CN1142488C - 一种具有自引导型二次开发仿真平台的开放结构数控系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有自引导型二次开发仿真平台的开放结构数控系统，它包括在主板上由系统总线与中央微处理器、通用控制和用户交互芯片、存储器芯片、电源时钟电路、接口电路连接的数控系统；本发明在于它还包括一个二次开发仿真芯片、一个仿真开发存储芯片、一个二次开发存储芯片、一个二次开发平台和一个二次开发接口；以及二次开发仿真芯片内固化有二次开发控制软件。本发明可提供二次开发功能的开放式结构数控系统，适合用户单位对产品加工过程式中进行新功能的开发、拓展，以满足新产品制造时的各种需要。并具有价廉、易操作和控制、经济适用等多方面的特点。

Description

一种具有自引导型二次开发仿真平台的开放结构数控系统

                                     技术领域

本发明属于控制调节类，尤其涉及计算机引导型二次开发仿真平台的开放结构数控系统的控制。

                                     背景技术

当前数控系统基本有两种模式，一种是传统的专用单片处理器模式的封闭结构的数控系统，一种是当前正处于研发阶段的基于工控机和运动控制卡模式的开放式数控系统，

传统模式的数控系统采用专用单片机为硬件核心，封闭式的体系结构屏蔽了所有的系统技术细节，只对用户提供了功能固定的对外通用控制接口，用户必须按系统要求选择匹配的外围驱动设备来实现数控机床的构建。而一旦系统定型，用户就被系统固定的功能和性能束缚。由于没有专门提供给用户的二次开发接口，也没有提供专门的二次开发环境，用户无法进行原有功能的改进和新功能的增加，使得数控系统无法适应不断变化的生产加工要求。

在软件结构上，封闭式数控系统大都采用与中央处理器相配套的汇编语言来构成系统，这种语言很难架构模块化结构的软件环境且硬件依赖性很强，很难被移植和二次开发，这是传统模式数控系统极难实现开放性的一个致命原因。而当前正处于积极研发阶段的开放式数控系统，基本上都采用了工控计算机配套运动控制卡的结构模式来实现对机床的数控控制，这种模式数控系统的开放性主要是借用了当前PC计算机的开放特征，实质上只是PC计算机的一个板卡式控制应用，在结构和性能上都存在很大局限性：

1，没有定义独立的适合于数控加工控制的开放结构。由于采用的是通用计算机平台，所具备的开放性都是计算机本身固有的开放特征，不是针对于数控加工特点来定义的，这种借鉴方式的代价就是要完全依赖于计算机的结构体系框架，PC计算机作为一个通用平台无论从底层硬件设计和操作系统环境上都没有对数控加工特殊性的考虑，因此不能从根本上搭建数控平台。

2，工控机模式的开放式数控系统不能很好的保证实时性和可靠性。PC计算机在运行时由于采用通用的操作系统，占用了很大的系统资源，与数控加工无关的任务可能占去了更多系统的工作份额，他们干扰着系统对现场加工的及时响应，降低了系统对重要控制事件的处理速度，增加了系统运行的开销，这些都会导致系统的不稳定。

3.工控机模式数控系统的成本太高。一台能满足数控加工速度要求的计算机至少需要投资数千元再配上运动控制卡，使得成本很难降低。

4.控制系统由于没有独立的开放结构体系，必须依赖PC计算机的结构体系和软件框架，因此注定只能以这种单一的函数库的形式来体现二次开发，这要求一个普通用户或者是一个机床操作工就具备很好的编程基础和计算机软硬件知识，这对于只需要一般改进的用户无疑是太多代价，有时候更是得不偿失。而对于高级用户只提供函数库又显得不足。另外，当前的开发手段没有一个专门友好平台，没有一个适合于数控功能开发的引导型流程来帮助用户的功能定义，这一方面不能是用户充分利用开放式数控系统的结构优势，另一方面会使没有经验或对所需功能不很明确的用户走弯路甚至破坏系统的稳定性。

