CNC系统控制软件设计思想优化

CNC系统是一个专用的实时多任务计算机系统，它的控制软件设计采用了当今计算机软件设计的许多先进思想和技术，其中最突出的是多任务并行处理和多重实时中断处理，下面分别加以介绍。

1.多任务并行处理

CNC系统通常作为一个独立的过程控制单元用于控制各种对象，它的系统软件必须完成管理和控制两大任务。系统的管理部分包括输入、I/O处理、显示和诊断。系统的控制部分包括译码、刀具补偿、速度处理、插补和位置控制。在许多情况下管理和控制的某些任务必须同时进行。例如，管理软件的显示模块必须与控制软件同时运行。而当控制软件运行时，其本身的一些处理模块也必须同时进行。如，为保证加工的连续性，即刀具在各程序段间不停刀，译码、刀具补偿和速度处理模块必须同时进行，而插补又必须与位置控制同时进行。下面给出CNC系统的任务分解图和任务并行处理关系图（见图4-15），双箭头表示两个模块之间有并行处理关系。

图4-15 CNC装置的多任务并行处理图

a）任务分解图 b）任务并行处理图 c）CPU分时共享图

所谓并行处理是指计算机在同一时刻或同一时间间隔内完成两种或两种以上性质相同或不相同的工作。并行处理最显著的优点是提高了运算速度。拿n位串行运算和n位并行运算来比较，在元件处理速度相同的情况下，后者运算速度几乎提高为前者的n倍。但是并行处理不止于设备的简单重复，它还有更多的含义，如时间重叠和资源共享技术也是并行处理技术。时间重叠是根据流水线处理技术，使多个处理过程在时间上相互错开，轮流使用设备的几个部分。而资源共享则是根据“分时共享”的原则，使多个用户按时间顺序使用同一套设备。目前在CNC系统的硬件设计中，已广泛使用资源重复的并行处理方法，如采用多CPU的系统体系结构来提高系统的速度。而在CNC系统的软件设计中则主要采用资源分时共享和资源重叠的流水线处理技术。下面着重介绍资源分时共享和资源重叠的流水线处理这两种并行处理技术。

资源分时共享主要用于解决单CPU的CNC系统中多任务同时运行的问题。具体方法是，首先确定各任务何时占用CPU和占用时间的长短。在具体执行时，对各任务使用CPU采用循环轮流和中断优先相结合的原则来处理。图4-15c是一个典型CNC系统各任务分时共享CPU的时间分配图。系统在完成初始化后自动进入时间分配环中，在环中依次轮流处理各任务。而对于系统中一些实时性很强的任务则按优先级排队，分别放在不同中断优先级上，环外的任务可以随时中断环内各任务的执行。

资源重叠的流水线处理技术是指在一段时间间隔内不是处理一个子过程，而是处理两个或更多的子过程。如当CNC系统处在NC工作方式时，其数据的转换过程将由零件程序输入、插补准备（包括译码、刀具补偿和速度处理）、插补、位置控制四个子过程组成。如果每个子过程的处理时间分别为Δt1，Δt2，Δt3，Δt4，那么一个零件程序段的数据转换时间将是(www.xing528.com)

t=Δt1+Δt2+Δt3+Δt4

如果以顺序方式处理每个零件程序段，即第一个零件程序段处理完以后再处理第二个程序段，依次类推，这种顺序处理时的时间空间关系如图4-16a所示。从图上可以看出，如果等到对第一个程序段处理完之后才开始对第二个程序段进行处理，那么在两个程序段的输出之间将有一个时间长度为t的间隔。同样在第二个程序段和第三个程序段的输出之间也会有时间间隔，依次类推。这种时间间隔反映在电动机上就是电动机是时转时停，反映在刀具上就是刀具时走时停。不管这种时间间隔多么小，这种时走时停在加工工艺上是不允许的。消除这种时间间隔的方法是用流水处理技术，其时间空间关系如图4-16b所示。从图上可以看出，经过流水处理后从时间t₄开始，每个程序段的输出之间不再有间隔，从而保证了电动机转动和刀具移动的连续性。流水处理要求每个处理子过程的运算时间相等。而实际上每个子程序所需时间都是不相同的，解决的办法是取最长的子程序处理时间为流水处理间隔。这样当处理时间较短的子过程时，处理完成之后就进入等待状态。在单CPU的CNC装置中，流水处理的时间重叠只有宏观的意义，即在一段时间内，CPU处理多个子程序，但从微观上看，各子过程是分时占用CPU时间。

图4-16 资源重叠流水处理

a)顺序处理 b）流水处理

2．多重实时中断处理

CNC系统控制软件的另一个重要特征是实时中断处理。CNC系统的多任务性和实时性决定了系统中断成为整个系统必不可少的重要组成部分。CNC系统的中断管理主要靠硬件完成，而系统的中断结构决定了系统软件的结构。其中断类型有外部中断、内部定时中断、硬件故障中断以及程序性中断等。外部中断主要有纸带光电阅读机读孔中断、外部监控中断和键盘操作面板输入中断。内部定时中断主要有插补周期定时中断和位置采样中断。硬件故障中断是指各种硬件故障检测装置发出的巾断，如存储器出错、定时器出错、插补运算超时等。程序性巾断是程序巾出现的各种异常情况的报警中断，如各种溢出、清零等。