數控系統軟件芯片的研制和開發

1　數控系統軟件芯片的劃分

　　合理的芯片劃分，是開發軟件芯片的首要步驟。數控系統軟件芯片庫中的各芯片以界面的方式開放，通過接口參數和界面信息的提示，用戶可掌握芯片的啟動、結束和運作。不同芯片的內部為黑箱封裝，外部接口開放，并在此基礎上實現新系統的構建。因此，如何定義出合理的數控系統軟件芯片，使芯片的外部接口易于標準化、規范化，內部易于進行黑箱封裝，是我們開發數控系統軟件芯片庫的關鍵步驟。

　　目前，盡管數控系統從系統的設計方法到系統的實現方式千差萬別，但是其基本原理和軟件的組成都是類似的。在對現有的數控系統［3］和用戶需求進行仔細而全面分析的基礎上，同時，在總結現有系統控制結構的共有特征，并對其進行適當的歸類和抽象的基礎上，將數控系統劃分為以下幾個基本的功能模塊。

（1）人機交互界面模塊　此模塊主要完成在系統運行前和運行中系統參數的修改和設定，如設定系統工作模式（自動、手動、點動等），圖形顯示模式，系統初始化設定，坐標偏置設定，G代碼程序的編輯等。
（2）零件代碼解釋模塊　負責根據用戶的系統配置，以及零件程序的語法規則對用戶編寫的零件程序進行語法檢查，并進行解釋譯碼，將源代碼指令中給出的各種信息進行分離提取，變成各種狀態和數據，為預處理芯片提供語法上正確的零件程序的中間代碼。
（3）刀補預處理模塊　負責對解釋后的數據進行預處理及插補前的準備工作。
（4）軌跡插補模塊　負責加減速的控制、插補、終點判別等工作，向位置控制器輸出通過軌跡運算后的進給量。
（5）軸伺服控制模塊　在從I/O及插補運算得到的信息的幫助下，通過精插補控制機床執行機構按NC指令指定的路徑和速度運動。
（6）I/O模塊　負責控制器的輸入和輸出（包括機床檢測信號及位置和相關反饋信息的輸入、控制指令的輸出等）。
　　以上這幾個模塊間具有互操作性、可移植性和可擴展性，因而可作為數控軟件芯片庫的基本芯片的劃分。

2　數控系統軟件芯片的構建及工作原理
　　
　　軟件芯片概念的提出是軟件重用發展過程中的里程碑。開發軟件芯片就是采用面向對象技術把特定類中的一些通用模塊做成獨立的可重用的對象類。由于面向對象具有封裝、分類、消息響應和繼承等很有價值的特點，使得軟件芯片和系統其它部分的耦合度得到盡可能的降低，這為軟件芯片的開發和使用提供了可＊保證。同時，由于芯片都是對較成熟的技術進行封裝而實現的，在實踐上是經過了驗證的，也就是說一個成熟的芯片已經將錯誤率降到了最低點，所以可以利用數控軟件芯片來構造新的數控系統能最大程度地保證系統的可＊性。 軟件芯片的構建就是將功能模塊的本體部分進行黑箱封裝，使之輸入接口和輸出接口盡量簡單、規范。由于C++語言的面向對象特性和封裝性較好［4］，所以在本系統中將VC作為編程環境來進行芯片本體的構建。整個芯片是基于靜態庫創建的，最后生成一個Lib庫文件。所有功能的實現都封裝在Lib庫文件中。用戶使用時，不需要知道芯片內部的功能（如初始化、錯誤信息處理、數據分離）是怎樣實現的，只需將對應的.Lib文件和.H文件加入到自己的系統中，然后依照芯片說明提出的接口要求，通過接口參數調用相應的方法即可。接口參數和方法在Lib 文件中定義為，用戶可以在外界通過它們和芯片進行交互。就如同用戶通過硬件IC的引腳來使用芯片內部的功能一樣。

　　下面就以零件程序解釋芯片為例，簡述數控系統軟件芯片的構建過程。
　　首先，對芯片的本體功能進行分析，定義出合適的接口。一般來說，一個完整的零件數控加工程序，由若干程序段組成，一個程序段又由若干個代碼字組成，最后以“；”結束。每個代碼字由文字符和數字符組成，代碼字之間用空格符隔開。
根據自上向下的原則，該部分又可劃分為以下幾個部分：
　　（1）詞法檢查　對源程序的數據進行拼寫及位數檢查；
　　（2）語法檢查　對程序段中的G代碼和其它功能碼的格式進行檢查，如G代碼的相容性檢查等；
　　（3）語義檢查　對上下文相關的錯誤進行檢查，如I、J、K和R不能出現在同一行代碼中等；
　　（4）譯碼　將程序段的信息進行提取，變成相應的狀態量和數據量，存儲在輸出緩沖區中。
　　在綜合考慮數控系統解釋器的內部邏輯關系和數控系統的運動控制的基礎上，將解釋芯片的輸入口數據定義為以字符串形式輸入的一行數控代碼段（char＊ LineStr）；輸出口數據定義為一個包含各種信息量的結構。
　　輸出數據結構：
typedef struct｛
int Gp01;　　　∥1組G代碼
　　……
int Gp15;　　　∥15組G代碼
int N,　　　∥程序段號
G,　　　∥準備功能
M,　　　∥輔助功能
P,Q,L,D,H;　　　∥其他參數字符
long T;　　　∥刀具選擇
double F;　　　∥進給速度
double S;　　　∥主軸速度
double D;　　　∥刀具半徑
double X,Y,Z,A,B,C,I,J,K,R,U,V,W;　∥尺寸字
　　……
BOOL bLastCmnd;　　最后一行指示標志
　　　　　　｝NCcode
如要對一行代碼段進行解釋譯碼，則先聲明一個實例：
　　CCode code;　　//CCode為Lib文件所生成的類
然后調用其成員函數，
　　code.InterCode（char＊ LineStr）
　　完成對LineStr中代碼段的詞法、語法、語義檢查和數據分離。在進行解釋過程中，如果發現代碼段中有語法或語義錯誤，InterCode 會給出相應的提示，并返回到編輯狀態重新編輯。

