隨著計算機、通訊技術的飛速發展，在工業控制領域，開放式數控系統的研究和應用是必然趨勢。國家計劃發展委員會與科技部在1999年7月14日發布的當前國家優先發展的高技術產業化重點領域指南（目錄）中第八項“制造”的首項列為：適用、先進的數控機床及開放式數控系統（總第112小項）可見，國家非常重視開放式數控系統的研究與開發，因為她直接關系到我國制造領域的競爭力水準，并進而決定了整個工業基礎是否牢固。開放式數制系統以其互操作性、移植性、互換性和伸縮性的優良特性，方便了各種控制要求的系統集成和*終用戶的使用。

 

　　在開放式數控系統的研究中，用軟件來實現控制系統的核心功能已經具有可行性?？刂葡到y的高度實時性對操作系統提出了特殊的要求，本文將就全軟件開放式數控系統的操作系統平臺選用進行具體分析，進而給出具體應用實現。

 

　　1數控系統的實時性要求目前的數控系統結構，無論是專用系統還是基于PC機，受計算機性能和操作系統的限制，都采用軟硬件結合的體系結構。

 

　　與開放式控制系統相對應的專用封閉控制系統目前還占據著相當大的一部分市場，包括FANUC、AB和SIEMENS的各種數控裝置。這些控制系統的硬件結構和控制軟件都是專用設計，為滿足實時性要求很高的插補運算、位置控制，或者采用專用的硬件實現，或者采用多CPU分別對其服務。基于PC的數控系統得益于PC機獲得了一定程度的開放性，系統建立在通用的操作系統之上，主要米用Wimows+DOS的操作系統平臺，因為目前Windows的產品不支持實時性要求很高的實時任務的調度管理，只能用于人機界面和實時性弱的任務，而位置控制和插補運算則通過硬件插板完成。

 

　　由于數控硬件一般都是專用設計，靈活性差，制約著數控系統的開放步伐。相反，全軟件控制系統具有方便，靈活的特點，充分利用流行的操作系統平臺作支撐，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其良好的開放性能。和傳統的基于PC的結構比較，全軟件數控系統要解決插補運算和位置控制的軟件化問題。而所選用的操作系統對強實時功能的支持成為全軟件數控的關鍵。

 

　　數控系統功能按實時性可以分為強實時、弱實時和非實時。所謂強實時，即系統必須在給定的時間范圍內結束控制任務的處理，否則后果不堪設想。弱實時是如果系統不能完全保證在允許的時間內對控制要求給出反應，可以遲一些做出反應。非實時則對系統響應時間無嚴格要求。例如，插補運算2ms進行一次粗插補，位置控制1ms進行一次采樣，如果操作系統的調度管理不能及時對它們響應，則會出現斷續加工狀態。雖然譯碼、刀補和速度計算和插補緊密相關，因為在自動加工過程中，它們經常等待插補運算，因此是弱實時任務。人機界面中的顯示更新則一般考慮到人視覺因素，定為100ms以上，屬于非實時任務。

 

　　2操作系統實時性的分析在開放式控制系統中使用操作系統，首先要考慮操作系統的應用范圍，其次是對實時任務的支持程度。

 

　　所謂開放，就是被廣泛使用與接受。在以往的實時控制系統中，大都采用如VxWorks，RTOS和QNX等專用的實時操作系統，不符合開放的趨勢和要求。而目前廣泛使用的是Microsoft的Wm（i）ws和Unix的各種版本（Linux除外）但這些操作系統的各種版本又不能完全支持實時控制，這就構成了矛盾的兩個方面。

 

　　等特點被廣泛用于工業控制中，但僅限于弱實時要求的控制系統中。對于Windows系統，它本身就是通過截取DOS的08H中斷來實現的一個基于消息驅動的實時多任務操作系統。在Widows的消息中，時鐘消息WM-TIMER被認為是不太重要的消息，在消息隊列總是排在*后，而且當消息隊列中有多條WM-TIMER消息時，Wid（ws系統本身會把所有的WM-TMER消息合并成一條WM-TIMER消息。簡單地依靠Windows系統本身的時鐘消息不能完全滿足控制系統的要求。另5以上的系統中，系統本身對硬件實現了屏蔽，在用戶應用程序中直接訪問硬件會產生異常結構。這就說明在Wimbws平臺下的應用程序中，直接對硬件訪問是行不通的，不能獲得所需的時鐘精度。

 

　　改造，推出了基于實時控制的WindowsCE.其中WindowsCE3.0的中斷響應速度可達50us，完全可以滿足硬實時的要求，但它*大的缺點是只支持1/3的Win32API，不能滿足GUI，網絡的要求，因此不能完全勝任實時控制。另外，目前討論很多的Linux也是作為實時控制操作系統平臺的一個希望。美國新墨西哥礦業技術大學開發了Real―TimeLinux（RT一Linux）但它也有以下幾個缺點：安全性不能完全得到保證；以上這些缺點都限制了Linux在實時控制系統中的應用，但隨著Linux研究的深入和應用范圍的不斷擴大，它作為實時控制系統的操作系統平臺還是很有希望的。

 

　　成熟。而WindowsNT的實時擴展系統的應用確是一個好的發展方向。許多第三方軟件商針對WindowsNT開發了相應的實時擴展，有RadSys公司的Intime和Ven-tuCom公司的RTX等。它們的解決方案都是利用Win-d（wsNT實現弱實時控制任務，充分利用NT強大的圖形界面開發功能、網絡和安全等等優勢，而實時任務則依靠實時擴展來實現。

 

　　3WindowsNT+實時擴展平臺上的應用實現我們認為開發全軟件開放式控制系統應采用前后臺結合多重中斷的軟件結構。前后臺的控制系統結構適用于單機環境，多重中斷適合于分布式控制環境。

 

　　但在多數的前后臺結構中，實時任務的定時中斷往往只有一個，即插補運算、位置控制和PLC都在一個定時周期內完成，這樣處理并不能有效地利用系統資源和提高系統性能。本系統設計為在單機環境下運行，采用前后臺的結構，針對位置控制、插補運算和PLC設置三個實時定時中斷，優先級遞增，中斷周期遞減，可以達到合理利用資源和提高系統性能的目的。

 

　　WindowsNT實時擴展實現的主要功能是擴充了NT的實時功能和任務優先級別，并由實時擴展的調度管理接管了NT的調度管理，同時增加了一系列的實時控制函數，包括：定時器、中斷、物理內存的管理、I/O的操作和信號燈等。

 

　　全軟件數控系統功能分為兩部分：Win32進程和實時擴展進程。Win32進程負責人機界面、診斷、插補準備等實時性弱的任務；實時擴展進程負責位置控制、插補運算和PLC等強實時性的任務。它們之間通過實時擴展提供的共享內存機制實現通訊，見。

 

　　強實時任務的中斷響應速度是全軟件開放式數控系統的關鍵所在，必須對系統的實時性進行測試，系全軟件數控系統結構3）測試。運行時間為1小時，可以看出：累計*遲中為25.9.中斷響應速度和計算機主頻有關，所以主頻低的數值較大，主頻高的數值較小。測試結果表明都可以滿足強實時任務的要求。

 

　　4結論建立在流行操作系統上的全軟件控制系統具有良好的開放性，擺脫了專用硬件體系結構和專用操作系統的束縛，為*終用戶在維護、使用和系統升級上帶來方便。