田德偉，陶耀東，焦廣勝

(1.中國(guó)科學(xué)院 沈陽(yáng)計(jì)算技術(shù)研究所，沈陽(yáng) 110004;2.中國(guó)科學(xué)院 研究生院，北京 100039 )

0 引言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、控制技術(shù)的迅速發(fā)展，出現(xiàn)了IPC 工控機(jī)以及大量的智能儀表，其應(yīng)用使得工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化水平得到了很大的提高。過(guò)程分析技術(shù)(Process Analytical Technology，PAT)的出現(xiàn)，促使裝備制造業(yè)引入該技術(shù)來(lái)提高產(chǎn)品的精度以及生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化的水平。遠(yuǎn)程監(jiān)控是指利用計(jì)算機(jī)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)程工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程控制系統(tǒng)的監(jiān)視和控制。工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的監(jiān)控信息接入Internet，在一定條件下就可以通過(guò)Internet 監(jiān)控生產(chǎn)系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和各種參數(shù)，控制者就不必親臨現(xiàn)場(chǎng)，這能夠節(jié)省大量的人力物力［1］。

本文采用硬件抽象層、共享內(nèi)存以及I/O 多路復(fù)用技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)控系統(tǒng)加工過(guò)程的遠(yuǎn)程監(jiān)控。數(shù)控系統(tǒng)加工過(guò)程中軸位置、軸速等信息通過(guò)共享內(nèi)存技術(shù)與服務(wù)器進(jìn)行交互，以C/S 模式構(gòu)成遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，client 可以通過(guò)運(yùn)行客戶(hù)端應(yīng)用程序監(jiān)控?cái)?shù)控系統(tǒng)加工過(guò)程的狀態(tài)信息。

1 相關(guān)技術(shù)

1.1 硬件抽象層(Hardware Abstract Layer，HAL)

數(shù)控系統(tǒng)作為一個(gè)復(fù)雜的嵌入式系統(tǒng)，具有專(zhuān)用性強(qiáng)、外圍設(shè)備多樣的特性，這決定了其應(yīng)用的硬件環(huán)境差異性較大。系統(tǒng)軟件模塊與硬件之間的接口是系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中的必需環(huán)節(jié)，也是影響數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)用前景的關(guān)鍵問(wèn)題之一。HAL 的引入可有效的解決該問(wèn)題，HAL 是將硬件平臺(tái)與應(yīng)用軟件隔離開(kāi)來(lái)的的軟件層次，通過(guò)硬件抽象層技術(shù)實(shí)現(xiàn)硬件相關(guān)和硬件無(wú)關(guān)兩部分程序代碼的隔離，為應(yīng)用程序提供一個(gè)沒(méi)有硬件特性的接口。硬件抽象層的引入不僅是系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法的改進(jìn)，更直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)模式以及嵌入式操作系統(tǒng)的可移植性。硬件抽象層的引入大大推動(dòng)了嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的規(guī)范化進(jìn)程［2］。

EMC2 中設(shè)計(jì)硬件抽象層的目的是使EMC2 可以快速的針對(duì)不同的硬件進(jìn)行配置而不需要改變上層程序，實(shí)現(xiàn)在I/O 接口和其他底層模塊之間傳輸實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。HAL 的設(shè)計(jì)采用了傳統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)的模式，I/O設(shè)備以軟元件的形式存在于HAL 中，HAL 軟元件和傳統(tǒng)元件類(lèi)似，包括引腳(pin)、參數(shù)(parameter)等信息?？梢酝ㄟ^(guò)HAL 中軟元件的加載和相連形成復(fù)雜多樣的控制系統(tǒng)，如圖1 所示，利用HAL 組件構(gòu)建并口輸出PWM 信號(hào)驅(qū)動(dòng)X-Y 軸的直流伺服電機(jī)的連接圖［2］。

1.2 I/O 多路復(fù)用

在Linux 服務(wù)器編程中，系統(tǒng)資源的利用率是一個(gè)令人關(guān)注的問(wèn)題。本系統(tǒng)通過(guò)采用單進(jìn)程I/O 多路復(fù)用的方式解決了傳統(tǒng)的創(chuàng)建子進(jìn)程方式帶來(lái)的系統(tǒng)資源消耗，并極大地提高了CPU 的利用率，同時(shí)也可以方便的支持多個(gè)客戶(hù)端，理論上，在一個(gè)線(xiàn)程中可支持63 個(gè)客戶(hù)端;可以采用多線(xiàn)程支持更大數(shù)量的clients。