　　類似的，如要對結構中的標志位進行初始化，則可通過調用code.FlagINI（）實現。同時，還可以通過在外部對code.ENDED變量進行賦值來結束整個芯片的運行。

　　解釋完成后的各種狀態和數據信息存放在前面定義的數據結構中。用戶只需按照一般結構的讀法去取相應的數據，如NCcode.G; NCcode.M ，也可以將整個數據結構作為下一個芯片的入口，實現芯片與芯片之間的數據傳遞。

　　為了防止在芯片進行譯碼時，外界對數據結構進行操作而產生錯誤。本芯片使用了臨界區的方法，即在方法InterCode（）被調用時，就用 CcriticalSection的成員函數Lock進行加鎖處理，拒絕外界訪問正在更新的數據，以免出現新老數據同時被讀入的錯誤。解釋完成后，用 Unlock進行解鎖處理，使用戶能訪問更新以后的數據。

3　芯片間的同步和協調

　　當若干個芯片組成一個實用系統后，芯片之間的同步問題就變得格外重要，尤其是像數控系統這樣對實時性要求比較高的系統。在使用軟件芯片構建數控系統時，每一個有具體功能的芯片，如譯碼、插補等，都是一個單獨的線程。線程與線程之間的通信，是利用事件對象的方式來實現的。本系統由于是在VC環境下開發的，所以可以利用MFC庫中的CEvent類及其成員函數來完成。每一個事件對象可以有兩種狀態：信號態和非信號態。事件可以監控線程是否被置于信號態，并由此決定在適當的時候運行相應的線程。使用事件對象進行線程通信的另一個原因是事件對象的聲明十分容易，就像聲明一個全局變量一樣簡單。如 CEvent InterCodedStart;事件對象創建以后，是處于非信號態的，要是事件對象處于信號態，只需調用事件對象的成員函數 SetEvent（），即InterCodeStart.SetEvent（）;

　　在執行了上面的語句后，事件對象InterCodeStart便處于信號態。線程監視事件是否處于信號態可利用下面的Windows API 函數實現。

　　WaitForSingleObject（InterCodeStart.mhObject, 0）;在此情況下，如果函數返回的是值為 WAITOBJECT0，則事件已被置于信號態，否則，事件仍處于非信號態。通過這些消息和方法，我們就可以實現系統各線程之間的通信，也可以通過這些事件對象間的通信控制將若干芯片“粘連”成一個有機的實用系統。

4　結束語

　　本系統全部是在 Windows NT下的VC環境中開發的，所以利用了很多MFC中的基本類，這些都大大提高了整個系統的靈活性，增強了整個系統的功能。如，數控代碼的編輯器是基于CEditView類創建的，因此在使用時，它可以利用CEditView類本身所帶的一些編輯功能，如 New、Open、Save、Copy、Cut、Paste等，這使數控程序的編輯及管理變得和Windows下的文件管理一樣方便容易。同時，VC中各種控件的使用，不但增加了系統控制的易操作性，還使控制界面變得美觀、友好。這些都是值得進一步深入探討的地方。利用可重用構件技術來開發軟件芯片，并利用其構建新的數控系統的思想已用于國家自然科學基金項目“高可＊性數控系統軟件芯片庫及其運行環境”的研究，取得了良好的效果，不但很好地實現了數控系統的開放性設計和資源重用，而且由于是基于Windows NT和IPC等通用環境下開發的，對數控系統的升級換代和對市場的及時響應，都具有良好的開發前景。

參考文獻
1　王芙清.面向對象程序設計.北京：北京大學出版社，1992：56～57,88～107,142～159
2　Lenz ManFred.IEEE SOFTWARE,1987,4（4）：34～42
3　畢承恩.現代數控機床.北京：機械工業出版社，1991：1～50
4　Kate Gregory著,康博工作室譯.Visual C++ 5開發使用手冊.北京：機械工業出版社,1998：543～563