嵌入式开发-Linux在数控系统中的实时性改造.pdf
第 x 期 第 1 作者等：稿件题目 单页码 Linux 在数控系统中的实时性改造 李 招1，罗 飞1，樊彬1，何英武2 （1.华南理工大学 自动化学院，广东 广州 510640；2.广州数控工程技术研究开发中心，广东 广州 510165）摘要：摘要：以通用 PC 为硬件平台、PC 操作系统为软件平台开发基于 PC 的数控系统是当前数控系统的一个重要发展方向。目前，DOS 和 Windows 是 PC 上的主流操作系统，但由于 DOS 实现功能的局限性和 Windows非实时性的特点，本文提出了完全以实时应用为目标的 RT-Linux 解决方案。着重介绍了 RT-Linux 在数控系统中的实时控制实现原理，给出了基于 RT-Linux 的数控系统软件结构。并指出了该技术今后的发展方向。关键词：RT-Linux；实时多任务；开放式数控系统 中图法分类号:中图法分类号:TP316.2 文献标识码:文献标识码:A Real-time Extension Based Linux for CNC Li Zhao 1,Luo Fei 1,Fan Bin 1,He Ying-wu 2 (1.College of Automation Science&Engineering,South China University of Technology,Guangzhou Guangdong 510640,China;2.R&D Centre of Numercial Control Technique of Guangzhou Guangzhou Guangdong 510165,China)Abstract:Abstract:PC-based CNC system is one of the important developing directions of CNC system.At present,DOS and Windows are the popular operating sysm.but,becautese of the limitation of the realizable function using DOS and the characteristic of the asynchronism utilizing Windows,this paper puts forward a RT-Linux solution aiming at realtime application,and detailedly analyses the the basic principle that construct RT-Linux OS in CNC,then gives a software structure of a numerical control system based on RT-Linux,finally indicates the developing diretion of such a technology.Key words:Key words:RT-Linux;Real-time Multitask;Open Architecture CNC 近年来,世界发达国家纷纷采取措施,进行开放式数控系统(Open Numerical Control System,以下简称ONC 系统)的开发和研究。我国于 2003 年 1 月开始实施开放式数控系统的国家标准1。开放式数控系统的优点是可以充分利用 PC 平台上丰富的软硬件资源。其机械部分、CNC 控制系统、系统软件和应用软件可以分别由专业厂商生产,按照工业标准匹配,从而实现高性能、低价格的目标。CNC 装置中的系统软件,主要是实时操作系统,集中管理机床的全部软硬件资源,对系统的整体性能有很大影响。目前国内常用的是 DOS 系统,但是 DOS 是 16 位单任务操作系统,不能充分发挥 32 位 CPU 的功能,且网络功能有限,不适应 CIMS 集成环境中的应用,因此,目前研究的热点是使用主流的通用操作系统(如 windows,Linux 等)进行实时性扩展,改造成 CNC(Computerized Numerical Control)中的实时操作系统。Linux 是一种类似于 Unix 的开源操作系统2,其内核是模块结构(不同于 windows 的微内核),各模块之间利用全局变量直接通信,因此执行效率很高,并且 Linux 内核可以根据需要进行裁减,因此适合于改造成CNC 中的嵌入式实时系统。更重要的是 Linux 的源代码开放,可以在此基础上研究和发展自主版权的数控系统,因此较之 windows 更适合我国的国情。一般认为只有可抢占的操作系统才可以称为“实时”操作系统。普通的 Linux 操作系统不是实时操作系统,Linux 的实时化改造及软件实现成为本文要关键解决的问题。1 嵌入式 Linux 在车床数控系统中的应用 1 嵌入式 Linux 在车床数控系统中的应用 第 x 期 第 1 作者等：稿件题目 单页码 本例将嵌入式 Linux 技术应用到普通车床中,开发出基于嵌入式 Linux 平台的数控车削系统。数控车床是采用了数控技术的机床,它采用计算机作为控制系统,其组成如图 1 所示。数控车床的核心是计算机数控系统,它由程序 I/O 设备、计算机数控装置、可编程逻辑控制器(PLC)、主轴、进给驱动以及反馈测量部分组成3。其结构如图 1 中虚线框所示,核心部分是计算机数控装置。