面向活动对象的可重构数控系统软件设计

朱华炳 罗祖平 董伯麟 王治森

合肥工业大学，合肥，230009

0 引言

数控系统是现代制造装备的核心。可重构数控系统具有在一定范围内迅速调整其结构和功能的能力，能够快速适应市场的迅猛变化和系统自身的改变，从20世纪90年代开始已成为数控技术研究的一个热点［1－2］。!

数控系统的重构包括硬件可重构和软件可重构。目前对数控系统软件可重构的研究主要有：①将数控软件的功能封装并抽象成标准“软件芯片”，以“软件芯片”库为基础，通过库中的“软件芯片”组合实现系统可重构［3］；②以开放式体系结构为基础，将功能模块设计成标准组件，组件通过标准接口通信实现系统的可重构［4］；③以标准总线为基础，通过总线的易扩展性实现系统的可重构［5－6］。

以上研究的特点是，采用将功能和数据封装成一个对象，通过对象的复用实现系统的重构。但是这些对象均为被动对象，每次重构都需要设计所有对象的调用才能运行。数控系统是个行为复杂的系统，当对象的数目增多时，调用方法和顺序将会变得十分复杂，从而导致数控系统的重构变得繁琐和低效。

本文提出面向活动对象的可重构数控系统软件设计。活动对象之间无需设计相互的调用。通过“订阅”外部事件，以事件驱动其执行。通过“出版”事件，以事件同外部进行通信。在该模式下，活动对象耦合性小、可复用程度高，系统集成简单、重构能力强。

1 面向活动对象的设计

活动对象（active object）是“一个拥有其自己的控制线程的对象”［7］，它不被外部的对象所调用，通过异步事件交换的方式同其他活动对象通信，以RTC（run－to－completion）的方式执行事件处理。图1所示是一个活动对象，它包含一个控制线程（事件循环）、一个事件队列和一个状态机，即“活动对象＝（控制线程＋事件队列＋状态机）”［8］。

1.1 活动对象RTC事件处理

图1 活动对象及其事件循环

在图1右侧显示了事件循环的流程。queue.get（）从事件队列中取出事件，通过dispatch（）派送到状态机进行处理。在处理完成后返回queue.get（），并从事件队列中取出下一个事件，重复上面的过程，如此循环。事件循环保证了每个活动对象处理事件的RTC形式。RTC形式固有地排除了内部并发问题，在第二个事件被处理前，dispatch（）操作必须完成并且返回到事件循环。这里的RTC指的是单个活动对象内部的事件处理。在优先级抢占的多任务系统中，当高优先级的活动对象有事件需要处理时，低优先级的活动对象会被挂起，将CPU的控制权让给高优先级的对象。在高优先级的活动对象处理完后，CPU控制权重新归还当前悬挂对象，使其继续执行。

RTC形式可以进行有效堵塞。当事件队列为空时，活动对象会堵塞在queue.get（）上（此时不占有CPU），直到有新事件出现，才会继续执行，从而提高了CPU的利用率。

1.2 活动对象异步事件交换

活动对象与其他对等实体的事件交换采用异步方式。每个活动对象拥有一个自己的事件队列，所有的事件异步地投递到事件队列中，活动对象通过事件队列唯一地接收事件。一方面，当活动对象在忙碌时，可以自动地对输入事件进行排队。另一方面，事件生产者仅需将事件投递到活动对象的事件队列中，而不必一直等待其处理完成。除此，活动对象可以不区分事件来源地接收事件并统一处理。事件可以是其他活动对象产生，也可以是中断产生，还可以是自身产生。

1.3 活动对象的状态机行为规划

数控系统根据输入的信息（如数控程序、操作面板的输入、传感器的反馈信息）控制机床移动，实现加工操作（如轴运动、换刀、停止机床等），属于典型的反应式系统［9］。反应式系统（reactive system）是一个对外部和内部刺激做出响应的事件驱动系统（event－driven system）。在确定性的反应式系统中，系统输入的顺序和数值决定了系统的响应顺序和数值［10］。因此，需要专门的方法来描述系统的行为。状态机（state machines）是说明和实施事件驱动系统最有名的形式，先进的UML状态机代表着状态机理论和表示法的当前艺术状态［8］。本文以UML状态机（Statecharts，也称状态图）来表示并规划活动对象的行为。