                                     发明内容

本发明的目的是提供一种具有自引导型二次开发仿真平台的开放结构数控系统，以解决上述的不足和难题。

本发明的目的是这样实现的：一种具有自引导型二次开发仿真平台的开放结构数控系统，包括在主板上由系统总线与中央微处理器、通用控制和用户交互芯片、存储器芯片、电源时钟电路和通用接口控制电路连接的数控系统，其特征在于，该数控系统还包括一个二次开发仿真芯片、一个仿真开发存储芯片、一个二次开发存储芯片、一个二次开发仿真平台和一个二次开发接口。

其中，

所述的二次开发仿真芯片，其与系统总线相连，用于对从二次开发接口输入的用户二次开发代码进行仿真过程的控制和管理，并将仿真成功的用户二次开发代码固化到二次开发存储芯片中；

所述的仿真开发存储芯片，其与系统总线连接，为用户二次开发代码的仿真过程提供运行和存储空间。

所述的二次开发存储芯片，其与系统总线连接，用来存储仿真成功的用户二次开发代码。

所述的二次开发接口，其与系统总线相连，用来接收来自二次开发仿真平台的用户二次开发代码，并在二次开发仿真芯片的控制下将用户二次开发代码输入到仿真开发存储芯片中。

所述的二次开发仿真平台，其由PC计算机和运行在PC计算机上的二次开发仿真软件，及连接于PC计算机并口的下载电缆组成。二次开发仿真平台通过计算机的并口经由下载电缆与数控系统二次开发接口连接，用于开放结构数控系统新功能的开发和仿真。

二次开发仿真平台中的下载电缆，是一段用于连接PC计算机并口和数控系统二次开发仿真接口的电缆，用于将用户二次开发代码从二次开发仿真平台下载到数控系统中。

二次开发仿真平台中的二次开发仿真软件，其为用户进行数控系统的二次开发提供一个集成的软件开发环境，包含下列步骤：

判断开发类型，

1)若为通用功能型二次开发，

则判断是否开发新的交互功能，

若是，调用交互功能开发过程链接交互功能函数库，按指定格式和语法输入参数、描述和必要代码语句，对新功能可靠性合理性检验，

若否，则判断是否开发新的控制功能，

若是，调用控制功能开发过程链接控制功能函数库，按指定格式和语法输入参数、描述和必要代码语句，对新功能可靠性合理性检验，

若否，则调用特殊功能开发过程链接特殊功能函数库，按指定格式和语法输入参数、描述和必要代码语句，对新功能可靠性合理性检验；

2)若为运动控制型二次开发，

则判断是否开发新的插补算法，

若是，调用插补算法开发过程链接插补算法库，按指定格式和语法输入参数、描述和必要代码语句，对新功能可靠性合理性检验，

若否，则判断是否开发新的速度控制，

若是，调用速度控制开发过程链接速度控制函数库，按指定格式和语法输入参数、描述和必要代码语句，对新功能可靠性合理性检验，

若否，调用特殊运动控制开发过程链接对应函数库，按指定格式和语法输入参数、描述和必要代码语句，对新功能可靠性合理性检验；

3)若为系统策略型二次开发，

则判断是否开发监控诊断策略，

若是，调用监控诊断开发过程链接监控策略库，按指定格式和语法输入参数、描述和必要代码语句，对新功能可靠性合理性检验，

若否，则判断是否开发网络管理策略，

若是：调用网络管理开发过程链接网络管理策略库，按指定格式和语法输入参数、描述和必要代码语句，对新功能可靠性合理性检验，

若否，则调用特殊策略开发过程链接特殊策略库，按指定格式和语法输入参数、描述和必要代码语句，对新功能可靠性合理性检验；

4)判断新功能可靠性合理性的检验，

若检验不合格，给出修改意见，转到判断开发类型，

若检验合格，则进行代码编译，由计算机并口及下载电缆输入数控系统或存储。

由于本发明采用了以上的技术方案，因而具有：

1.独立的适合于数控加工的软硬件开放结构体系。从系统硬件上采用FPGA可编程芯片的整体芯片化结构来组建底层硬件框架，完全区别于传统数控系统扳卡式硬件结构的设计。数控系统内部的各功能芯片与二次开发仿真芯片通讯连接，完成用户二次开发代码重新写入数控系统内部各功能芯片的过程，从而在系统最底层硬件结构上实现开放性。在软件上采用嵌入式时实操作系统，采用面向对象的软件设计方法，将系统功能通过六个接口明确的模块对象来实现。在对用户开发接口进行二次开发的同时，实现了各层次实现细节的屏蔽，有效的保证了系统的稳定可靠。

