【正文】 —(數(shù)控系統(tǒng)需求分析 ) ? 架構(gòu)設(shè)計(jì) —(數(shù)控系統(tǒng)架構(gòu)分析 ) ? 詳細(xì)設(shè)計(jì) —(數(shù)控系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì) ) ? 系統(tǒng)測(cè)試 —(數(shù)控系統(tǒng)的測(cè)試 ) 7 ? 數(shù)控系統(tǒng)是一種自動(dòng)閱讀輸入載體上事先給定的數(shù)據(jù)，并將其譯碼，從而使機(jī)床移動(dòng)和加工零件的控制系統(tǒng) .它的工作原理是通過各種輸入方式，接受加工零件的各種數(shù)據(jù)信息，經(jīng)過譯碼、處理、插補(bǔ)，生成各坐標(biāo)軸的參考位置，把各軸的參考位置送到軸控制器中，驅(qū)動(dòng)軸的運(yùn)動(dòng)，使各個(gè)坐標(biāo)軸能精確地運(yùn)動(dòng)到所要求的位置。 ? 零執(zhí)行時(shí)間 :理想狀態(tài)下 ,任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間為零 .如 :測(cè)量 ,計(jì)算 ,把結(jié)果傳給外圍設(shè)備都發(fā)生在瞬間。然而現(xiàn)在還沒有一個(gè)普遍的有保證的調(diào)度算法能夠使所有以下這些時(shí)間約束都滿足： ? 最后期限 :一個(gè)任務(wù)必須在指定時(shí)間內(nèi)完成 ,但是有時(shí)任務(wù)在指定時(shí)間內(nèi)完成的結(jié)果對(duì)質(zhì)量并不重要 .例如 :在緩沖區(qū)清空之前，處理器必須將聲卡的緩沖區(qū)填滿 。這些因素很難在時(shí)間上保持穩(wěn)定，在并發(fā)的任務(wù)調(diào)度中靜態(tài)分配延時(shí)稱為 jitter。1 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)例開發(fā) —— 基于 32位微處理器與實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) 第九講 嵌入式系統(tǒng)開發(fā)實(shí)例 北京航空航天大學(xué) 機(jī)器人研究所 王田苗 魏洪興 2 本節(jié)提要 1 2 嵌入式數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例 ARM MP3設(shè)計(jì)實(shí)例 3 實(shí)時(shí)系統(tǒng) ? 反應(yīng)時(shí)間 ? 任務(wù)的反應(yīng)時(shí)間是一個(gè)任務(wù)應(yīng)當(dāng)開始執(zhí)行 (或結(jié)束 )的時(shí)刻與實(shí)際執(zhí)行的時(shí)刻差值 .(或者說 ,一個(gè)事件的產(chǎn)生和響應(yīng)的時(shí)間間隔 ) ? 決定反應(yīng)時(shí)間的幾個(gè)因素 ? 處理器、總線、內(nèi)存（片上高速緩沖存儲(chǔ)器，片下 RAM和 ROM）以及外圍設(shè)備的時(shí)間特性 ? 操作系統(tǒng)的調(diào)度特性 ? 內(nèi)核的占先特性 ? 系統(tǒng)的負(fù)載（也就是說同一時(shí)刻需要調(diào)度的任務(wù)的數(shù)量 ) ? 任務(wù)轉(zhuǎn)換時(shí)間。指的是處理器需要保存正在運(yùn)行任務(wù)的數(shù)據(jù)的時(shí)間 (例如寄存器，堆棧和指針 )，以及將它的數(shù)據(jù)替換成新調(diào)度的任務(wù)的本地?cái)?shù)據(jù)的時(shí)間。 4 實(shí)時(shí)系統(tǒng) ? 時(shí)間約束 ? 不同的應(yīng)用有不同的時(shí)間約束 ,理想狀態(tài)下 ,實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)能夠滿足時(shí)間約束。在另一個(gè)外圍設(shè)備到達(dá)并且讀那個(gè)值之前，輸出端口的電壓必須到達(dá)一個(gè)給定值。 ? 服務(wù)質(zhì)量 (QoS):在一個(gè)時(shí)間單位里任務(wù)得到“服務(wù)”的數(shù)量 .(“服務(wù)”通常的意義是“ CPU時(shí)間” ,但也可以是“內(nèi)存頁”，“網(wǎng)絡(luò)帶寬”或者“磁盤訪問帶寬”。 需求分析 —— 功能需求 8 功能需求 —數(shù)控系統(tǒng) 控制裝置 PLC 人機(jī)界面 軸 冷卻 主軸 … . 反饋 速度 位置 輸入 輸出 速度 位置 指令 狀態(tài) 反饋 開 /關(guān) CNC 機(jī)床 M 功能 PLC 功能 機(jī)床控制器 CNC機(jī)床控制模型 需求分析 9 ? 輸入輸出 ? 輸入 /輸出 /通訊功能 ? 字符圖形顯示功能 ? 程序編制功能 ? 數(shù)據(jù)處理 ? 插補(bǔ)功能 ? 進(jìn)給功能 ? 主軸速度功能 ? 