计算机数控装置由硬件和软件组成,硬件主体是计算机,软件包括管理软件和控制软件。管理软件包括输入输出显示、诊断等程序。控制软件包括数控程序译码、刀具补偿、插补运算、伺服控制等程序。此外,采用软件 PLC 代替继电器线路,实现主轴的起停、转向以及刀具更换、冷却、润滑等机床辅助功能。它大体的数据流程是这样的:首先,程序解释任务对程序加工 G 代码进行解释,然后将数据放到刀补缓冲区,进行刀补处理。刀补处理后的数据存入插补缓冲区供插补任务处理,插补任务主要是在插补任务周期内完成各个轴的位置增量计算。最后是伺服控制任务,它主要是发出运动指令控制各个轴的运动。PLC 主要处理机床 I/O、进行逻辑控制和机床辅助功能的控制、处理突发事件等。由于数控系统基本上是由人机接口、译码、PLC 管理、刀补处理、插补计算、伺服控制等几部分构成,因此在软件结构上也划分为相应的功能模块。硬件采用标准 PC(现在也有很多研究机构开始使用性价比更高的 32 位 ARM9 芯片代替),采用 FLASH(闪存)代替硬盘。由于把程序固化到闪存中,大大提高了系统运行的稳定性,完全能够满足恶劣的现场环境。采用 Linux 操作系统，在可靠性、稳定性方面无可挑剔。此外,由于 Linux 内核的模块化结构,可以根据需要量体裁衣,易于数控系统的功能扩展。在 CNC 系统中,大部分强实时性任务如插补运算、位置控制、故障处理都要由中断处理来完成。如果中断响应不及时,则可能造成加工过程停刀、急停无法及时响应等后果。因此中断处理是重点,通常情况下中断响应时间要求小于 100s,而普通 Linux 一般是在 600s 内开始一个中断服务程序,为了解决实时性的问题,我们采用双内核的方法,即 Linux 加 RT-Linux 的组合。2 实时性解决方案 2 实时性解决方案 Linux作为一个通用操作系统，主要考虑的是调度的公平性和吞吐量等指标。然而，在实时方面它还不能很好地满足实时系统方面的需要，其本身仅仅提供了一些实时处理的支持，这包括支持大部分POSIX标准中的实时功能，支持多任务、多线程，具有丰富的通信机制等；同时也提供了符合POSIX标准的调度策略，包括FIFO调度策略、时间片轮转调度策略和静态优先级抢占式调度策略。Linux区分实时进程和普通进程，并采用不同的调度策略4。实时的含义是指在规定的时限内能够传递正确的结果,迟到的结果就是错误。实时系统又可以分为“硬实时系统”和“软实时系统”。二者的区别在于:前者如果在不满足响应时限、响应不及时或反应过早的情况下都会导致灾难性的后果(如航空航天系统);而后者则在不满足响应时限时,系统性能退化,但并不会导致灾难性的后果(如交换进给系统)。数控系统也是一个典型的硬实时系统。从 Linux 进程调度的 3 个策略:非实时,实时先进先出,实时基于优先权轮转法可以看出,Linux 对于实时任务是有特殊处理的(软实时),虽然并没有满足硬实时要求,但是这种软实时可以满足一般嵌入式系统的要求。RT-Linux 是由美国新墨西哥州的 FSM 实验室开发的面向实时和嵌入式应用的操作系统5。RT-Linux实现了一个小巧的实时内核,它将 Linux 内核作为新内核的一个具有最低优先级的任务运行,可以被其它的高优先级任务抢占。处理机因为完全抢占 Linux 内核任务,使得它的响应速度特别快。在一台 386 机器上,RT-Linux 的中断响应时间不会超过 15,因此能够满足数控系统的要求。RT-Linux 操作系统的基本工作原理是:通过保留 Linux 的基本内核,实现 Linux 操作系统提供的基本功能,避免大规模的结构改造,仅用较小的代价重新设计一个实时内核,以实现强实时性。因此,RT-Linux 系统可利用 Linux 系统中的中文图形环境、TCP/IP 网络等丰富的编程资源,同时实现包括底层任务创建、底层任务第 x 期 第 1 作者等：稿件题目 单页码 队列管理、中断任务安装和中断任务运行等数控设备所需的全部实时功能(如图 2 所示)6。CNC 系统中管理任务和控制任务必须同时进行,即所谓的并行处理,这是由 CNC 装置的工作特点决定的。即在一个插补周期内必须完成控制策略的计算,还要留出一定的时间去做其他的事情。例如响应键盘输入,显示加工数据,在单微处理器的 CNC 装置中,主要采用资源分时共享来解决多任务的并行运行,因此要首先解决的问题是各任务占用 CPU 时间的分配原则。在 CNC 系统中,就要对各种任务根据实时性要求按优先级排队。我们依次设置如下中断优先级(0 级中断级别最底):0 加工数据显示 1 键盘输入 2 译码 刀具补偿等预处理 3 I/O 处理 4 外部操作面板 5 插补计算 终点判别及转段处理 6 位置控制 7 故障检测 RT-Linux 和 Linux 相结合进行工作,按照实时性需求共同处理 CNC 系统中的任务。RT-Linux 的内核负责 2、3、4、5、6、7 级实时任务,而一些非实时任务可交由 Linux 内核处理。例如 0、1 级任务在两个内核之间可以通过多种途径进行通信,如 FIFO,共享内存等方法,两个内核相互协调,共同完成加工任务。3 基于 RT-Linux 的数控系统软件各功能模块的划分 3 基于 RT-Linux 的数控系统软件各功能模块的划分 基于 RT-Linux 开发数控系统软件,首先要将数控系统的各功能模块按实时性的强弱和功能上的需要划分为两组:实时域模块和非实时域模块。对实时性能要求较高且不需要 Linux 服务的模块放在实时域,而需要直接获得 Linux 服务的模块必须放在非实时域7。