基于LINUX+RTLINUX平臺的開放式數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)*

潘 策，姜凌羽

(1.大連高金數(shù)控技術(shù)有限公司，遼寧 大連 116001;2.北京航空航天大學(xué) 機(jī)械工程及自動化學(xué)院，北京 100083）

0 引言

開放式的數(shù)控系統(tǒng)是隨著計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)(CNC）的飛速發(fā)展而逐漸成為現(xiàn)代機(jī)床控制領(lǐng)域的新方向，其體系結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)化、柔性化、功能模塊化以及超強(qiáng)的可擴(kuò)展性和移植性，特別是它能夠通過現(xiàn)場總線將單個設(shè)備連接，實(shí)現(xiàn)控制的網(wǎng)絡(luò)化和集成化，這是傳統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)所無法比擬的。在軟件應(yīng)用平臺開發(fā)上也具有更加寬廣的空間，能滿足不同用戶對其二次開發(fā)的不同需求。

在開放式數(shù)控系統(tǒng)中主要有兩大功能模塊:運(yùn)動控制模塊和伺服控制模塊。運(yùn)動控制模塊主要實(shí)現(xiàn)位置環(huán)的控制;伺服控制模塊主要實(shí)現(xiàn)速度環(huán)和電流環(huán)的控制。運(yùn)動控制模塊通過特定的控制算法將機(jī)床位置參數(shù)轉(zhuǎn)化成速度指令，傳遞給伺服控制模塊，后者將傳來的速度指令和速度反饋值比較，其偏差作為速度控制器收入，其輸出為轉(zhuǎn)矩給定，并和電流環(huán)的反饋值比較，經(jīng)轉(zhuǎn)矩/電流變換后得到轉(zhuǎn)矩電流給定，從而完成一次完整的三環(huán)閉環(huán)控制。電流環(huán)是內(nèi)環(huán)，速度環(huán)是中間環(huán)，位置環(huán)是外環(huán)。機(jī)床電機(jī)得到是電流輸出值，而實(shí)現(xiàn)的是機(jī)床的位置控制，因此運(yùn)動控制模塊決定了開放式數(shù)控系統(tǒng)的精度。

1 開放式數(shù)控系統(tǒng)的構(gòu)成

IEEE關(guān)于開放式系統(tǒng)的定義是:開放式系統(tǒng)能有效地運(yùn)行于不同的平臺之上，可以與其他應(yīng)用系統(tǒng)相互操作，并提供與用戶交互的統(tǒng)一風(fēng)格，即所謂互操作性、可移植性、可伸縮性和可互換性［1］。

開放式數(shù)控系統(tǒng)平臺由硬件和軟件組成。系統(tǒng)軟件包括實(shí)時操作系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、設(shè)備驅(qū)動程序以及其它應(yīng)用程序。系統(tǒng)軟件通過標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用程序接口向應(yīng)用軟件提供服務(wù)。系統(tǒng)硬件包括組成系統(tǒng)的各種物理實(shí)體。

1.1 CUnet現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)

Cunet網(wǎng)(Corective Uncontiunse Network）為無主從式、數(shù)據(jù)共享型現(xiàn)場總線網(wǎng)。特點(diǎn)是:把連接I/O設(shè)備的所有功能集成在一塊邊長16mm的正方形IC芯片中，可省去使用者許多復(fù)雜的事先設(shè)置工作;僅用2條線，連接所有的I/O局，有極高的可維護(hù)性;IC芯片內(nèi)帶高性能糾錯功能，具有極好的耐環(huán)境性;采用數(shù)據(jù)共享式通訊網(wǎng)絡(luò)組織方式，整個網(wǎng)絡(luò)溶為一體;不僅僅傳送I/O數(shù)據(jù)，更可傳送網(wǎng)絡(luò)通訊局自身的有關(guān)信息。一個CUnet網(wǎng)絡(luò)中最多可連接64臺I/O設(shè)備。64臺I/O設(shè)備共享所有的I/O信息［2］。

MKY40是為Cunet總線網(wǎng)絡(luò)而配置的集成芯片，將各個站點(diǎn)通過MKY40相連接，可以形成分布式處理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，從而增強(qiáng)整個網(wǎng)絡(luò)的存儲和處理能力［2］。