刀具功能 ? 補(bǔ)償功能 ? 輔助功能 ? 報(bào)警 ? 自診斷功能 需求分析－數(shù)控系統(tǒng)的功能 10 ? 非功能需求 ? 物理環(huán)境－車間，工作環(huán)境惡劣 ? 用戶－一般是車間操作員，操作水平有高有低 ? 質(zhì)量保證－－用在工業(yè)控制環(huán)境質(zhì)量要求高，同時(shí)現(xiàn)在市場(chǎng)競爭激烈，如果質(zhì)量不好很難在市場(chǎng)上站住腳 非功能需求－數(shù)控系統(tǒng) 11 ? QOS ? 數(shù)控系統(tǒng)響應(yīng)性高，主要是對(duì)突發(fā)事件的反應(yīng)（如撞刀，急停） ? 數(shù)控系統(tǒng)具有可確定性。在 CNC系統(tǒng)中，條件 /事件是由操作員的指令（緊急停止，移動(dòng) x軸等）或是機(jī)床的狀態(tài)（如刀具破損等）引起的。硬實(shí)時(shí)任務(wù)指必須滿足最后期限的限制，否則會(huì)給系統(tǒng)帶來不希望的破壞或者致命的錯(cuò)誤。 ? ARM芯片價(jià)格低廉。通用系統(tǒng)都是多任務(wù)系統(tǒng)，意味著它們?cè)试S計(jì)算機(jī)同時(shí)運(yùn)行幾個(gè)進(jìn)程。分時(shí)的一個(gè)直接后果是實(shí)時(shí)精度不能保證， ? 很多時(shí)候，程序員使用軟件中斷滿足任務(wù)的最后期限，這就是強(qiáng)迫操作系統(tǒng)在一個(gè)給定的時(shí)間響應(yīng)中斷并提供服務(wù)，然而由于中斷的分辨率很低（如 linux是 100hz），這個(gè)方法只在任務(wù)實(shí)時(shí)性較低的情況下使用（也就是說任務(wù)的速率比中斷的速率還要低）。 17 ? 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) ? 專用實(shí)時(shí)系統(tǒng) VxWorks ， Window CE QNX ， REAL/IX等。 DOS之所以能夠保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，只是因?yàn)樗皇嵌嗳蝿?wù)系統(tǒng) ——它每次只執(zhí)行一個(gè)任務(wù)。 操作系統(tǒng)平臺(tái)的選取 18 ucosII的理由 ? ucosII是個(gè)實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng) ? 是個(gè)開放源碼－－降低開發(fā)費(fèi)用，如果選擇專業(yè)操作系統(tǒng)，費(fèi)用高 ? 有強(qiáng)有力的支持（這一點(diǎn)是選擇這個(gè)系統(tǒng)很重要的原因） 操作系統(tǒng)平臺(tái)的選取 19 數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì) ? 數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā) ?定義系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) ?定義軟件總體結(jié)構(gòu) ?軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì) ?定義軟件模塊 ?任務(wù)設(shè)計(jì) 20 數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)－定義系統(tǒng)結(jié)構(gòu) ? 數(shù)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) ?采用處理器設(shè)計(jì)模式 ?系統(tǒng)采用單一處理器結(jié)構(gòu) ARM ?系統(tǒng) ARM+FPGA實(shí)現(xiàn)整個(gè)硬件系統(tǒng) 21 數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)－定義軟件總體結(jié)構(gòu) ? 數(shù)控系統(tǒng)軟件總體結(jié)構(gòu) ?軟件采用任務(wù)設(shè)計(jì)模式和功能協(xié)調(diào)模式相結(jié)合的軟件結(jié)構(gòu) ?任務(wù)內(nèi)部采用有限狀態(tài)機(jī)的設(shè)計(jì)模式 22 數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)－軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì) ? 軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì) ? 一旦軟件結(jié)構(gòu)確定了，硬件和軟件工作組在一起工作確定軟件和相關(guān)的功能。Frame_Task_Stack[STACKSIZE1], CNC_Frame_Task_Pri)。Inter