【正文】 總之，SERCOS之類的現(xiàn)場總線的。2001年3月，第一百萬顆ASIC芯片投入使用， Jone制造公司包裝機所用數(shù)字驅(qū)動器內(nèi)，標(biāo)志著SERCOS標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用的廣泛性與巨大的成功。該類通信卡的生產(chǎn)廠家有Rexroth Indramst、Sciworx、AUTOMATA等。它以動態(tài)連接庫的形式為運動控制器和伺服系統(tǒng)提供了API，作為它們之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的接口。隨著技術(shù)的進(jìn)步，完全符合SERCOS標(biāo)準(zhǔn)的SoftSERCOS出現(xiàn)了。最初，在PC+運動控制卡的開放式數(shù)控系統(tǒng)中，一些具有SERCOS接口的運動控制卡實際上就集成了SERCOS主站功能，也已經(jīng)有廠商提供獨立完成SERCOS主站功能的產(chǎn)品。它不僅能夠?qū)崿F(xiàn)工業(yè)計算機與數(shù)字伺服系統(tǒng)之間的實時數(shù)據(jù)通信，而且還對I/O功能做出了相應(yīng)規(guī)定，可以同時完成PC與I/O設(shè)備之間離散數(shù)字信號的實時通信。（3）SERCOS總線及應(yīng)用 SERCOS是用于運動控制器（數(shù)控系統(tǒng)）與伺服驅(qū)動器（伺服系統(tǒng)）之間的高速串行總線接口和數(shù)字交換協(xié)議。實際應(yīng)用證明采用SERCOS接口技術(shù)的數(shù)控機床可以實現(xiàn)高速、高精度加工。從而大大減輕數(shù)控系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，使其能更快速地執(zhí)行任務(wù)，控制更多的軸，運動更為復(fù)雜、功能更為強大的后臺軟件，使全軟件數(shù)控系統(tǒng)具有更強大的功能。SERCOS接口將此控制功能也添加到SERCOS伺服驅(qū)動器中。7）快速移動到確定停止位置。6）數(shù)字存儲示波器。5）導(dǎo)程誤差補償。 反向誤差補償是為克服運動反向時由滾珠絲桿或齒輪間隙造成丟失運動量的運動誤差補償方法。鑒于進(jìn)給前饋屬于運動軸控制功能，SERCOS接口將其添加到SERCOS伺服驅(qū)動器的位置環(huán)控制中。 在傳統(tǒng)的位置控制中，進(jìn)給前饋是補償位置延時或跟隨誤差的一種算法。 采用SERCOS接口技術(shù)的伺服驅(qū)動器具有一個回零點例程，是數(shù)控系統(tǒng)不再承擔(dān)此項任務(wù)。伺服驅(qū)動器可以將運動軸的當(dāng)前位置信息存儲起來，通過SERCOS接口向數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出信號，如果需要，數(shù)控系統(tǒng)將使用SERCOS服務(wù)通道請求和接收伺服驅(qū)動器捕捉到的位置信息。這些檢測信息的采集任務(wù)原來都是由數(shù)控系統(tǒng)來完成的，檢測裝置在接到數(shù)控系統(tǒng)的命令后，立即檢測運動軸的位置，并將檢測結(jié)果傳送給數(shù)控系統(tǒng)。1）檢測。（2）SERCOS接口的位置命令操作模式 位置命令操作模式是SERCOS接口最精彩或最成功之處。由于SERCOS接口在各種自動化應(yīng)用中取得了明顯的效果，證實了該接口具有巨大潛力，1995年國際電氣技術(shù)委員會把它采納為標(biāo)準(zhǔn)IEC61491,使其成為當(dāng)今唯一的用于運動控制的開放式接口國際標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)SERCOS走進(jìn)機床市場，并在包裝業(yè)和材料處理業(yè)中應(yīng)用后，證實了這種觀點的錯誤。