图2所示是一个简单的状态图，图中包含A、B、C、D 4个状态，处于某一状态意味着系统只响应所有允许输入的一个子集（如处于D状态只响应a输入和c输入），只产生可能响应的一个子集（转移到A状态或转移到B状态），并且改变状态也只是可能状态的一个子集（对于输入事件除了可以发生状态改变还可以有其他的输出）。C状态是一个父状态，包含A和B两个子状态，子状态可以继承父状态的响应（如在A状态遇到d输入会转移到D状态）。Statecharts相关信息及优点请参考文献［7，11］。

图2 一个简单的Statecharts

1.4 活动对象“出版－订阅”事件投递

面向活动对象的设计将应用分解成若干功能专一的活动对象，它们通过异步事件交换进行通信。因此，如何将事件投递到目标对象至关重要。

最简单的方法是活动对象彼此直接发送事件。然而，它们要求活动对象密切“知道”彼此。不仅需要拥有一个指向对应实体对象的指针或引用，而且还必须知道对方可能感兴趣的事件类型。这种密切的“知识”存在于所有参与的活动对象之间，使得系统难以改变和扩展。例如，加入一个新的活动对象是困难的，因为已经存在的活动对象不了解新来的对象，并且不会向其发送事件。

观察者（OBSERVER）模式（又称出版－订阅（publish－subscribe）模式）定义了一种一对多的依赖关系，当一个对象的状态发生改变时，所有依赖于它的对象都得到通知并被自动更新。中介者（MEDIATOR）模式用一个中介对象来封装一系列的对象交互。中介者使各对象不需要显式地相互引用，从而使其耦合松散，而且可以独立地改变它们之间的交互。

图3所示的“出版－订阅”框架结合了观察者和中介者两种设计模式。“出版社”是一个观察者，同时又是一个中介者，活动对象是观察者。活动对象从“出版社”订阅自己感兴趣的事件，并将自己要出版的事件投递到“出版社”。“出版社”收到事件后按照订阅列表一一投递给所有的订阅者（活动对象）。“出版社”除了接收活动对象投递的事件外，同时还接收中断投递的事件。

图3 “出版－订阅”框架

在这种方式下，所有事件被公众所知，活动对象无需相互“知道”，只向“出版社”“订阅”自己想要的事件。系统内部活动对象之间具有松的耦合性。一个活动对象可以不用知道其他活动对象是如何运行的，而只需知道系统中具有哪些事件，根据这些事件，自己该如何运行。一个活动对象的行为逻辑发生了改变，不会影响到其他活动对象的运行。一个新活动对象的加入可以很好地融入系统，又不影响系统其他部分的运行。

2 活动对象的实现

图4所示为活动对象的实现类图。活动对象继承基类CActive，CActive联合了3个基本要素：状态机（来自CHsm类）、事件队列和执行线程。

图4 活动对象类图

2.1 执行线程的实现

执行线程具有平台依赖性，不同的操作系统具有不同的执行方式。图5所示为创建及执行线程的伪代码。首先在CActive：：Start（）内创建好事件队列及执行线程，在CActive：：run（）内通过for（；；）循环从事件队列中获取事件，并将其投递到状态机进行处理。

2.2 事件队列的实现

很多实时操作系统天生具有自己的消息队列（有时称为邮箱或消息邮箱），此时可以将消息队列映射成所需要的事件队列，从而实现对事件的排队和堵塞。对于不具备消息队列的操作系统，需要设计自己的事件队列来处理事件排队、回收、堵塞等机制。事件队列的实现可参考文献［8］。

图5 活动对象的执行线程

2.3 状态机的实现

活动对象的状态机是通过继承CHsm类实现的。CHsm类是一个能够处理层次状态转移的状态机抽象类，它封装了状态机的状态转移机制等。通过这种方式，活动对象对状态机的实现只需编写所有状态的状态处理函数。图6所示为一段事件处理代码，在状态处理函数内，根据事件类型进行状态转移或进行相应的事件处理。

图6 活动对象的状态处理函数

2.4 事件“出版－订阅”的实现

图7所示为事件的“出版－订阅”订阅者列表，在该列表中，每个事件对应一个清单，清单中保存着订阅该事件的所有活动对象的优先级编号（每个活动对象对应唯一的一个优先级编号）。当有事件出版时，根据该事件的清单对订阅者一一进行投递。通常活动对象在初始化内部状态机时通过PB：：subscribe（CActive＊a，Signal sig）接口订阅该活动对象感兴趣的事件，在运行的任何时候通过接口PB：：publish（Event＊e）出版自己的事件。

