光切割機開放式數控系統的研究

作者： Multitouch 時間：2013-06-26 源于：電子工程世界總點擊：

【導讀】：Windows CE是微軟公司開發的一個開放、可升級的32位嵌入式操作系統。與Windows 95 /98、WindowsNT不同的是，Windows CE是所有源代碼全部由微軟自行開發的嵌入式新型操作系統、其操作界面雖來源于Windows 95 /98，但Windows CE是基于Win32 AP I重新開發的、新型的信息設備平臺

前言

Windows CE是微軟公司開發的一個開放、可升級的32位嵌入式操作系統。與Windows 95 /98、WindowsNT不同的是，Windows CE是所有源代碼全部由微軟自行開發的嵌入式新型操作系統、其操作界面雖來源于Windows 95 /98，但Windows CE是基于Win32 AP I重新開發的、新型的信息設備平臺。Windows CE具有模塊化、結構化和基于Win32應用程序接口以及與處理器無關等特點[ 1 ] 。微軟在2002 年推出了新一代Windows CE. NET后，其性能有了更進一步的提高，支持藍牙技術、支持TCP / IPv6，并在實時多任務控制領域得到了成功的應用[ 2 ]。相對于DOS，Windows CE. NET是運行于保護模式的多線程32位操作系統，特別適合數控系統的多任務并行機制，而它的內存保護功能對于數控系統的穩定性具有重要意義：相對Windows桌面操作系統，Windows CE. NET是嵌入式實時操作系統，其獨特體系結構和運行機制使其能夠快速響應外部中斷觸發，并調度相關應用程序進行處理[ 3 ] ，因此它可以滿足數控系統的實時性要求。Win2dows CE. NET是一個實時操作系統，它提供了實時開發所需的重要技術，其中包括:

(1) 256級線程優先權為在嵌入式系統內控制線程時序提供更大的靈活性。

(2)中斷嵌套允許更高優先級的中斷立刻被執行而不必等到較低優先級的中斷服務程序執行完畢。內核能嵌套CPU所支持的全部數量的中斷服務程序。

(3)每一線程的時間片允許應用程序在多線程原則上設置時間片，這就意味著能夠使調度程序適應應用程序的當前要求。

(4)優先權倒置是指當兩個線程競爭同一個資源時，資源被低優先級的線程占用而拖延了高優先級線程的執行的情形。為了糾正這種情形并釋放高優先級的線程，Windows CE允許低優先級線程繼承更加緊急的線程優先級并且以更高的優先級來運行直到它釋放它所占用的資源。

1.Windows CE系統開發平臺的定制

為了使用戶可以方便的將Windows CE轉向一個新的硬件平臺，微軟提供了完整的開發工具p latformbuilder 4. 2，它包括了一些必需的工具，以便開發人員可以為組件化的操作系統版本創建特定平臺的軟件開發包( SDK) 。平臺向導( Platform Wizard)允許開發人員根據將要創建設備的類型簡便快捷地建立新的平臺，參見圖1。

圖1Windows CE系統平臺定制示意圖

要創建一個基于Windows CE. NET的操作系統平臺，必須經過下面幾個步驟: ①選擇一個標準的開發板( SDB ) 來創建Windows CE 平臺。②使用平臺向導(Platform Wizard)中備選的設備及目錄中所列舉的特征對平臺進行定制。③Build 并生成鏡像文件( im2age) 。④將平臺下載到目標設備，調試平臺。⑤平臺創建完畢，輸出軟件開發工具包( SDK) 。

定制平臺時，用戶可以開發自己的OEM硬件適配層(OAL) ，OAL是處于Windows CE系統內核與目標設備硬件之間，用來抽象硬件功能的連接層，實現操作系統的可移植性。OEM硬件適配層分為OEM抽象層和設備驅動程序兩部分。

硬件開發平臺是用于模擬嵌入式系統設備的目標設備，可用于開發、調試和驗證定制平臺的性能。Plat2form Builder支持基于PC機的硬件開發平臺(CEPC) ，CEPC是最靈活的Windows CE設備，很適用于嵌入式系統的開發調試階段。

2.開放式激光切割機數控系統的總體設計和實現

2.1數控激光切割機的組成

圖2 激光加工系統示意圖

數控激光切割機由激光切割機主機、CO2激光器、水冷機、外光路系統、數控系統及自動編程軟件等組成[ 4 ] (見圖2) 。其中激光器及外光路系統是數控激光切割機的關鍵配套部件，其性能指標將直接影響激光切割板材的切割質量，而激光切割機主機則是實現激光進行優質切割的載體。所以，對數控激光切割機主機的開發設計顯得尤為重要。