（1）SERCOS接口發(fā)展歷程 SERCOS(Serial RealTime Communication System)接口是數(shù)字控制器間的串行實時通信總線的英文縮寫，1989年誕生于歐洲。目前后兩種總線尚未成為國際標(biāo)準(zhǔn)，各廠家的產(chǎn)品存在難以互換或互操作的問題。由早期的模擬接口過渡為專用數(shù)字接口，直至標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)數(shù)字總線，這也是開放式數(shù)控得以實現(xiàn)的另一重要因素。故選擇RTLinux作為開放式數(shù)控系統(tǒng)的軟件開發(fā)平臺是一種可行的方案。另外，實時任務(wù)模塊為保證實時性要求，不使用虛擬內(nèi)存機制，與非實時任務(wù)可以通過實時FIFO（管道）和共享內(nèi)存進(jìn)行通信。無論系統(tǒng)負(fù)載如何，其最大延遲時間不超過15，最大任務(wù)切換時間誤差小于35。其操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖259所示。通過這種方法，使實時內(nèi)核可以隨時中斷常規(guī)Linux操作系統(tǒng)以執(zhí)行關(guān)鍵的實時任務(wù)。RTLinux的新實時內(nèi)核采用虛擬中斷方案，將系統(tǒng)中斷劃分為兩組：一組由常規(guī)Linux內(nèi)核控制，另一組則有實時內(nèi)核控制，同時設(shè)置8259芯片相應(yīng)中斷級的屏蔽位，使中斷請求首先重定向到實時內(nèi)核中并加以過濾。RTLinux用最小的代價提供了強實時性，避免了對Linux的大規(guī)模結(jié)構(gòu)改造，并保留了Linux操作系統(tǒng)提供的功能，如中文圖形界面（XWindows）、TCP/IP網(wǎng)絡(luò)、豐富的編程資源等功能。另一種是由意大利米蘭DLAPM在RTLinux的基礎(chǔ)上開發(fā)的基于Linux平臺的實時應(yīng)用接口，即RTAPI。但是，Linux是自由軟件，它的源代碼是開放的，這使得Linux的內(nèi)核可被改造成為一個實時操作系統(tǒng)，并保留Linux本身的大部分功能。2)RTLinux。Linux的內(nèi)核包含了理想操作系統(tǒng)所應(yīng)具有的所有特性，如多任務(wù)、虛擬內(nèi)存、為提高通信速度而具備最快的TCP/IP驅(qū)動程序、共享庫、多用戶支持以及允許程序訪問物理內(nèi)存和保護系統(tǒng)穩(wěn)定性的保護模式。1）Linux簡介。Linux支持廣泛的硬件平臺，能真正實現(xiàn)多任務(wù)、多用戶環(huán)境。（5）實時Linux 近年來，隨著Linux操作系統(tǒng)的迅猛發(fā)展，它的諸多優(yōu)秀特性得到體現(xiàn)。 NT/2000實時擴展，經(jīng)國外研究機構(gòu)測試，在典型的PC平臺上，其最壞情況中斷延遲時間為40~100。另外為了解決優(yōu)先級倒置的問題，RTX采用了優(yōu)先級提升的經(jīng)典解決方法。2）。RTX API既可以在RTSS環(huán)境中被調(diào)用，也可以在標(biāo)準(zhǔn)Win32環(huán)境中被調(diào)用。函數(shù)庫提供實時API(RTX API)。RTSS線程是完全搶先式的。它的線程管理器采用搶先式調(diào)度，共有128個優(yōu)先級。RTSS在概念上和其他的Windows NT/2000子系統(tǒng)（如Win3POSIX等）相似，也支持它自己的執(zhí)行環(huán)境和API。保護RTSS線程免受Windows NT/2000崩潰的影響。在不用RTSS時，實時HAL和Windows NT/2000HAL在定時上沒有區(qū)別。Ⅱ.實現(xiàn)高速時鐘和定時器。