2.自引导型并具备自检能力的二次开发平台。针对于不同档次数控系统和不同层次用户需求组合不同方式的开发手段，基于知识专家库并采用开发流程向导的方式来引导用户完成二次开发过程，采用开发模板的形式为用户定制格式化的二次开发样本。还采用系统可靠性自检的控制策略来确保用户开发代码不会对整体性能产生不利影响。

                                     附图说明

图1是本发明的一种具有自引导型二次开发仿真平台的开放结构数控系统的构成示意图；

图2是本发明的一种具有自引导型二次开发仿真平台的开放结构数控系统的软件框图；

图3是本发明的一种具有自引导型二次开发仿真平台的开放结构数控系统的控制程序流程示意图；

图中：

1、中央微处理器                           1-1高速DSP处理芯片

2、通用控制与交互管理芯片                 3、存储器

4、系统工作ROM存储芯片                    5、数据信息FLASH-ROM存储芯片

6、仿真开发RAM存储芯片                    7、二次开发FLASH-ROM存储芯片

8、数据资源管理芯片                       9、二次开发仿真控制芯片

10、基于PC机的数控系统二次开发仿真平台    11、通用控制及用户交互接口

12、二次开发接口                          13、系统总线

14、电源时钟电路

                                   具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施作如下说明：

在图1中，中央微处理器1、高速DSP处理芯片1-1、通用控制与交互管理芯片2、存储器3、电源时钟电路14、通用控制及用户交互接口11、数据资源管理芯片8、二次开发仿真控制芯片9、二次开发接口12分别与系统总线13相连接；基于PC机的数控系统二次开发平台10由总线13与二次开发接口12相连接。存储器3由系统工作ROM存储芯片4、数据存储FLASH-ROM存储芯片5、仿真开发RAM存储芯片6和二次开发FLASH-ROM存储芯片6组成。

其中，

1、中央微处理器1，其用于系统整体的控制运算和功能性能的协调，采用32位高性能嵌入式微控制芯片构建，在与之配套的嵌入式实时操作系统的工作环境下，主要完成对系统整体控制和协调。并且可在由高速DSP数字信号处理芯片构建的协处理器的配合下，完成一些计算量大和实时性高的复杂控制任务。

2、高速DSP处理芯片1-1，其作为中央微处理器1的协处理器，配合中央微处理器1完成一些算量大和实时性高的复杂控制任务，也可单独用于大规模数据处理功能的实现。

3、通用控制与交互管理芯片2，其用于一方面完成与机床加工有关的运动轨迹的计算和控制，另一方面完成与用户输入输出有关的处理过程。通用控制及用户交互芯片2通过总线13与中央处理器1和数控系统内部的其他芯片相连接，直接用于处理通用控制及用户交互接口产生各种输出量并处理该接口传来的输入量。

4、存储器3，其主要由系统工作ROM芯片4、数据信息Flash_Rom存储芯片5、仿真开发RAM芯片6和二次开发Flash_Rom存储芯片7这四个独立的存储芯片组成。存储器3中的信息用于执行数控系统的相关管理和控制，而管理和控制的结果信息也被存入到存储器3中。

5、系统工作ROM存储芯片4，其用于存放基本的系统管理控制程序，用于整个数控系统的基本运作。固化在系统工作ROM存储芯片4中的系统程序，属性为只读，是数控系统默认的系统程序，预先已写入。

6、数据信息FLASH-ROM存储芯片5，其用于存储来自加工现场和来自远程网络的数据及控制信息，该芯片的属性为可读可写，是系统进行资源共享和自身决策诊断的数据库。该芯片直接由数据信息管理芯片8控制

7、仿真开发RAM存储芯片6，用来接收从二次开发接口12传送来的编译代码，供系统进行新功能的仿真调试。该芯片通过二次开发接口12由基于PC机的二次开发仿真平台10下载代码并装入运行。