图7 订阅者列表

3 D－Max ENC数控系统应用

D－Max ENC是以 Windows CE6.0为软件平台的可重构嵌入式数控系统，按照设计要求它需具有快速重构能力，可以根据客户需求重构出具有不同联动轴数，或不同刀库，或不同用户界面，或增加其他功能（如，增加机械手或增加远程监控）的数控系统。

3.1 D－Max ENC M3数控系统硬件结构

图8所示为D－Max ENC M3铣削加工中心的硬件结构。该系统具备三轴联动，自动换刀等功能。系统采用主从式多CPU结构，X86工业主板具有主CPU，通过PC/104总线分别与FPGA运动控制卡及PC/104数据采集卡相连，通过串口总线与刀库PLC相连。

图8 D－Max ENC M3硬件结构

3.2 D－Max ENC M3数控系统软件实现

D－Max ENC M3系统共包含IO活动对象、TC活动对象、MC活动对象、Core活动对象和HMI活动对象5个活动对象（图4）。

IO活动对象：主要检测I/O信号，管理MDI键盘的按键输入。该对象的状态机只有一个状态，其简化状态图如图9所示。在该状态下，活动对象不断检查是否有键按下。当有键按下时，创建一个该按键的事件，并将该事件出版。

TC活动对象：负责与刀库的PLC通信，从而控制刀库选择相应的刀具。该活动对象简化状态图如图10所示，活动对象有Idle和Busy两个状态。在Idle状态，可以接收选择刀具的事件（SELECT＿TOOL），并进入Busy。此时，若再收到选择刀具的事件，将不会进行处理（可以有效防止破坏换刀的控制逻辑），直到收到刀库处理完成事件（TM＿PROCESSED）后，重新转移到Idle状态。MC活动对象：管理运动控制卡的行为。根据所控制的运动控制卡有批处理和立即处理两种模式，且在批处理模式有数据缓存区、允许暂停和取消功能，其简化状态图如图11所示。在Idle状态和Hungry状态可以接收插补指令事件，而在Full状态不会处理接收的插补指令。进入Suspend状态后，插补会暂停，在收到START事件后，又会恢复到上一个状态。

图9 IO活动对象简化状态图

图10 TC活动对象简化状态图

Core活动对象：编译程序，并将编译后的指令通过事件出版出去。由于指令具有多种类型以及单次处理的指令长度有限，为了保证事件出版后其他活动对象能够进行处理，需要将编译后的指令按类型及长度分成多个指令段，并订阅运动控制卡数据处理完成事件（MC＿PROCESSED）、运动控制卡数据饥渴事件（MC＿HUNGRY）和刀库处理完成事件（TM＿PROCESSED）。在这些事件的驱动下，将分段指令出版。除此，该活动对象还订阅了插补、急停、复位、进给保持、启动等事件，从而控制整个过程的执行。其简化状态图如图12所示。

图12 Core活动对象简化状态图

HMI活动对象：负责程序的编辑、参数设置、显示以及自动或手动的数据准备等。其简化状态图如图13所示。该活动对象订阅了所有的按键事件，通过模式选择事件进入不同状态，不同的状态只处理固定的按键事件。如，在Auto状态收到START按键事件后会出版带有零件程序参数的编译事件，在JOG状态会处理X＋等轴控制按键事件，而不会处理START按键事件。

图13 HMI活动对象简化状态图

3.3 D－Max ENC M5E数控系统软件重构

图14所示为面向活动对象软件设计的重构流程。

图14 面向活动对象的软件重构流程

首先，根据新的系统需求，分析判断已有活动对象的行为是否发生了改变，包括其状态图及事件的处理方式是否需要发生改变；其次，在已有活动对象修改完成后，对比新系统，查看已有活动对象无法完成的功能，设计并添加新的活动对象；然后，重新对所有活动对象检查，检查是否有出版的事件漏处理或未出版等；最后，整合所有活动对象进行验证、仿真、测试等，最终得到新的系统。

D－Max ENC M5E系统是一五轴联动数控系统，该系统除具有五轴联动外，还具有网络监控功能。通过互联网可以远程监视其运行状况，或传送数据控制机床运行（在Online模式）。表1及图15、图16所示为D－Max ENC M3重构为D－Max ENC M5E系统的软件重构内容。