基于 RT-Linux 的数控系统软件各功能模块。其中总控模块以及位于总控模块左边的模块属于非实时域,位于总控模块右边的模块属于实时域(如图 3 所示)。需要指出的是,本章所说的模块是按模块的数控功能角度来划分的。4 总结及展望 4 总结及展望 PC技术迅速发展,硬件性能不断提高,价格不断下降,使得基于PC平台的开放式数控系统成为发展主流,这时选择一个合适的操作系统作为软件平台尤为重要。Linux 系统以其高效能性、稳定性、可扩展性和强大的网络功能成为理想的选择,并且它的源代码开放,有利于我们在此基础上的研究和开发。考虑到数控系第 x 期 第 1 作者等：稿件题目 单页码 统实时性要求较高的特点,采用 RT-Linux 实时补丁包可解决传统 Linux 内核非实时的缺陷。RT-Linux 从 V2.0 开始支持 SMP(Symmetric Multi-Processing,对称多处理)。所谓 SMP 操作系统就是能使多个 CPU 平等地分担负载的操作系统。因此,基于多 CPU 的 PC 硬件,利用 RT-Linux 的 SMP 功能,使 PC数控系统具有利用多个 CPU 的能力,这是基于 RT-Linux 的数控系统的一个重要发展方向。参考文献：参考文献：1 GB/T18759.12002,机械电气设备开放式数控系统第 1 部分:总则S.2 李善于，刘文峰，李程远.Linux 内核 2.4 版源代码分析大全M.北京：机械工业出版社,2001.3 Herrin G.E.Open Architecture IN CNCsJ.Morder Machine Shop,1991,64(6).4 吴姣梅，李红艳，吴保荣，严明.改善嵌入式 Linux 实时性能的方法研究J.微计算机信息，2006（1）：72-74 5 Victor Yodaiken,Michael Barabanov.RTLinux Version TwoEB/OL.http:/www.rtlinux.org.(2006-07-13).6 BARABANOVM.A Linux-based real-time operating systemD.Socorro,New Mexico:New Mexico Institute of Mining and Technology,1997.7 郑丰，郑强.Linux 实时性的讨论J.计算机与现代化，2002（5）：1-3.引用本刊的参考文献资料：引用本刊的参考文献资料：微计算机信息 题目：改善嵌入式 Linux 实时性能的方法研究 作者：吴姣梅，李红艳，吴保荣，严明 页码：2006（1）：72-74 作者简介：作者简介：李招(1982-),男，湖南娄底人，硕士研究生，研究方向为具有自主知识产权的先进实时数控系统的研究；罗飞(1957-),男，博士生导师，教授，主要从事计算机控制、智能控制；樊彬(1981-),男，湖南长沙人，硕士研究生，研究方向为嵌入式系统；何英武(1963-),男，高级工程师，主要研究领域为数控技术。Biography:Zhao Li,male,birth date:1982,comes from Loudi city of Hunan province,graduate student,now engaged in investigating the project of“advanced CNC system of independent copyright design base on RTLinux”；Fei Luo,male,birth date:1957,tutor of doctor,professor,now engaged in controlling of computer and intelligent control；Bin Fan,male,birth date:1981,comes from Changsha city of Hunan province,graduate student,now engaged in embedded system；He Ying-wu,male,birth date:1963,senior engineer,now engaged in technology of numerical control.基金项目：基金项目：国家“863”计划资助项目（2002AA424042）课题名称：课题名称：中档数控系统产业化支撑技术 本文创新点：本文创新点：CNC 装置中的系统软件，目前国内常用的是 DOS 系统,但是 DOS 是 16 位单任务操作系统,不能充分发挥 32 位 CPU 的功能,且网络功能有限,不适应 CIMS 集成环境中的应用,因此,本文使用主流的通用操作系统(如 windows,Linux 等)进行实时性扩展,改造成 CNC(Computerized Numerical Control)中的实时操作系统。Linux 是一种类似于 Unix 的开源操作系统2,其内核是模块结构(不同于 windows 的微内核),各模块之间利用全局变量直接通信,因此执行效率很高,并且 Linux 内核可以根据需要进行裁减,因此适合于改造成 CNC 中的嵌入式实时系统。更重要的是 Linux 的源代码开放,可以在此基础上研究和发展自主版权的数控系统,因此较之 windows 更适合我国的国情。邮寄方式邮寄方式:广东省广州市华南理工大学自动化科学与工程学院04研 李招 510640 E-mail:lizhao_