8、二次开发FLASH-ROM存储芯片7，用来存放用户进行二次开发后的具备用户新增功能和特点的新系统程序。该芯片通过二次开发接口12，由基于PC机的二次开发仿真平台10写入。

9、数据资源管理芯片8，其用于为其他芯片传送数据信息Flash_Rom存储芯片中的各种数据信息，也用于接收和存储其他芯片传来的各种数据信息，增大系统工作的资源共享。数据资源管理芯片8采用智能化的分类管理机制，利用数据同步算法保证存储数据信息的自动更新和知识库的自我学习，作为状态监控与故障诊断芯片6的本机决策存储库。数据信息管理芯片8通过总线13与中央处理器1和数控系统内部的其他芯片相连接，直接负责对数据信息Flash_Rom存储芯片5的控制。

10.二次开发仿真控制芯片9，用于处理由二次开发仿真接口12传入的用户开发代码，并将代码固化入仿真开发RAM芯片6中，并对新功能的仿真进行测试，同时完成对仿真过程的监控和与基于PC机的数控系统二次开发仿真平台10的通信交互。最后将已仿真成功的用户开发代码存入到二次开发Flash_Rom存储芯片7中，完成数控系统的功能升级。

11、基于PC机的数控系统二次开发仿真平台10，其主要由通用PC计算机，下载电缆和运行在PC机上的二次开发仿真软件组成。

二次开发平台中的通用计算机作为二次开发的应用平台，主要是提供二次开发软件运行和调试的软硬件接口环境；

二次开发平台中的下载电缆作为二次开发平台和数控系统本体之间的通讯连接方式，负责将编译后二次开发的代码输入进数控系统的本体中的仿真RAM芯片9中，并为二次开发平台反馈回仿真信息；

二次开发平台中的二次开发仿真软件作为集代码编写，函数库调用，代码编译链接，功能仿真调试为一体的集成开发环境，提供给用户二次开发的手段和实现方式。

二次开发仿真软件运行于通用PC计算机的WINDOWS操作环境中，驱动计算机的并行接口，经由下载电缆将编译后的代码传输到数控系统本体的二次仿真开发接口12。

12.通用控制及用户交互接口11，用于一方面实现与机床部分的连接，包括对机床工作所需的各类模拟量和数字量的控制，保证机床完成加工运动；另一方面实现用户对系统和机床的控制和交互，包括对操作按键，显示屏，机床操作面板的响应和控制。

13、二次开发接口12，其通过下载电缆与计算机的并口联接，接收二次开发软件传来的编译代码。经处理后送入仿真开发RAM芯片9，用于实现对二次开发功能的仿真。

上述各类接口通过系统总线13与数控系统的中央处理器1以及数控系统内部的其他各个功能芯片之间建立连接，将外界的信息反馈给数控系统的各功能芯片，并将系统的指令信息发送到外部控制对象。

14、系统总线13，由32位数据总线、24位地址总线和30根控制总线组成，主要负责数控系统内部各功能芯片、接口、存储模块和中央处理模块之间的连接，作为传送数据，地址和控制信号的通道。

15.电源时钟电路14，其用于整个数控系统各芯片、接口所需电压及工作频率的自控和调节。

图2所示的为本发明系统软件的组成：

系统软件的核心是嵌入式实时操作系统，主要负责各功能对象的协调运行和管理控制任务的分配。系统其软件中的运动控制对象(负责速度、精度和数据包处理工作)，监控诊断对象(负责信号采集、处理、分析、预测和诊断工作)，用户交互对象(负责键盘、显示和串口通讯工作)，网络管理对象(负责接收、发送和数据包处理工作)和信息管理对象(负责信息归档和存储工作)都采用了面向对象的芯片化设计思想，来完成数控系统的全部功能，每个对象都可在硬件结构框图中找到对应的底层硬件芯片作为实现支持。

以上各对象的基本功能均在图2中表示出来。

本发明系统软件的工作原理是：

系统开机后，首先运行实时操作系统，完成系统的初始化和必要的检测工作，然后启动用户交互对象的处理过程，监听外界与系统的输入输出，并根据监测结果激活相应对象模块的处理过程完成对应功能。所有对象的处理过程均在实时操作系统的协调下进行。

