1研究背景

　　現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外關(guān)于開放式控制系統(tǒng)的研究和示范應(yīng)用都著眼于pc機(jī)的軟硬件開發(fā)，其實(shí)質(zhì)就是pc機(jī)在i/0接口和人機(jī)交互界面上的一個(gè)專門應(yīng)用（參見圖1），在結(jié)構(gòu)和性能上都存在很大局限性：首先，沒有定義獨(dú)立的適合于數(shù)控加工控制的開放結(jié)構(gòu),所具備的開放性都是計(jì)算機(jī)本身固有的開放特征，不是針對(duì)于數(shù)控加工特點(diǎn)來(lái)定義的，這種借鑒方式的代價(jià)就是要完全依賴于計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)體系框架，pc計(jì)算機(jī)作為一個(gè)通用平臺(tái)無(wú)論從底層硬件設(shè)計(jì)和操作系統(tǒng)環(huán)境上都沒有對(duì)數(shù)控加工特殊性的考慮，因此不能很好的從根本上搭建數(shù)控平臺(tái)。其次，工控機(jī)模式的開放式數(shù)控系統(tǒng)不能很好的保證實(shí)時(shí)性和可靠性。pc計(jì)算機(jī)在運(yùn)行時(shí)由于采用通用的操作系統(tǒng)，占用了很大的系統(tǒng)資源，與數(shù)控加工無(wú)關(guān)的任務(wù)可能占去了

　　更多系統(tǒng)的工作份額，他們干擾著系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)加工的及時(shí)響應(yīng)，降低了系統(tǒng)對(duì)重要控制事件的處理速度，增加了系統(tǒng)運(yùn)行的開銷，這些都會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的不穩(wěn)定。第三點(diǎn)，工控機(jī)模式數(shù)控系統(tǒng)的成本太高。一臺(tái)能滿足數(shù)控加工速度要求的計(jì)算機(jī)至少需要投資數(shù)千元再配上運(yùn)動(dòng)控制卡，使得成本很難降低。而一塊嵌入式微處理器才不過(guò)一百多元，所采用可編程器件的芯片也不過(guò)在百元左右，再加上所采用的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)是免費(fèi)開放源代碼的，不會(huì)有軟件版權(quán)使用上的額外開銷，這些都使得成本有了很大程度的降低。確保了申請(qǐng)專利具有很好的性能價(jià)格比。第四點(diǎn)，當(dāng)前工控機(jī)模式的開放式數(shù)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)功能是基于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的，這種網(wǎng)絡(luò)由于沒有考慮到數(shù)控加工和狀態(tài)監(jiān)測(cè)對(duì)大流量信號(hào)數(shù)據(jù)流的傳輸要求，因此從速度上就限制了系統(tǒng)的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用能力，基本上只適用于系統(tǒng)間的程序傳輸。

另外，nc+pc模式的數(shù)控系統(tǒng)基本上不提供什么二次開發(fā)環(huán)境，只提供一些接口和參數(shù)的重新配置和定義功能，還有一些提供了plc的編程功能和相應(yīng)的編程工具，但這也只是對(duì)開關(guān)量的簡(jiǎn)單配置。pc機(jī)模式的開放數(shù)控產(chǎn)品，一方面通過(guò)板卡上增減接口數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)控制軸數(shù)和通道數(shù)的改變，另一方面通過(guò)將自己構(gòu)建系統(tǒng)軟件的函數(shù)庫(kù)以封裝的形式提供給用戶來(lái)實(shí)現(xiàn)用戶自己動(dòng)手配置系統(tǒng)控制的目的。但是，這種形式的開放無(wú)疑提高了對(duì)用戶二次開發(fā)的能力要求，開放沒有針對(duì)性，開放形式不友好，可操作性差。

　　本文正是基于上述問(wèn)題，著眼于開放結(jié)構(gòu)體系的層次化構(gòu)建，狀態(tài)監(jiān)測(cè)的網(wǎng)絡(luò)激活機(jī)制和二次開發(fā)平臺(tái)的智能化三個(gè)方面開展對(duì)全新結(jié)構(gòu)開放數(shù)控系統(tǒng)的研究。

　　2開放結(jié)構(gòu)的層次化

　　層次化思想的設(shè)計(jì)目標(biāo)是方便的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和可配置性，這是判斷一個(gè)系統(tǒng)開放性特征的兩個(gè)重要指標(biāo)�？蓴U(kuò)展性是指系統(tǒng)可以靈活地增加硬件控制接口來(lái)實(shí)現(xiàn)功能的拓展和性能的提高；可配置性是指在不增加硬件結(jié)構(gòu)的前提下，利用現(xiàn)有的底層結(jié)構(gòu)模塊，通過(guò)配置和編譯控制軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自定義。層次化體系結(jié)構(gòu)以模塊化思想為核心，但又區(qū)別于一般的模塊化結(jié)構(gòu)方法。層次化不僅考慮系統(tǒng)各組件之間的功能性特征，更要考慮組件之間的在整個(gè)結(jié)構(gòu)體系中的所處控制環(huán)節(jié)的作用和地位，明確組件之間的繼承衍生關(guān)系，并且實(shí)際上通過(guò)定義這種繼承性和衍生性來(lái)作為劃分系統(tǒng)組件要素的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，而不是單純靠功能標(biāo)準(zhǔn)來(lái)規(guī)劃系統(tǒng)的各個(gè)要素及其之間的關(guān)系。層次化不僅作為一種系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)的思想，它可用于系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部結(jié)構(gòu)的所有層面，當(dāng)組件按照所需功能和性能要求被逐層細(xì)分時(shí)，同樣的衍生繼承關(guān)系和層次標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用于組件中的每一個(gè)亞結(jié)構(gòu)。

　　如圖2所示，層次化的數(shù)控系統(tǒng)具備一個(gè)基本的0層，它包括系統(tǒng)基本控制功能所需的所有組件以及滿足一般功能擴(kuò)展必需的軟硬件接口，0層作為系統(tǒng)的核心結(jié)構(gòu)必須具備良好的對(duì)內(nèi)和對(duì)外接口，對(duì)內(nèi)部既要保證組件之間相互通訊和訪問(wèn)的暢通，又要保證內(nèi)部結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)屏蔽，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)保持穩(wěn)定性和安全性。0層以上的附加層建立在0層的擴(kuò)展接口上，通過(guò)補(bǔ)充硬件和開放軟件接口來(lái)擴(kuò)展系統(tǒng)的功能和提升控制的性能。

　　附加層分為兩種：補(bǔ)充擴(kuò)展和平行擴(kuò)展。補(bǔ)充擴(kuò)展是在原有組件的基礎(chǔ)上通過(guò)開放新的接口配置不同的控制軟件形式來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能擴(kuò)展；平行擴(kuò)展是完全增加一個(gè)同等結(jié)構(gòu)的功能組件，來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)一種特殊的控制要求或開辟一個(gè)新的控制通道。區(qū)分這兩種擴(kuò)展方式意義在于：充分利用兩種不同繼承形式，即結(jié)構(gòu)性繼承和接口性繼承。附加擴(kuò)展遵循接口性繼承，以功能點(diǎn)的形式嵌入到系統(tǒng)組件的接口層面，這一特征可以方便地將對(duì)個(gè)別功能的擴(kuò)展要求的實(shí)現(xiàn)形式標(biāo)準(zhǔn)化，滿足用戶隨時(shí)出現(xiàn)的自定義需求。平行擴(kuò)展遵循結(jié)構(gòu)性繼承，以功能組整體的形式復(fù)制一個(gè)全