Ⅰ.在NT和RTSS線程之間加入中斷隔離。它的源代碼可以得到，并能被修改和擴展。圖258 。1）。另外，Windows NT/2000的同步對象，如事件、信號量和互斥體等缺乏必要的實時語義（實際上，它們既不支持就緒線程按優(yōu)先級順序等待對象，也不阻止優(yōu)先級倒置）。 NT/2000的子系統(tǒng)，它是Windows NT/2000的實時擴展，為完成實時任務(wù)的線程，它提供了一個核心態(tài)執(zhí)行環(huán)境。目前已有許多廠商提供這類商用軟件，、 。綜上所述可以判定，標(biāo)準(zhǔn)Windows NT/2000不適于實時應(yīng)用。由于DPC執(zhí)行之前要在先進(jìn)先出的DPC隊列中排隊，所以無法確定DPC在被執(zhí)行之前需要等待多長時間，于是減少了系統(tǒng)的可預(yù)測性。隨后，其余的大部分工作由DPC完成。在Windows NT/2000中，中斷分兩個階段處理。因此Windows NT/2000不符合第四項要求。④大多數(shù)實時操作系統(tǒng)采用優(yōu)先級繼承的辦法來解決優(yōu)先級倒置問題，而Windows NT/2000采用的解決方案是：已經(jīng)有一段時間不能運行的線程將得到一個隨機的優(yōu)先級提升，從而使它們能夠運行。對于復(fù)雜的實時應(yīng)用而言，可用優(yōu)先級的數(shù)目相對較少，因此只能算基本滿足第二項要求。①Windows NT/2000是搶先式多任務(wù)操作系統(tǒng)，因此滿足第一項要求。2）Windows NT/2000的實時性能分析。屬于可變優(yōu)先級的線程允許操作系統(tǒng)依靠某些因素，如是否為前臺任務(wù)，或當(dāng)前是否被掛起等，以此動態(tài)調(diào)整它們的優(yōu)先級，這就增加了線程執(zhí)行的不確定性。③線程是處理器調(diào)度的基本單位，調(diào)度系統(tǒng)總是運行優(yōu)先級最高的就緒線程。DPC總是在將控制權(quán)交還回線程前被處理。一個ISR可被更高級別的ISR中斷，但不會被DPC或線程搶先（所謂搶先是指在CPU正在執(zhí)行某任務(wù)時，若另一優(yōu)先級更高的任務(wù)請求執(zhí)行，CPU將立即中止正在執(zhí)行的任務(wù)，轉(zhuǎn)而響應(yīng)優(yōu)先級高的任務(wù)的請求）。典型的ISR例程只是確認(rèn)硬件中斷，并使一個DPC事件排入隊列。當(dāng)中斷發(fā)生時，如果CPU的中斷請求級別（IRQL）低于中斷源的IRQL,則正在執(zhí)行的ISR、DPC或線程將被中斷。Windows NT/2000內(nèi)核定義了3種可運行實體，按照遞減調(diào)度優(yōu)先級順序描述的調(diào)度方法如圖257所示。（3）Windows NT/2000的實時性能分析 采用通用操作系統(tǒng)Windows NT/2000會極大地增加數(shù)控系統(tǒng)的開放性，但Windows NT/2000的實時性能是否能滿足實時操作系統(tǒng)上述5個方面的要求，需要了解Windows NT/2000的任務(wù)調(diào)度策略之后，對照上述5項基本要求逐項進(jìn)行分析。4)操作系統(tǒng)必須有優(yōu)先級繼承機制，以防止優(yōu)先級倒置。1）必須是多線程和可搶先的，2）操作系統(tǒng)必須有線程優(yōu)先級的概念，能夠得到足夠多的優(yōu)先級別（視實時任務(wù)的復(fù)雜程度而定）。4）Windows有大量可用的第三方設(shè)備驅(qū)動程序，在PC環(huán)境下擴充各種硬件十分方便。2）Windows圖形用戶界面（Graphic User Interface, API）已經(jīng)普及并被廣泛認(rèn)同，其他操作系統(tǒng)已經(jīng)趨向于采用與Windows相似的用戶界面。