在图3中，所述的二次开发仿真软件，包含有下列步骤：

判断开发类型(步骤101)，

若为通用功能型二次开发(步骤102)，

则判断开发新的交互功能(步骤103)，

若是，调用交互功能开发过程，链接交互功能函数库(步骤104)，按指定格式和语法输入参数、描述和必要代码语句(步骤120)，对新功能可靠性进行合理性检验(步骤121)。

若否，则判断开发新的控制功能(步骤105)，

若是，调用控制功能开发过程，链接控制功能函数库(步骤106)，按指定格式和语法输入参数、描述和必要代码语句(步骤120)，对新功能可靠性进行合理性检验(步骤121)。

若否，则调用特殊功能开发过程，进行链接特殊功能函数库(步骤107)，按指定格式和语法输入参数、描述和必要代码语句(步骤120)，对新功能可靠性合理性检验(121)。

若为运动控制型二次开发(步骤108)，

则判断开发新的插补算法(步骤109)，

若是，调用插补算法开发过程，链接插补算法库(步骤110)，按指定格式和语法输入参数、描述和必要代码语句(步骤120)，对新功能可靠性进行合理性检验(步骤121)。

若否，则判断开发新的速度控制(步骤111)，

若是，调用速度控制开发过程，链接速度控制函数库(步骤112)，按指定格式和语法输入参数、描述和必要代码语句(步骤120)，对新功能可靠性进行合理性检验(步骤121)。

若否，调用特殊运动控制开发过程，链接对应函数库(步骤113)，按指定格式和语法输入参数、描述和必要代码语句(步骤120)，对新功能可靠性进行合理性检验(步骤121)。

若为系统策略型二次开发(步骤114)，

则判断开发监控诊断策略(步骤115)，

若是，调用监控诊断开发过程，链接监控策略库(步骤116)，按指定格式和语法输入参数、描述和必要代码语句(步骤120)，对新功能可靠性进行合理性检验(步骤121)。

若否，则判断开发网络管理策略(步骤117)，

若是，调用网络管理开发过程，链接网络管理策略库(步骤118)，按指定格式和语法输入参数、描述和必要代码语句(步骤120)，对新功能可靠性进行合理性检验(步骤121)。

若否，则调用特殊策略开发过程，链接特殊策略库(步骤119)，按指定格式和语法输入参数、描述和必要代码语句(步骤120)，对新功能可靠性进行合理性检验(步骤121)。

对上述新功能可靠性进行合理性检验(步骤121、步骤122)，

若检验不合格，给出修改意见(步骤124)，转到判断开发类型(步骤101)。

若检验合格，则进行代码编译(步骤123)，由计算机并口及下载电缆输入数控系统或存储。以下举例，对本发明的二次开发功能的应用实施作如下简述：

若一用户花费巨资购买的数控系统装备机床后用于机械加工，但使用后发现该系统的一些功能和性能随着生产条件的变化，逐渐不能满足要求，比如用户需要加工具有复杂几何形状的特殊零件，而原来数控系统没有这种插补算法；又比如用户需要对某一零件加工过程的切削力变化进行检测以保证加工质量，而原数控系统没有提供监控这种信号的功能及接口。由于传统数控系统由于它是封闭的，没有对用户开放的接口和开发的工具，所以用户没办法自己解决这些问题，只好请生产厂家来进行技术改造，但由于结构的封闭性，改造很难顺利有效的进行。

本发明采用芯片化的软硬件开放结构，为此提供了一个具有自引导流程的二次开发平台，使用户可以按照详细的提示一步步的输入自己对功能和性能新要求的描述后，由二次开发系统自动生成一定格式的代码，用户可进一步对代码进行修改。代码编译后经下载电缆传输到数控系统中，可进行新功能的测试和调试，最终确定出完全符合要求的新功能，这样用户完全不依靠生产厂家自行解决了生产的难题。

Claims (4)

1，一种具有自引导型二次开发仿真平台的开放结构数控系统，包括在主板上由系统总线与中央微处理器、通用控制和用户交互芯片、存储器芯片、电源时钟电路和通用接口控制电路连接的数控系统，其特征在于，该数控系统还包括一个二次开发仿真芯片、一个仿真开发存储芯片、一个二次开发存储芯片、一个二次开发仿真平台和一个二次开发接口；

