詳解基于Windows CE的激光切割機開放式數控系統的研究

前言

Windows CE是微軟公司開發的一個開放、可升級的32位嵌入式操作系統。與Windows 95 /98、WindowsNT不同的是，Windows CE是所有源代碼全部由微軟自行開發的嵌入式新型操作系統、其操作界面雖來源于Windows 95 /98，但Windows CE是基于Win32 AP I重新開發的、新型的信息設備平臺。Windows CE具有模塊化、結構化和基于Win32應用程序接口以及與處理器無關等特點[ 1 ] 。微軟在2002 年推出了新一代Windows CE. NET后，其性能有了更進一步的提高，支持藍牙技術、支持TCP / IPv6，并在實時多任務控制領域得到了成功的應用[ 2 ]。相對于DOS，Windows CE. NET是運行于保護模式的多線程32位操作系統，特別適合數控系統的多任務并行機制，而它的內存保護功能對于數控系統的穩定性具有重要意義： 相對Windows桌面操作系統，Windows CE. NET是嵌入式實時操作系統，其獨特體系結構和運行機制使其能夠快速響應外部中斷觸發，并調度相關應用程序進行處理[ 3 ] ，因此它可以滿足數控系統的實時性要求。Win2dows CE. NET是一個實時操作系統，它提供了實時開發所需的重要技術，其中包括:

(1) 256級線程優先權為在嵌入式系統內控制

線程時序提供更大的靈活性。

(2)中斷嵌套允許更高優先級的中斷立刻被執行而不必等到較低優先級的中斷服務程序執行完畢。內核能嵌套CPU所支持的全部數量的中斷服務程序。

(3)每一線程的時間片允許應用程序在多線程原則上設置時間片，這就意味著能夠使調度程序適應應用程序的當前要求。

(4)優先權倒置是指當兩個線程競爭同一個資源時，資源被低優先級的線程占用而拖延了高優先級線程的執行的情形。為了糾正這種情形并釋放高優先級的線程，Windows CE允許低優先級線程繼承更加緊急的線程優先級并且以更高的優先級來運行直到它釋放它所占用的資源。

1.Windows CE系統開發平臺的定制

為了使用戶可以方便的將Windows CE轉向一個新的硬件平臺，微軟提供了完整的開發工具p latformbuilder 4. 2，它包括了一些必需的工具，以便開發人員可以為組件化的操作系統版本創建特定平臺的軟件開發包( SDK) 。平臺向導( Platform Wizard)允許開發人員根據將要創建設備的類型簡便快捷地建立新的平臺，參見圖1。

圖1Windows CE系統平臺定制示意圖

要創建一個基于Windows CE. NET的操作系統平臺，必須經過下面幾個步驟: ①選擇一個標準的開發板( SDB ) 來創建Windows CE 平臺。②使用平臺向導(Platform Wizard)中備選的設備及目錄中所列舉的特征對平臺進行定制。③Build 并生成鏡像文件( im2age) 。④將平臺下載到目標設備，調試平臺。⑤平臺創建完畢，輸出軟件開發工具包( SDK) 。

定制平臺時，用戶可以開發自己的OEM硬件適配層(OAL) ，OAL是處于Windows CE系統內核與目標設備硬件之間，用來抽象硬件功能的連接層，實現操作系統的可移植性。OEM硬件適配層分為OEM抽象層和設備驅動程序兩部分。

硬件開發平臺是用于模擬嵌入式系統設備的目標設備，可用于開發、調試和驗證定制平臺的性能。Plat2form Builder支持基于PC機的硬件開發平臺(CEPC) ，CEPC是最靈活的Windows CE設備，很適用于嵌入式系統的開發調試階段。

2.開放式激光切割機數控系統的總體設計和實現

2.1數控激光切割機的組成

圖2 激光加工系統示意圖

數控激光切割機由激光切割機主機、CO2激光器、水冷機、外光路系統、數控系統及自動編程軟件等組成[ 4 ] (見圖2) 。其中激光器及外光路系統是數控激光切割機的關鍵配套部件，其性能指標將直接影響激光切割板材的切割質量，而激光切割機主機則是實現激光進行優質切割的載體。所以，對數控激光切割機主機的開發設計顯得尤為重要。

2.2基于工業PC機的開放式數控系統的分析與構造

隨著近年來計算機技術的發展，工業PC機和模塊化的集成電路逐漸進入數控領域， PC機以其特有的開放性成為開放式數控系統的基礎，它豐富了數控系統的硬、軟件資源，有利于實現總線式、模塊化、開放化的數控系統，該系統利用流行的操作系統平臺作支撐，采用標準的應用開發環境，具有較好的互操作性、移植性、互換性和伸縮性，展現了良好的開放性能，同時又具有方便、靈活的特點。同時充分利用Windows CE強大的圖形界面功能、多線程機制和多媒體定時器來解決數控軟件的實時多任務處理能力，其良好的軟硬件兼容能力能夠實現建立在標準總線基礎上的模塊化開放式數控系統。開放式數控系統可采用分層的體系結構，如圖3所示。各層之間實現隔離，層與層之間通過標準的接口進行通訊，實現了開放式控制系統應有的分層體系結構，使數控軟件易于組裝、擴充和維護。第一層為管理層。它是系統的界面部分，可完成系統的管理、顯示、診斷和監控。通過響應狀態選擇控件產生的不同消息來進行不同界面之間的切換，其調用操作由操作系統管理完成。

第二層為功能單元層。它是系統的控制部分，包括代碼生成、編譯解釋、插補運算和運動控制， I/O 處理和數據采集等，是相對獨立的功能單元。它們之間通過在軟件中建立的多個數據緩沖器來進行大量的數據交換。譯碼可將數控指令解釋成為系統內部的數據格式，插補運算完成數據插補產生加工數據、速度處理和輔助功能設備控制。運動控制程序完成位置伺服的控制。I/O信號處理模塊接收各種按鍵的輸入，轉化為程序變量或系統消息以供操作。數據采集模塊負責采集各運動軸的信息和A /D信號，用于實現數據實時顯示、實時控制等功能。

第三層為支撐層，包括運動控制卡、運動控制器的設備驅動程序、I/O卡和工業PC機。