基于Windows的線接觸加工數控系統實時性研究

　　0 引 言

　　數控系統是一種典型的工業控制軟件，其系統的實時檢測以及控制時序都需要時間基準。盡管Windows操作系統因其具有強大的功能和友好的通信用戶界面，而使得它不僅被廣泛的用作管理事務型工作的平臺，也被工業領域的工程人員所關注。但Windows系統頂層的應用程序并非是基于優先級來調度任務的，無法立即響應外部事件的中斷，因此也就不能滿足工業應用環境中實時事件處理和實時控制應用的要求，因此如何在Windows環境下實現實時控制是實現大多數實時系統的關鍵。本文歸納了Windows環境下實時操作系統實現的幾種方案，并通過分析比較，提出了線接觸加工數控系統中實時控制的解決方案——引入外部高的定時時鐘，在Windows環境中編寫WDM程序來響應高定時時鐘，從而實現線接觸加工數控系統的強實時控制問題。

　　1 Windows 2000操作系統進行實時控制的解決方案

　　在Windows 2000操作系統環境中進行實時控制時，根據對定時以及實時性要求不同，通?？刹捎靡韵聨追N方法。

　　1．1 利用Windows系統提供的常規定時器及多媒體定時器

　　PC機中，的定時間隔是55 ms申請中斷請求。在一般的應用軟件開發平臺上都提供了一個具有定時功能的Timer控件用于響應這個中斷，如C++Builder中的Timer控件，用戶可以通過Windows提供的API函數SetTimer和KillTimer來實現定時，但是由于系統時鐘的限制，采用這種方式所獲得的時鐘周期是不會超過55 ms的。同時這些常用的定時器事件也是由消息機制驅動的，定時消息被放在消息隊列里與其他消息一起排隊，而定時消息的優先權很低，一旦遇到系統比較忙時，就有可能在消息隊列里同時阻塞很多條定時消息。Windows系統對定時消息的處理是：當在隊列中同時有幾條時間消息時，系統就會丟棄其他的時間消息，而僅僅處理其中的一條定時消息。由此可見，利用系統提供的定時器只能處理一些對定時、實時控制要求不高的情況。另外也可以利用Windows操作系統中mmsystem．dll多媒體擴展庫提供的定時器，它是利用設置定時器回調函數TimeSetEvent，定時時間一到，系統就會調用回調函數，從而實現定時。定時回調函數是通過掛接定時中斷來實現的，從而避開操作系統的消息驅動機制。采用這種方法可以獲得1 ms的定時。

　　1．2 利用系統定時中斷

　　利用PC機中8254定芯片產生的中斷請求0獲得定時間隔。操作系統在工作時，工作時鐘主要由PC機的8254時鐘芯片提供。8254．共有三個獨立的16位計數器，計數器0，1，2的地址分別是40H，41H和42H，43H是控制寄存器的端口地址。其中計數器0為日時鐘的中斷源，同時也是系統的定時中斷源。在系統加電后，：BIOS對8254初始化，設置計數器0的初值為0，脈沖輸出方式是方式3（輸出方波脈沖）。這樣，就可以在輸出端得到頻率為f=1．913 18 MHz／65 535=18．2 Hz（其中1．913 18 MHz是8254時鐘輸入端的輸入脈沖頻率，65 535是16位計數器的計數寬度）的方波輸出脈沖作為輸出中斷頻率，即每隔55 ms提起中斷請求，CPU響應后轉入日時鐘中斷處理程序，即中斷請求0的中斷服務程序。

　　通過上面的分析，要想獲得高的定時時鐘，可以通過兩步實現：首先，根據需要修改8254計數器0的計數初值，從而改變計數器0的輸出時鐘中斷頻率。然后通過修改中斷請求0中斷服務程序的中斷地址，將中斷請求0掛接到中斷服務程序上。

