基于LINUX+RTLINUX平台的开放式数控系统的设计*

2012-11-24姜凌羽

组合机床与自动化加工技术 2012年10期

潘策，姜凌羽

(1.大连高金数控技术有限公司，辽宁大连 116001;2.北京航空航天大学机械工程及自动化学院，北京 100083）

0 引言

开放式的数控系统是随着计算机数控系统(CNC）的飞速发展而逐渐成为现代机床控制领域的新方向，其体系结构的标准化、柔性化、功能模块化以及超强的可扩展性和移植性，特别是它能够通过现场总线将单个设备连接，实现控制的网络化和集成化，这是传统的体系结构所无法比拟的。在软件应用平台开发上也具有更加宽广的空间，能满足不同用户对其二次开发的不同需求。

在开放式数控系统中主要有两大功能模块:运动控制模块和伺服控制模块。运动控制模块主要实现位置环的控制;伺服控制模块主要实现速度环和电流环的控制。运动控制模块通过特定的控制算法将机床位置参数转化成速度指令，传递给伺服控制模块，后者将传来的速度指令和速度反馈值比较，其偏差作为速度控制器收入，其输出为转矩给定，并和电流环的反馈值比较，经转矩/电流变换后得到转矩电流给定，从而完成一次完整的三环闭环控制。电流环是内环，速度环是中间环，位置环是外环。机床电机得到是电流输出值，而实现的是机床的位置控制，因此运动控制模块决定了开放式数控系统的精度。

1 开放式数控系统的构成

IEEE关于开放式系统的定义是:开放式系统能有效地运行于不同的平台之上，可以与其他应用系统相互操作，并提供与用户交互的统一风格，即所谓互操作性、可移植性、可伸缩性和可互换性［1］。

开放式数控系统平台由硬件和软件组成。系统软件包括实时操作系统、通讯系统、设备驱动程序以及其它应用程序。系统软件通过标准的应用程序接口向应用软件提供服务。系统硬件包括组成系统的各种物理实体。

1.1 CUnet现场网络

Cunet网(Corective Uncontiunse Network）为无主从式、数据共享型现场总线网。特点是:把连接I/O设备的所有功能集成在一块边长16mm的正方形IC芯片中，可省去使用者许多复杂的事先设置工作;仅用2条线，连接所有的I/O局，有极高的可维护性;IC芯片内带高性能纠错功能，具有极好的耐环境性;采用数据共享式通讯网络组织方式，整个网络溶为一体;不仅仅传送I/O数据，更可传送网络通讯局自身的有关信息。一个CUnet网络中最多可连接64台I/O设备。64台I/O设备共享所有的I/O信息［2］。

MKY40是为Cunet总线网络而配置的集成芯片，将各个站点通过MKY40相连接，可以形成分布式处理系统网络，从而增强整个网络的存储和处理能力［2］。

Cunet有两种工作模式:内存模

式和I/O模式。两种模式之间可以通过硬件设置相互转换。处于内存模式的MKY40有两个接口:总线接口(BUS-I/F）和网络接口(Network I/F），将BUSI/F和用户端CPU连接，同时将Network I/F和网络连接，可以在Cunet总线网络创建一个内存基站［2］。

1.2 MCX314多轴电机伺服控制器［3］

MCX314是日本NOVA电子公司研制的DSP运动控制专用芯片，能实现4轴3联运动的位置、速度、加速度控制和直线、圆弧、位元3种模式的连续插补位置环闭环控制，其性能优良、接口简单编程方便，广泛应用于数控机床和机器人控制领域。

2 开放式数控系统的硬件设计

本文采用的是通用PC加实时控制单元的双内核控制结构。利用PC机的Linux形成完善的人机界面，同时用软件来实现各种先进的控制技术;开放式结构平台可以集成不同开发商提供的软件并适合联网需要，且具有与硬件无关的特性。如图1所示。

图1 基于PCI总线的运动控制原理图

PCI9052是连接PCI总线和MCX314的桥接口电路芯片，从PC机中发来的加工参数、插补轨迹以及状态信息通过PCI总线传到PCI9052的高速缓存FIFO中，PCI9052作为总线主设备将PC机传来的信息经过缓存最终存储到MKY40内，由于MKY40映射为PC机的一部分内存地址所以PC机就像操作内存一样将信息存储到MKY40，等待MCX314的读取。MCX314定时从MKY40中读取PC机传来的各种控制信息。MCX314的主要功能是根据PC机送来的插补信息通过插补算。如图2所示。

图2 PCI9052与PCI总线和MCX314的接口电路

3 开放式数控系统的软件设计

在Linux下，驱动程序处于“核心态”，所有的硬件设备都被映射为文件，对外提供统一的标准的软件调用接口。上层软件通过fopen(），fread(），fwrite(）等，透明地在用户层对硬件实现控制［4］。

驱动程序的主要工作是:监控板卡状态，控制板卡的热插拔和热交换;提供应用程序访问接口;从RAM中取出指令数据;根据应用程序的读写请求，将数据提供给应用程序。

PCI设备的驱动程序主要解决的首先是即插即用问题，如何获取系统分配给该设备的配置资源，然后是如何访问设备I/O内存映射硬件，如果处理硬件中断，最后还要解决和应用程序的通讯问题。

图3 基于PCI总线的运动控制原理图

3.1 驱动程序的编写

3.1.1 设备驱动程序的结构

Linux的设备驱动程序大致可以分为如下几个部分:

驱动程序的注册与注销、设备的打开与释放、设备的读写操作、设备的控制操作、设备的中断和轮询处理。

驱动程序的注册与注销:通过在驱动程序的初始化过程中调用register_chrdev(）或者register_blkdev(）来完成。而在关闭字符设备或者块设备时，则需要通过调unregister_chrdev(）或unregister_blkdev(）从内核中注销设备，同时释放占用的主设备号。

设备的打开与释放通过调用file_operations结构中的函数open(）和release(）来完成的。

设备的读写操作:直接使用函数read(）和write(）就可以了。

设备的控制操作:通过设备驱动程序中的函数ioctl(）来完成。

设备的中断和轮询处理:对于不支持中断的硬件设备，读写时需要轮流查询设备状态，以便决定是否继续进行数据传输。如果设备支持中断，则可以按中断方式进行操作。

3.1.2 设备驱动程序的接口

Linux中的I/O子系统向内核中的其他部分提供了一个统一的标准设备接口，这是通过include/linux/fs.h中的数据结构file_operations来完成。当应用程序对设备文件进行诸如open、close、read、write等操作时，Linux内核将通过file_operations结构访问驱动程序提供的函数。例如，当应用程序对设备文件执行读操作时，内核将调用file_operations结构中的read函数。

3.1.3 设备驱动程序的动态加载

从本质上来讲，模块也是内核的一部分，它不同于普通的应用程序，不能调用位于用户态下的C或者C++库函数，而只能调用Linux内核提供的函数，在/proc/ksyms中可以查看到内核提供的所有函数。

在以模块方式编写驱动程序时，要实现两个必不可少的函数init_module(）和cleanup_module(），而且至少要包含＜linux/krernel.h＞和＜linux/module.h＞两个头文件。在用gcc编译内核模块时，需要加上-DMODULE-D_KERNEL_-DLINUX这几个参数，编译生成的模块(一般为.o文件）可以使用命令insmod载入Linux内核，从而成为内核的一个组成部分，此时内核会调用模块中的函数init_module(）。当不需要该模块时，可以使用rmmod命令进行卸载，此进内核会调用模块中的函数cleanup_module(）。任何时候都可以使用命令来lsmod查看目前已经加载的模块以及正在使用该模块的用户数。