2.2基于工業PC機的開放式數控系統的分析與構造

隨著近年來計算機技術的發展，工業PC機和模塊化的集成電路逐漸進入數控領域， PC機以其特有的開放性成為開放式數控系統的基礎，它豐富了數控系統的硬、軟件資源，有利于實現總線式、模塊化、開放化的數控系統，該系統利用流行的操作系統平臺作支撐，采用標準的應用開發環境，具有較好的互操作性、移植性、互換性和伸縮性，展現了良好的開放性能，同時又具有方便、靈活的特點。同時充分利用Windows CE強大的圖形界面功能、多線程機制和多媒體定時器來解決數控軟件的實時多任務處理能力，其良好的軟硬件兼容能力能夠實現建立在標準總線基礎上的模塊化開放式數控系統。開放式數控系統可采用分層的體系結構，如圖3所示。各層之間實現隔離，層與層之間通過標準的接口進行通訊，實現了開放式控制系統應有的分層體系結構，使數控軟件易于組裝、擴充和維護。第一層為管理層。它是系統的界面部分，可完成系統的管理、顯示、診斷和監控。通過響應狀態選擇控件產生的不同消息來進行不同界面之間的切換，其調用操作由操作系統管理完成。

第二層為功能單元層。它是系統的控制部分，包括代碼生成、編譯解釋、插補運算和運動控制， I/O 處理和數據采集等，是相對獨立的功能單元。它們之間通過在軟件中建立的多個數據緩沖器來進行大量的數據交換。譯碼可將數控指令解釋成為系統內部的數據格式，插補運算完成數據插補產生加工數據、速度處理和輔助功能設備控制。運動控制程序完成位置伺服的控制。I/O信號處理模塊接收各種按鍵的輸入，轉化為程序變量或系統消息以供操作。數據采集模塊負責采集各運動軸的信息和A /D信號，用于實現數據實時顯示、實時控制等功能。

第三層為支撐層，包括運動控制卡、運動控制器的設備驅動程序、I/O卡和工業PC機。

2.3 開放式數控系統的硬件結構

圖4示出了采用PMAC運動控制器構造的激光切割機開放式數控系統結構。

圖4激光切割機控制系統圖

3.數控系統軟件的設計與實現

3.1 基于Windows CE的數控系統軟件的總體結構

在已有的同類數控系統中，大多數系統是基于DOS環境的，其綜合性能相對于Windows環境就弱一些，尤其是人機交互界面、多任務以及開放性方面比較差。主從計算機間的實時信息交換通訊是實現上下位機間協調工作的關鍵。本數控系統在實時性要求方面與機器人控制相似，如果使用Windows中專用的定時器控件Timer，雖然使用很方便，可以實現一定的定時功能，但最小計時精度僅為55ms，且定時器消息在多任務操作系統中的優先級很低，不能得到及時響應，無法滿足實時控制環境下的應用。所以考慮使用精度更高的多媒體定時器，它可以實現精度為1ms的高精度定時，可以滿足本系統的實時性要求。多媒體定時器不依賴于消息機制，而是由函數TimerSetEvent ( )產生一個獨立的線程，在一定的中斷次數到達后，直接調用預先設置好的回調函數進行處理，而不必等到應用程序的消息隊列為空。因而設置該回調函數來完成周期掃描I/O卡的輸入端口，以及向系統定時發送消息，使其及時更新界面和界面中的數據。為提高系統的可靠性，多媒體定時器在整個控制程序初始化時開啟，并在系統退出時刪除定時器以釋放系統資源。每一個Windows應用程序都是一個進程，并由線程來負責執行包含在進程地址空間中的代碼。實際上，每個進程可以擁有多個線程，它們在進程的地址空間中“同時地”執行代碼。本數控系統軟件中，采用了前后臺型的多線程結構形式。前臺程序由系統主線程和定時器控制，主要完成界面管理、功能控制、系統管理等，并負責響應按鍵與界面輸入的數據，即實現管理層的功能。后臺程序放在輔助線程中，負責進行數控代碼的編譯處理，向PMAC發送命令以及實時數據采集，實現了控制層的功能。

3.2 G代碼轉換模塊的實現

為了使PMAC控制卡兼容G代碼指令，專門開發了G代碼編譯轉換模塊，大大提高該控制系統的開放性和兼容性，為熟悉G代碼編程的用戶提供了方便。本編譯模塊使用了多線程的方法。多線程的應用使程序的并行處理得以實現，多線程使得不同的代碼可以“同時”執行。本模塊采用了工作者線程，其適用于處理后臺任務，而不影響用戶對應用程序的使用。工作者線程僅僅由一個函數體實現，其實現簡單，便于編程者控制，與事件同步方法相配合能對中止消息做出較快反應。事件同步是通過將事件自身設置為有信號或無信號來通知其它線程的某一操作已完成或尚未完成，其設置可由編程人員手工完成，適合于工控程序應用。

與之相對應，本模塊具有一個主線程和兩個子線程，其中一個子線程為通信線程，另一個為計算線程。主線程是Windows下每個應用程序都具備的，負責線程間的同步、向計算線程和通信線程傳遞參數、管理人機界面、接收用戶輸入等功能。通信線程通過通信端口(本程序涉及的是PCI接口)負責與下端的設備進行通信并交換數據。計算線程負責核心算法的實現，根據系統的不同完成不同的數據處理任務。程序結構如圖5。