　　具體掛接中斷服務程序的辦法是通過編寫WDM驅動程序，修改IDT（Interrupt Descriptor Table）中斷描述符表。IDT是定義硬件中斷映射的表，其工作原理類似于MS-DOS環境中的中斷向量表，它在內存中的地址是從0000：0000開始，每個表項共占4個字節，共有8 192個中斷描述符，但是CPU能夠利用的只有前面的256個。在Windows 2000操作系統中這些IDT表項及其所對應的中斷地址可以通過在SoftICE中執行IDT指令顯示出來。當中斷到來時，要執行中斷服務程序，可以通過將IDT中8號中斷對應的中斷服務例程地址改為中斷服務程序所在的地址。硬件中斷發生的時候，CPU就會直接把控制權交到IDT的相應ISR中去運行。

　　通過修改8254．定時器0的定時初值，并掛接中斷服務程序，可以獲得一個穩定的時鐘中斷。但是由于8254定時器除了提供系統的日時鐘中斷源外，還是系統工作的定時中斷源，當把中斷請求0掛接到中斷服務程序上時，為確保系統穩定工作，必須保存原來系統的中斷服務程序地址，當8254計數器0的定時時間達到55 ms時，必須將中斷請求8的中斷服務程序地址恢復為原來的中斷服務程序地址，以完成系統定時需要。這種通過修改中斷服務程序地址的方法獲得高的定時中斷，由于涉及到系統工作的定時中斷源，一旦處理不當，很容易使系統工作不穩定，嚴重時會造成系統的崩潰。

　　1．3 通過對系統CMOS實時時鐘編程

　　Windows 2000操作系統中要獲得高的定時中斷，可以通過修改CMOS實時時鐘的方法來獲得，即利用PC機的中斷請求8來獲得。在Pc機中都存在一個CMOS實時時鐘芯片，該時鐘由于采用的是獨立晶振、用獨立的電池供電，因此可以永不間斷地運行。它的主要功能是為系統提供備用時鐘、三個可屏蔽的中斷和一個通用的中斷輸出、可編程方波發生器等。另外，它與操作系統相互獨立，修改它的定時中斷頻率對操作系統工作的影響不大，所以，通過修改CMOS中斷頻率的辦法可獲得與前面利用系統定時中斷相比較，更可靠、更穩定的高定時時鐘中斷。

　　PC機的CMOS實時時鐘一般采用MC146818芯片，該芯片上包含了一個實時時鐘和一個64 B的CMOS內存。在這64個字節的內存中0～0DH是與實時時鐘相關的信息，0E～3FH中包含的是關于計算機的硬件配置信息。其中CMOS內存的地址口的地址為70H，數據口的地址為71H。實時時鐘有4個狀態寄存器A，B，C，D。其中寄存器A主要功能是用來開啟、關閉振蕩器，并選擇不同的輸出頻率，它的具體位定義如表1所示。寄存器B用來控制實時時鐘各種功能的使能狀態等。寄存器C與D是只讀寄存器，寄存器C主要是提供各種中斷狀態標志位。因此，當設置好A，B寄存器后，要想讀出CMOS內存的數據，只需將要讀數據所在內存地址送到70H，再從71H中將數據讀出即可，向CMOS內寫入數據的過程正好與上面的操作相反。

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　　表2列出了寄存器A的周期性中斷速率和方波輸出頻率，可以看到，通過修改CMOS實時時鐘的A寄存器選擇不同的方波輸出頻率，其輸出速率可達到122μs。與上面利用系統提供的中斷請求0相比較，IRQ0是每隔55 ms中斷，而IRQ8因為用的是自己的晶振，中斷頻率則要高很多，軟件上的實現上同前面利用系統定時中斷中的方法相同，即通過編寫WDM驅動程序，修改中斷描述表（IDT），然后通過hook掛接中斷服務程序，從而搶先實現任務。