Cunet有兩種工作模式:內(nèi)存模

式和I/O模式。兩種模式之間可以通過硬件設(shè)置相互轉(zhuǎn)換。處于內(nèi)存模式的MKY40有兩個接口:總線接口(BUS-I/F）和網(wǎng)絡(luò)接口(Network I/F），將BUSI/F和用戶端CPU連接，同時將Network I/F和網(wǎng)絡(luò)連接，可以在Cunet總線網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)建一個內(nèi)存基站［2］。

1.2 MCX314多軸電機(jī)伺服控制器［3］

MCX314是日本NOVA電子公司研制的DSP運(yùn)動控制專用芯片，能實(shí)現(xiàn)4軸3聯(lián)運(yùn)動的位置、速度、加速度控制和直線、圓弧、位元3種模式的連續(xù)插補(bǔ)位置環(huán)閉環(huán)控制，其性能優(yōu)良、接口簡單編程方便，廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床和機(jī)器人控制領(lǐng)域。

2 開放式數(shù)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

本文采用的是通用PC加實(shí)時控制單元的雙內(nèi)核控制結(jié)構(gòu)。利用PC機(jī)的Linux形成完善的人機(jī)界面，同時用軟件來實(shí)現(xiàn)各種先進(jìn)的控制技術(shù);開放式結(jié)構(gòu)平臺可以集成不同開發(fā)商提供的軟件并適合聯(lián)網(wǎng)需要，且具有與硬件無關(guān)的特性。如圖1所示。

圖1 基于PCI總線的運(yùn)動控制原理圖

PCI9052是連接PCI總線和MCX314的橋接口電路芯片，從PC機(jī)中發(fā)來的加工參數(shù)、插補(bǔ)軌跡以及狀態(tài)信息通過PCI總線傳到PCI9052的高速緩存FIFO中，PCI9052作為總線主設(shè)備將PC機(jī)傳來的信息經(jīng)過緩存最終存儲到MKY40內(nèi)，由于MKY40映射為PC機(jī)的一部分內(nèi)存地址所以PC機(jī)就像操作內(nèi)存一樣將信息存儲到MKY40，等待MCX314的讀取。MCX314定時從MKY40中讀取PC機(jī)傳來的各種控制信息。MCX314的主要功能是根據(jù)PC機(jī)送來的插補(bǔ)信息通過插補(bǔ)算。如圖2所示。

圖2 PCI9052與PCI總線和MCX314的接口電路

3 開放式數(shù)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

在Linux下，驅(qū)動程序處于“核心態(tài)”，所有的硬件設(shè)備都被映射為文件，對外提供統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)的軟件調(diào)用接口。上層軟件通過fopen(），fread(），fwrite(）等，透明地在用戶層對硬件實(shí)現(xiàn)控制［4］。

驅(qū)動程序的主要工作是:監(jiān)控板卡狀態(tài)，控制板卡的熱插拔和熱交換;提供應(yīng)用程序訪問接口;從RAM中取出指令數(shù)據(jù);根據(jù)應(yīng)用程序的讀寫請求，將數(shù)據(jù)提供給應(yīng)用程序。

PCI設(shè)備的驅(qū)動程序主要解決的首先是即插即用問題，如何獲取系統(tǒng)分配給該設(shè)備的配置資源，然后是如何訪問設(shè)備I/O內(nèi)存映射硬件，如果處理硬件中斷，最后還要解決和應(yīng)用程序的通訊問題。

圖3 基于PCI總線的運(yùn)動控制原理圖

3.1 驅(qū)動程序的編寫

3.1.1 設(shè)備驅(qū)動程序的結(jié)構(gòu)

Linux的設(shè)備驅(qū)動程序大致可以分為如下幾個部分:

驅(qū)動程序的注冊與注銷、設(shè)備的打開與釋放、設(shè)備的讀寫操作、設(shè)備的控制操作、設(shè)備的中斷和輪詢處理。

驅(qū)動程序的注冊與注銷:通過在驅(qū)動程序的初始化過程中調(diào)用register_chrdev(）或者register_blkdev(）來完成。而在關(guān)閉字符設(shè)備或者塊設(shè)備時，則需要通過調(diào)unregister_chrdev(）或unregister_blkdev(）從內(nèi)核中注銷設(shè)備，同時釋放占用的主設(shè)備號。

設(shè)備的打開與釋放通過調(diào)用file_operations結(jié)構(gòu)中的函數(shù)open(）和release(）來完成的。

設(shè)備的讀寫操作:直接使用函數(shù)read(）和write(）就可以了。

設(shè)備的控制操作:通過設(shè)備驅(qū)動程序中的函數(shù)ioctl(）來完成。

設(shè)備的中斷和輪詢處理:對于不支持中斷的硬件設(shè)備，讀寫時需要輪流查詢設(shè)備狀態(tài)，以便決定是否繼續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。如果設(shè)備支持中斷，則可以按中斷方式進(jìn)行操作。