其中，

所述的二次开发仿真芯片，其与系统总线相连，用于对从二次开发接口输入的用户二次开发代码进行仿真过程的控制和管理，并将仿真成功的用户二次开发代码固化到二次开发存储芯片中；

所述的仿真开发存储芯片，其与系统总线连接，为用户二次开发代码的仿真过程提供运行和存储空间；

所述的二次开发存储芯片，其与系统总线连接，用来存储仿真成功的用户二次开发代码；

所述的二次开发接口，其与系统总线相连，用来接收来自二次开发仿真平台的用户二次开发代码，并在二次开发仿真芯片的控制下将用户二次开发代码输入到仿真开发存储芯片中；

所述的二次开发仿真平台，其由PC计算机和运行在PC计算机上的二次开发仿真软件，及连接于PC计算机并口的下载电缆组成；二次开发仿真平台通过计算机的并口经由下载电缆与数控系统二次开发接口连接，用于开放结构数控系统新功能的开发和仿真；

二次开发仿真平台中的下载电缆，是一段用于连接PC计算机并口和数控系统二次开发仿真接口的电缆，用于将用户二次开发代码从二次开发仿真平台下载到数控系统中；

二次开发仿真平台中的二次开发仿真软件，其为用户进行数控系统的二次开发提供一个集成的软件开发环境，包含下列步骤：

判断开发类型，

1)若为通用功能型二次开发，

则判断是否开发新的交互功能，

若是，调用交互功能开发过程链接交互功能函数库，按指定格式和语法输入参数、描述和必要代码语句，对新功能可靠性合理性检验，

若否，则判断是否开发新的控制功能，

若是，调用控制功能开发过程链接控制功能函数库，按指定格式和语法输入参数、描述和必要代码语句，对新功能可靠性合理性检验，

若否，则调用特殊功能开发过程链接特殊功能函数库，按指定格式和语法输入参数、描述和必要代码语句，对新功能可靠性合理性检验；

2)若为运动控制型二次开发，

则判断是否开发新的插补算法，

若是，调用插补算法开发过程链接插补算法库，按指定格式和语法输入参数、描述和必要代码语句，对新功能可靠性合理性检验，

若否，则判断是否开发新的速度控制，

若是，调用速度控制开发过程链接速度控制函数库，按指定格式和语法输入参数、描述和必要代码语句，对新功能可靠性合理性检验，

若否，调用特殊运动控制开发过程链接对应函数库，按指定格式和语法输入参数、描述和必要代码语句，对新功能可靠性合理性检验；

3)若为系统策略型二次开发，

则判断是否开发监控诊断策略，

若是，调用监控诊断开发过程链接监控策略库，按指定格式和语法输入参数、描述和必要代码语句，对新功能可靠性合理性检验，

若否，则判断是否开发网络管理策略，

若是，调用网络管理开发过程链接网络管理策略库，按指定格式和语法输入参数、描述和必要代码语句，对新功能可靠性合理性检验，

若否，则调用特殊策略开发过程链接特殊策略库，按指定格式和语法输入参数、描述和必要代码语句，对新功能可靠性合理性检验；

4)判断新功能可靠性合理性的检验，

若检验不合格，给出修改意见，转到判断开发类型，

若检验合格，则进行代码编译，由计算机并口及下载电缆输入数控系统或存储。

2.根据权利要求1所述的一种具有自引导型二次开发仿真平台的开放结构数控系统，其特征在于，中央微处理器采用32位高性能嵌入式微控制芯片构建，用于系统整体的控制运算和功能性能的协调，并且可在由高速DSP数字信号处理芯片构建的协处理器的配合下，完成一些计算量大和实时性高的复杂控制任务。

3.根据权利要求1所述的一种具有自引导型二次开发仿真平台的开放结构数控系统，其特征在于，所述的仿真开发存储芯片为RAM芯片。

4.根据权利要求1所述的一种具有自引导型二次开发仿真平台的开放结构数控系统，其特征在于，所述的二次开发存储芯片为Flash ROM芯片。