表1 D－Max ENC M5E软件重构内容

图15 重构后HMI活动对象简化状态图

图16 Monitor活动对象简化状态图

从上述重构过程可以看出：

（1）活动对象通过事件出版进行通信，没有相互的调用，避免了重构过程“牵一发而动全身”。如，IO的改变并没有影响到TC活动和MC活动对象的行为；加入Monitor活动对象，并没有干涉到IO活动对象、TC活动对象、MC活动对象、Core活动对象的活动。通过减小相互间的耦合，从而可以降低重构难度，提高活动对象的复用程度。

（2）活动对象以一状态机来控制其行为，通过状态图将控制逻辑图形化。使得重构的分析和设计更加便捷和清晰。避免了阅读控制逻辑复杂代码和大量描述文档的繁复和耗时，从而可以节省时间，提升效率。

（3）活动对象的实现采用了抽象和继承（图4），复杂的逻辑运算均已被抽象的CActive类实现，活动对象只实现通过状态处理函数实现对事件的处理（图6）。从而使得重构后创建新的活动对象和修改已有活动对象更加容易。

［1］Koren Y，Heisel U，Jovane F，et al.Reconfigurable Manufacturing Systems［J］.Annals of the CIRP，1999，48（2）：527－540.

［2］王涛，刘清建，王太勇，等.具有3层重构能力的可重构数控系统［J］.中国机械工程，2011，22（2）：197－201.

Wang Tao，Liu Qingjian，Wang Taiyong，et al.Research on Three－ply Reconfigurable CNC System［J］.China Mechanical Engineering，2011，22（2）：197－201.

［3］魏仁选，周祖德，陈幼平，等.可重用面向对象数控软件及其开发环境研究［J］.华中理工大学学报，1999（3）：19－21.

Wei Renxuan，Zhou Zude，Chen Youping，et al.Study on Reusable Object－oriented CNC Software and Its Development Environment［J］.Journal of Huazhong University of Science and Technology，1999（3）：19－21.

［4］文立伟，王永章，路华，等.基于开放结构控制器的可重构数控系统［J］.计算机集成制造系统－CIMS，2003，9（11）：1483－1489.

Wen Liwei，Wang Yongzhang，Lu Hua，et al.Recon Figurable CNC System Based on Open Architecture Controller［J］.Computer Integrated Manufacturing Systems，2003，9（11）：1483－1489.

［5］齐继阳，竺长安，王欢.基于USB和组件技术的可重构数控系统的研制［J］.制造技术与机床，2007（12）：17－20.

Qi Jiyang，Zhu Changan，Wang Huan.Development of Reconfigurable CNC System Based on USB and Component Technologies［J］.Manufacturing Technology ＆ Machine Tool，2007（12）：17－20.

［6］王太勇，李波，万淑敏，等.基于现场总线的可重构数控系统的研究［J］.计算机集成制造系统，2006，10（12）：1662－1667.

Wang Taiyong，Li Bo，Wan Shumin，et al.Reconfigurable CNC System Based on Field Bus［J］.Computer Integrated Manufacturing Systems，2006，10（12）：1662－1667.

［7］OMG.OMG Unified Modeling Language（OMG UML），Superstructure（v2.4.1）［EB/OL］，（2011－08－06）［2011－10－01］.http：//www.omg.org/spec/UML/2.4.1/Superstructure/PDF

［8］Miro Samek.PRACTICAL UML STATECHARTS IN C/C＋＋，Second Edition［M］.Burlington：Newnes，2008.

［9］李霞，王永章，梁宏斌，等.有限状态机在开放式数控系统中的应用［J］.计算机集成制造系统－CIMS，2005，11（3）：428－432.

Li Xia，Wang Yongzhang，Liang Hongbin，et al.Finite State Machine Application in Open CNC［J］.Computer Integrated Manufacturing Systems，2005，11（3）：428－432.

［10］Chito S，Michael J，Wang Shige，et al.Specifying Reconfigurable Control Flow for Open Architecture Controllers［J］.Proceedings 1998Japan－ USA Symposium on Flexible Automation，1998，7（2）：659－666.

［11］Harel D.Statecharts：A Visual Formalism for Complex Systems［J］.Science of Computer Programming，1987，8（3）：231－274.