I/O 多路復(fù)用，即一個(gè)進(jìn)程需要在多個(gè)I/O 端口上等待讀取或?qū)懭霐?shù)據(jù)，可選擇將自己掛起，如果一個(gè)或多個(gè)I/O 滿(mǎn)足數(shù)據(jù)操作時(shí)，進(jìn)程將被通知，繼續(xù)運(yùn)行，并作相應(yīng)的判斷處理和I/O 操作。select()方法可以對(duì)多路I/O 進(jìn)行阻塞式查詢(xún)。它提供同時(shí)對(duì)多個(gè)I/O 描述符進(jìn)行阻塞式查詢(xún)方法，可以方便地實(shí)現(xiàn)I/O多路復(fù)用［3］。

圖1 井口輸出PWM 信號(hào)驅(qū)動(dòng)X-Y 軸的直流伺服電機(jī)HAL 連接圖

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程監(jiān)控工具利用模塊化的設(shè)計(jì)思想，從縱向來(lái)看總體框架自底向上包含linux 操作系統(tǒng)、RTAI 模塊、硬件抽象層模塊、數(shù)據(jù)采集程序和客戶(hù)端程序。RTAI模塊和硬件抽象層模塊運(yùn)行在內(nèi)核空間，數(shù)據(jù)采集程序和客戶(hù)端程序運(yùn)行在用戶(hù)空間，它們之間的數(shù)據(jù)通信利用rtai 提供的共享內(nèi)存和I/O 多路復(fù)用技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，總體結(jié)構(gòu)如2 圖所示。

圖2 遠(yuǎn)程監(jiān)控工具總體結(jié)結(jié)構(gòu)圖

2.1 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集方法的設(shè)計(jì)以RTAI 的共享內(nèi)存為數(shù)據(jù)傳輸介質(zhì)。共享內(nèi)存在內(nèi)核空間和用戶(hù)空間之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，具有較高的靈活性，所以在數(shù)控系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛，因此提高共享內(nèi)存的管理效率對(duì)各種使用共享內(nèi)存的應(yīng)用具有很重要的意義。采用兩級(jí)數(shù)據(jù)管理結(jié)構(gòu)，能夠有效的分配和釋放共享內(nèi)存，使用C 語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)的該共享內(nèi)存管理層具有很好的可移植性，能夠減少共享內(nèi)存分配和釋放時(shí)間，同時(shí)互斥量的使用也能保證共享內(nèi)存的并發(fā)訪(fǎng)問(wèn)。數(shù)控系統(tǒng)加工過(guò)程遠(yuǎn)程監(jiān)控工具的設(shè)計(jì)是基于一個(gè)共享內(nèi)存的管理工具來(lái)實(shí)現(xiàn)的。使用共享內(nèi)存池和共享內(nèi)存塊這兩種結(jié)構(gòu)來(lái)完成對(duì)共享內(nèi)存管理工具的設(shè)計(jì)［4］，共享內(nèi)存管理工具的結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 共享內(nèi)存管理工具結(jié)構(gòu)圖

2.2 遠(yuǎn)程監(jiān)控工具設(shè)計(jì)

主要是描述利用I/O 多路復(fù)用技術(shù)實(shí)現(xiàn)多個(gè)客戶(hù)端的登錄服務(wù)器的流程，登陸處理流程圖如圖4 所示。

圖4 客戶(hù)端登陸流程圖

客戶(hù)端登陸服務(wù)器端，首先需要打開(kāi)遠(yuǎn)程調(diào)試模式，并利用I/O 多路復(fù)用技術(shù)創(chuàng)建TCP 并發(fā)服務(wù)器;客戶(hù)端登陸成功后，可以通過(guò)終端輸入halcmd 命令，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程查看數(shù)控系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)輸入exit 或quit命令時(shí)，客戶(hù)端終止這一次的連接。

利用I/O 多路復(fù)用技術(shù)設(shè)計(jì)的服務(wù)器端架構(gòu)大致如下:

與多進(jìn)程并發(fā)方式相比，采用I/O 復(fù)用技術(shù)的最大優(yōu)勢(shì)是服務(wù)器只需要一個(gè)進(jìn)程來(lái)處理所有的客戶(hù)機(jī)請(qǐng)求，所有程序沒(méi)有創(chuàng)建和管理進(jìn)程的開(kāi)銷(xiāo)，減少了系統(tǒng)運(yùn)行中的系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)，提高了服務(wù)質(zhì)量;同時(shí)服務(wù)器運(yùn)行在單一進(jìn)程上下文中，因此每個(gè)邏輯流都能訪(fǎng)問(wèn)該進(jìn)程的全部地址空間使得在流之間共享變量很容易［1］。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 關(guān)鍵數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

在內(nèi)核空間和用戶(hù)空間之間的通信主要是嵌入硬件抽象層來(lái)實(shí)現(xiàn)的，硬件抽象層的設(shè)計(jì)又采用了共享內(nèi)存技術(shù)。共享內(nèi)存結(jié)構(gòu)體hal_data_t 的主要組成為:

該結(jié)構(gòu)作為全局變量，halcmd 的命令是通過(guò)獲取互斥信號(hào)量來(lái)對(duì)該內(nèi)存區(qū)域進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)的。以loadrt siggen 為例，流程圖5 如所示。

用戶(hù)輸入loadrt siggen 命令時(shí)，該命令的功能是實(shí)現(xiàn)加載軟元件siggen，通過(guò)halcmd_commands 查找loadrt 對(duì)應(yīng)的操作函數(shù)do_loadrt_cmd()，如果siggen模塊尚未插入，則利用insmod siggen. ko 將該模塊插入。并將siggen 加入到hal_data - ＞pin_list_ptr 的鏈表中。命令執(zhí)行完畢，返回halcmd 命令行。

圖5 處理loadrt siggen 命令流程圖

3.2 遠(yuǎn)程監(jiān)控工具的實(shí)現(xiàn)

遠(yuǎn)程監(jiān)控工具是halcmd 應(yīng)用程序的一部分，它的主要任務(wù)是完成對(duì)輸入命令的讀入，解析命令，執(zhí)行命令，返回命令執(zhí)行結(jié)果。

其中halcmd_parse_cmd(tokens)主要是根據(jù)tokens，按照命令索引跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的命令函數(shù)中執(zhí)行?？梢詫?shí)現(xiàn)加載模塊，模塊互聯(lián)，模塊信息讀取等命令功能;print_info()根據(jù)tokens 執(zhí)行的結(jié)果將命令反饋信息發(fā)送給相應(yīng)的客戶(hù)端程序，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)控系統(tǒng)的加工狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)過(guò)程。

4 實(shí)驗(yàn)

在pc1 上運(yùn)行數(shù)控系統(tǒng)仿真軟件EMC2，打開(kāi)終端，使用halcmd -kfr 啟用加工過(guò)程遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)模式。分別在pc2 和pc3 上運(yùn)行. /monitor 192.168.2.14，連接到pc1 服務(wù)器端。查看pc2 和pc3 的輸出情況，同時(shí)也可以執(zhí)行halcmd 命令。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6 所示。

圖6

上圖是在pc2 和pc3 上顯示的對(duì)引腳變化的圖形化顯示的結(jié)果，顯示了三種不同的引腳曲線(xiàn):正弦，余弦和方形曲線(xiàn)。用戶(hù)可以方便使用該工具遠(yuǎn)程查看各個(gè)引腳的變化情況。

5 總結(jié)與展望

本文使用硬件抽象層技術(shù)和I/O 多路復(fù)用技術(shù)，提出了一個(gè)數(shù)控系統(tǒng)加工過(guò)程遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)工具的設(shè)計(jì)方案，并利用EMC2 開(kāi)源數(shù)控軟件對(duì)數(shù)控?cái)?shù)控加工過(guò)程進(jìn)行仿真，運(yùn)用該遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)工具進(jìn)行對(duì)其進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，能夠獲得數(shù)控加工過(guò)程中的軸的速度、軸的當(dāng)前位置、軸的位置反饋等信息，表明了該設(shè)計(jì)方案在對(duì)加工過(guò)程遠(yuǎn)程監(jiān)控方面是可行的。

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