　　1．4 引入外部定時中斷

　　在Windows 2000操作系統下要獲得高定時時鐘還可以通過引入外部定時時鐘的方法。即在PC機的外部提供一個高的時鐘，在PC機的內部，在Windows 2000操作系統下，通過編寫WDM程序的方式來響應這個外部的中斷。

　　通過對這幾種實時控制方案解決方法的分析，可以看到，利用Windows系統提供的常規定時器及多媒體定時器，其定時太低，無法滿足數控系統對高定時時鐘的需求；利用系統的定時時鐘，一旦處理不當，很容易使系統工作不穩定，因此不適合于數控系統對控制可靠性的要求；通過修改CMOS實時時鐘的方法來獲得高的定時時鐘，因為受到輸入晶振頻率的限制，其輸出頻率也只能可達到122μs，仍然無法滿足數控系統對較高加工速度的要求。

　　綜合以上原因，本文提出通過ISA總線引入外部時鐘的方法來獲得高、穩定的定時中斷。在程序上通過編寫WDM驅動程序來響應該時鐘中斷。利用這種方法完全避開了依靠操作系統提供的中斷的弊端。采用這種方法有兩點好處：首先，利用外部提供的時鐘，其時鐘的頻率可以根據實際的需要提供，也就是說可以靈活地提供所需要的任何頻率的定時時鐘。其次，利用外部定時中斷提供高的定時時鐘與利用PC機系統提供的定時時鐘相比較，可避免使用不當而導致的系統工作不穩定。

　　2 線接觸加工數控系統高定時時鐘的解決

　　通過對Windows操作系統下高定時時鐘引入方法的分析，采用了第四種方法，即通過引入外部定時時鐘中斷的方法，在操作系統的內部通過編寫系統WDM程序來響應這個外部中斷。圖1是線接觸加工數控系統高定時時鐘解決方法的方框圖，即在PC機的外部提供一個高的定時中斷源，在PC機一側則是利用ISA總線通過中斷IRQ5接入PC機，在Windows操作系統內部通過WDM程序響應這個外部中斷。

　　為了方便試驗以及測試需要，選用了華邦公司生產的W77E58單片機來產生不同頻率的時鐘。W77E58是與Intel51系列單片機完全兼容的8位單片機，但是它比51系列單片機的工作速度更快。該單片機一個機器周期僅需要4個時鐘周期，外接晶振頻率為40 MHz。經計算這種單片機的單周期指令僅需要O.1μs，通過如下的循環指令很容易就實現1μs的定時周期。

　　輸出的中斷脈沖如圖2所示。在上面的循環指令中插入適當個數的Nop指令便可以得到一系列小于1 MHz時鐘的輸出脈沖。

　　將上面輸出的方波脈沖作為外部中斷經過ISA總線連接至中斷請求IRQ5以此作為線接觸加工數控系統的基準中斷時鐘。為了試驗的需要，本文將單片機輸出的時鐘連接到了ISA總線的幾個不同的中斷上，并另外做了一個小的鍵盤用來選擇ISA總線上不同頻率的時鐘源。

　　為了能夠使系統實時響應外部的IRQ5中斷，必須通過編寫Windows操作系統下的設備驅動程序。WDM驅動程序是*．sys系統驅動程序。在WDM程序中對中斷的響應可以通過下面的方法實現：

　　該WDM設備程序是非即插即用的ISA驅動程序，因此驅動程序的資源分配必須在．inf文件中進行。線接觸加工數控系統對資源的分配是在．inf文件的資源分配中按下面的方式分配端口資源和中斷資源的：

　　3 結 語

　　在Windows操作系統結構理論的基礎上，研究了Windows 2000操作系統下實現實時性控制的幾種解決方案，并對這幾種方案進行了具體的分析比較，提出了適合于數控系統的的實時控制方案——引入外部定時中斷的方式，并具體研究了此方法的實現過程，同時用實驗手段驗證了線接觸加工數控系統，終實現了控制系統的極限加工進給速度可達到1 500 mm／min，系統的脈沖當量是0.037 μm。