基于RTLinux的高性能低成本数控系统.pdf

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1、2002年（第十届）全国机床专业学术会议基于RTLinux的高性能低成本数控系统吴寒陈建春刘雄伟华侨大学先进制造技术研究所通信地址：362011福建泉州华侨大学先进制造技术研究所摘要本文论述了一种创新体系的开放式数控系统：基于PC和RTLinux的数控系统在性能和成本上的优势。在与其它体系数控系统比较的基础上，分析了该体系数控系统的技术特点和基本结构。探讨了实际开发中的重要技术：多实时线程调度和数据缓冲区。关键词RTLinux数控系统实时线程缓冲区1.数控系统的体系、成本和性能本文所说的数控系统的“体系”，主要

2、是指其基本技术特征：基于何种平台，技术标准是否开放。数控系统的平台——硬件平台和软件平台，对于数控系统的结构和实现起基础性的决定作用。不同体系的数控系统，在成本和性能上必然表现出不同的特点。1.1封闭式数控系统封闭式数控系统的“封闭”，首先表现在硬件平台上，不同厂家的数控系统在硬件平台上有较大差异，且技术标准对外封闭。在软件平台上，不同厂家的封闭式数控系统一般采用自行开发的实时操作系统，如sinumerik系列数控系统的操作系统平台为其自行开发的NRK（NumericalRealtimeKernel）。封闭式数

3、控系统的发展历史较长，性能稳定，成熟。但是其由于技术体系封闭，硬件、软件平台都自行开发，因而成本必然较高。1.2开放式数控系统开放式数控系统是数控系统的发展趋势。开放式数控系统的重要特征是基于开放、通用的硬件平台和软件平台。PC因为性能较高，成本低廉，无疑是开放式数控系统首选的硬件平台，这里将重点讨论开放式数控系统的软件平台及其对数控系统的性能和成本的影响。1.2.1基于Windows的开放式数控系统由于Microsoft公司在通用操作系统领域的垄断地位，基于Windows的开放式数控系统正成为研究开发的热点。

4、然而作为数控系统的软件平台，Windows却存在着难以克服的弊端。Windows是非实时操作系统，其内核本质上是分时内核，无法满足数控系统高实时性的需求。实时性不足，是Windows操作系统作为数控系统软件平台的根本弊端。由于Windows是源代码保密的商业操作系统，因此对其进行实时改造是不可能的。基于Windows的数控系统对于实时性不足的主要解决方案是采用“PC+适配器”的主从12002年（第十届）全国机床专业学术会议式体系结构：由DSP或单片机控制板构成“下微机”，完成实时任务。这种方案增加了硬件成本，而

5、且DSP或单片机等芯片编程语言较为低级，程序不便移植，不利于系统的开放性。实际上，PC的CPU所提供的上百兆赫甚至上千兆赫的运算能力，已足以满足数控系统的需要（sinumerik等专机数控系统的主机工作频率一般只有几十兆赫），只是由于Windows操作系统的限制，实时性不足，才又引入了下微机。因此，“（PC+适配器）+Windows”这种数控系统体系，实际上在很大程度上浪费了PC硬件资源，不必要地增加了系统成本。1.2.2基于RTLinux的开放式数控系统RTLinux是Linux的一个实时版本，是性能优秀的实

6、时多任务操作系统。RTLinux的实时性能非常突出，系统调度造成的延迟非常微小，中断延迟时间接近硬件极限。作者曾在P133,32M微机上做过测试，RTLinux提供的定时函数可以把周期任务的运行周期精确设定至40us(在Windows中，最多只能精确设定至20ms)。基于RTLinux的数控系统，无需引入下微机，即可获得出色的实时和多任务工作能力。作者开发的基于RTLinux的数控系统插补周期可精确设定至1ms以下，同时进行三维图形显示和网络通信等多任务。基于RTLinux的数控系统由实时操作系统内核而不是DS

7、P芯片等专用硬件完成实时任务，提高了系统的灵活性和开放性。同Linux一样，RTLinux是源码开放的免费操作系统，采用RTLinux作为数控系统软件平台，可以大幅度降低数控系统成本。2.RTLinux系统特征和RTLinux平台软件结构RTLinux是对标准Linux进行实时改造而产生的实时多任务操作系统。Linux和Windows一样，是非实时多任务操作系统，但由于Linux是源码开放的操作系统，对其进行实时改造成为可能。RTLinux的实现原理是把一个小实时内核植入非实时的标准Linux内核的底层，对所有

8、中断进行初始化处理，标准Linux作为实时内核的最低优先级线程运行。实时内核负责实时任务调度，Linux负责非实时任务调度，并向实时任务提供服务。为确保高实时性，实时内核被设计得比较简明：不支持动态内存分配，动态优先权等额外时间开销过大的运行策略。基于RTLinux的数控系统基本结构是：实时任务（位控，插补，插补预处理等）由实时内核调度，在内核空间中运行，非实时任务（图形显示，网络通信