（1）Windows NT/2000操作系統(tǒng)的優(yōu)點 將Windows NT/2000操作系統(tǒng)作為全軟件型結(jié)構(gòu)的開放式數(shù)控系統(tǒng)的軟件開發(fā)平臺可以得到各個層面的開放性，且可以得到以下便利。從滿足開放性角度考慮，自然應(yīng)當(dāng)考慮通用PC上常用的Windows、UNIX、Linux等操作系統(tǒng)，但這類操作系統(tǒng)都是面向公共事務(wù)的非實時操作系統(tǒng)，它們都不滿足系統(tǒng)的實時性。目前，可在PC上運行的實時操作系統(tǒng)種類很多，主要有Wind River System的VxWorks系統(tǒng)、QNX software Systems的QNX系統(tǒng)、CMX System的CMX系統(tǒng)。所謂開放性包括兩個方面的含義：一方面是對工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議和商業(yè)技術(shù)應(yīng)用的支持，如TCP/TP協(xié)議、RS232/485協(xié)議，以及對COM/DCOM或CORBA(公用對象請求代理結(jié)構(gòu))技術(shù)的支持；另一方面是具有廣泛的硬件支持，即對多數(shù)PC的擴展卡能夠識別與驅(qū)動。為全軟件型開放式數(shù)控系統(tǒng)配備的操作系統(tǒng)應(yīng)具有實時性和開放性兩個顯著特征。每當(dāng)操作系統(tǒng)創(chuàng)建了一個新的進(jìn)程，它就至少創(chuàng)建了一個線程。（3）線程 線程是處理器調(diào)度的基本單位，進(jìn)程有一個或多個線程組成?；蛘哒f，進(jìn)程是程序在并發(fā)環(huán)境中的一次執(zhí)行過程，是程序運行的一個實例。多任務(wù)和實時性是數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)用軟件的兩個重要特點，因此，實時多任務(wù)操作系統(tǒng)就成為全軟件型數(shù)控系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)之一。實時操作系統(tǒng)（RTOS）是以滿足其進(jìn)程時限要求為設(shè)計原則的操作系統(tǒng)，如果進(jìn)程時限沒有得到滿足，即使程序執(zhí)行的邏輯結(jié)果正確，也認(rèn)為產(chǎn)生了系統(tǒng)失效。常見的Windows、UNIX、Linux等都屬于分時操作系統(tǒng)，它們的基本設(shè)計原則是盡量縮短系統(tǒng)的平均響應(yīng)時間并提高系統(tǒng)的吞吐率，即在單位時間內(nèi)為盡可能多的任務(wù)請求提供服務(wù)。由于程序運行時總要占用CPU、內(nèi)存、硬盤等硬件和軟件資源，而計算機的資源總是有限的，當(dāng)多個程序同時啟動運行時，就要由操作系統(tǒng)來協(xié)調(diào)資源的分配和管理，從而使多個程序能夠相互協(xié)調(diào)，有條不紊地運行。操作系統(tǒng)的主要功能可分為處理器管理、存儲管理、文件管理、設(shè)備管理和作業(yè)管理5大部分。本節(jié)僅就實時操作系統(tǒng)選擇、SERCOS標(biāo)準(zhǔn)接口以及全軟件型結(jié)構(gòu)的開放式數(shù)控系統(tǒng)參考模型作必要的介紹。這些數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)品均以運行在PC上的數(shù)控軟件替代了運動控制器和PLC控制器的功能。這種體系結(jié)構(gòu)的數(shù)控系統(tǒng)是開放式數(shù)控系統(tǒng)的理想結(jié)構(gòu)，具有最廣泛的開放性，成為目前開放式數(shù)控技術(shù)研究的熱點，有人預(yù)言，隨著計算機軟、硬件技術(shù)的發(fā)展，全軟件型體系結(jié)構(gòu)的數(shù)控系統(tǒng)具有不可匹敵的價格優(yōu)勢和可擴展性，將是未來開放式數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的主要方向。