3.1.2 設(shè)備驅(qū)動程序的接口

Linux中的I/O子系統(tǒng)向內(nèi)核中的其他部分提供了一個統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備接口，這是通過include/linux/fs.h中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)file_operations來完成。當(dāng)應(yīng)用程序?qū)υO(shè)備文件進(jìn)行諸如open、close、read、write等操作時，Linux內(nèi)核將通過file_operations結(jié)構(gòu)訪問驅(qū)動程序提供的函數(shù)。例如，當(dāng)應(yīng)用程序?qū)υO(shè)備文件執(zhí)行讀操作時，內(nèi)核將調(diào)用file_operations結(jié)構(gòu)中的read函數(shù)。

3.1.3 設(shè)備驅(qū)動程序的動態(tài)加載

從本質(zhì)上來講，模塊也是內(nèi)核的一部分，它不同于普通的應(yīng)用程序，不能調(diào)用位于用戶態(tài)下的C或者C++庫函數(shù)，而只能調(diào)用Linux內(nèi)核提供的函數(shù)，在/proc/ksyms中可以查看到內(nèi)核提供的所有函數(shù)。

在以模塊方式編寫驅(qū)動程序時，要實(shí)現(xiàn)兩個必不可少的函數(shù)init_module(）和cleanup_module(），而且至少要包含＜linux/krernel.h＞和＜linux/module.h＞兩個頭文件。在用gcc編譯內(nèi)核模塊時，需要加上-DMODULE-D_KERNEL_-DLINUX這幾個參數(shù)，編譯生成的模塊(一般為.o文件）可以使用命令insmod載入Linux內(nèi)核，從而成為內(nèi)核的一個組成部分，此時內(nèi)核會調(diào)用模塊中的函數(shù)init_module(）。當(dāng)不需要該模塊時，可以使用rmmod命令進(jìn)行卸載，此進(jìn)內(nèi)核會調(diào)用模塊中的函數(shù)cleanup_module(）。任何時候都可以使用命令來lsmod查看目前已經(jīng)加載的模塊以及正在使用該模塊的用戶數(shù)。

3.2 應(yīng)用程序的編寫

上層應(yīng)用程序模塊主要包括:人機(jī)接口模塊、解釋程序模塊、PLC接口模塊、插補(bǔ)模塊 、運(yùn)動算法模塊五大部分，通過將輸入指令逐步分解、傳達(dá)至運(yùn)動控制器，實(shí)現(xiàn)對機(jī)床的準(zhǔn)確控制，由于軟件采用了模塊化，同時基于組件技術(shù)，所以進(jìn)行軟件升級以及用戶進(jìn)行二次開發(fā)都比較方便［4］

4 結(jié)束語

基于LINUX+RTLINUX雙內(nèi)核開發(fā)平臺和PCI總線的開放式數(shù)控系統(tǒng)，具有實(shí)時性高、成本低，可移植性和可擴(kuò)展性好，易于二次開發(fā)等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足數(shù)控車床、銑床、車銑中心、車削中心，立式和臥式加工中心等高精度機(jī)床的應(yīng)用。

［1］于東，郭銳鋒.開放式數(shù)控系統(tǒng)域建模研究［J］.小型微型計(jì)算機(jī)統(tǒng)，2000.

［2］Technical report No.006＞ CUnet Family＞ MKY40，Method of selecting the crystal oscillator for MKY40，2006.

［3］葉佩青，汪勁松.MCX314運(yùn)動控制芯片與數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2002.

［4］馬毅，李霞峰，盛煥華.基于Linux的實(shí)時操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］. 計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2001(12）:109-110，176.

［5］馮俊平.基于MPC8250的嵌入式Linux系統(tǒng)開發(fā)［D］.西安電子科技大學(xué)，2006.

［6］張俊鵬.PCI通信板卡及Linux驅(qū)動設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.大連:大連理工大學(xué)，2007.

［7］趙昌永，等.一種基于嵌入式Linux的視頻采集系統(tǒng)儀器儀表學(xué)報(bào)，2005.

［8］DVB-S機(jī)頂盒前端驅(qū)動的軟件實(shí)現(xiàn).天津大學(xué)，2006.