由于運動控制器具有強大的運算能力、良好的I/O操作功能、極高的處理速度，并且具有良好的實時控制性能，基于PC和運動控制器開發(fā)高性能、高精度數(shù)控系統(tǒng)，是現(xiàn)階段開放式數(shù)控系統(tǒng)的主要發(fā)展方向之一。雙CPU通信模塊主要實現(xiàn)從上位機向PMAC下載加工程序、PLC程序、運動程序的功能，以及上位機對PMAC在線指令的傳輸及PMAC對上位機的運行狀態(tài)反饋等通信功能。同時在自動加工過程中還可以實時顯示當(dāng)前坐標(biāo)點的位置、當(dāng)前所起作用的模態(tài)指令及跟隨誤差等加工狀態(tài)。5）故障診斷與狀態(tài)顯示模塊可以顯示當(dāng)前機床參數(shù)、運行狀態(tài)，并能進(jìn)行故障診斷。 4）文件管理模塊主要用于數(shù)控文件的編輯、更名、復(fù)制和刪除等操作。主窗口應(yīng)該包含系統(tǒng)控制所需的所有控制按鈕和設(shè)定選擇欄，以觸發(fā)系統(tǒng)各子功能的功能菜單按鈕等各種控件。應(yīng)該說人機界面模塊的軟件設(shè)計非常重要。2）人機界面模塊是操作者與數(shù)控系統(tǒng)的“接口” 。分別說明如下。系統(tǒng)管理軟件一般采用Windows平臺的VC 、VB或Delphi等開發(fā)工具開發(fā)完成，主要實現(xiàn)系統(tǒng)初始化、參數(shù)設(shè)置、文件管理、故障診斷與狀態(tài)顯示、加工運行、人機界面及雙CPU通信等功能。（2）系統(tǒng)管理軟件 系統(tǒng)管理軟件的所有功能都要由用戶自己來設(shè)計與實現(xiàn)。5）PMAC在使用數(shù)據(jù)采集及輸出模塊時，所采集的數(shù)據(jù)直接送到DPRAM中，而不是按常規(guī)送到RAM中。4）加工程序解釋模塊由G代碼解釋程序、M代碼解釋程序、T代碼解釋程序組成。當(dāng)相鄰兩次讀得的差值大于某個數(shù)時，它便啟動上電PLC，對整個數(shù)控系統(tǒng)上電；當(dāng)相鄰兩次讀得的差值小于某個數(shù)時，它便啟動下電PLC,關(guān)閉整個數(shù)控系統(tǒng)?？撮T狗PLC對PMAC運動控制器本身及數(shù)控系統(tǒng)狀態(tài)位進(jìn)行故障檢測，在系統(tǒng)上電和加工過程中分別進(jìn)行如下處理。3）PLC監(jiān)控運行模塊主要包括看門狗PLC、上電PLC、主PLC、指示燈管理PLC及下電PLC。用戶可以對以上幾種模式加以選擇和組合。圖255 PMAC實時控制軟件功能模塊1）插補算法模塊包括直線插補、圓弧插補及樣條插補等。系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)（參考結(jié)構(gòu)）如圖254所示。系統(tǒng)管理軟件主要由用戶自己開發(fā)，來實現(xiàn)所有的非實時控制部分的功能。2．基于運動控制器的開放式數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)基于運動控制器的開放式數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)主要是由實時控制軟件和系統(tǒng)管理軟件來構(gòu)成。這些信號通過PMAC智能I/O口送到相應(yīng)的控制器上來控制相應(yīng)電器工作。光電隔離能有效地將計算機數(shù)字量通道與外部模擬量通道隔離開來，大大地減輕了外部因素的干擾。（3） PMAC內(nèi)置PLC功能 PLC信號的輸入/輸出由I/O接口板來實現(xiàn)。（2） PMAC運動控制器與主機之間的通信 PMAC運動控制