导　　师： 郑时雄;李迪

学科专业： H0201

授予学位： 博士

作　　者： ;

机构地区： 华南理工大学

摘　　要： 二十一世纪的制造业所面对的快速多变的市场环境，产品上市周期的大为缩短，用户需求的个性化、多样化等等，这无疑给制造业带来前所未有的压力和竞争。作为制造业的基础关键设备——数控机床在一定程度上决定着我国制造业的水平，而数控机床的中枢控制系统——计算机数控系统(CNC)的性能又直接影响甚至决定着数控机床的综合性能。在制造业面临激烈的竞争和压力的同时，科学技术的快速发展、经济发展的日益全球化也给制造业带来了新的机遇和挑战。为此，本文确立了利用最新的计算机软硬件技术开发新一代的开放式结构CNC的研究目标，以改变现有封闭式体系结构CNC难以适应快速多变的市场需求。 　　本文在对统一建模语言(UML)的体系结构、建模理论的研究基础之上，结合传统的软件迭代开发生命周期模型，构建了面向对象的CNC模型驱动快速开发过程。全文以此过程为主线，将CNC的软件开发分为分析、设计、实现和测试四个阶段，并以CNC的手动操作为例，采用实时嵌入式系统建模工具RHAPSODY(R)，详细介绍了模型驱动开发方法在CNC软件开发中的具体应用。该过程同样可应用于采用主从式结构的其它类型控制器的开发。模型驱动开发方法的率先应用将CNC软件开发的抽象层次由传统的代码层提升到了模型层，以使开发者可以更加专注于所要解决的领域问题，而不是繁锁的程序代码，实现了在模型层就可以对系统功能进行测试和验证；由UML模型所自动生成的代码是基于实时框架技术的可以高效地运行于目标平台的代码，并且模型与代码之间可以保持自动关联，因而不但解决了传统系统模型与系统实现之间往往存在脱节的问题，每次迭代开发的生命周期也大为降低，对所开发出的软件的质量有着必要的保障。采用模型驱动开发方法，本文通过多次迭代开发出经过单元测试的运动控制器、辅助设备控制器、数控代码检查器、数控代码解释器等单元UML模型。然后通过系统集成测试将这些单元集成起来，完成了一个具有软件模块化、可裁剪、可重用、跨平台、易维护、可根据用户需求进行动态重配置的开放式结构CNCUML模型。通过运用UML2.0中新增的组合类、状态图继承、端口和语义更加精确化的接口(细分为供给型和需求型)等建模元素，使得该模型在跨平台应用时可以实现高度重用，例如在WIN98/2K、WINDOWSCE.NET两种平台下应用时，只有两个和硬件相关的类不能直接重用，其它的模型元素经过平台相关的编译之后都可以直接重用，同时对系统的扩展或维护也可以很方便地直接在模型设计层进行。在对UML实时建模和实时调度相关理论研究的基础之上，本文首次基于CNCUML模型对CNC的相关实时任务进行了可调度性分析。其方法为，首先使用UML实时特征文件包中的构造型、标签值将所要进行可调度性分析的实时任务相关属性(QOS：QUALITYOFSERVICE)在CNCUML模型中标识出来。然后通过VBA(VISUALBASICAPPLICATION)将CNCUML模型与实时可调度性分析工具RAPIDRMATM有机结合的方式，可调度性分析结果可以自动反馈至CNCUML模型中。这种方式的应用可以在实时系统的分析、设计、系统实现后等多个阶段很容易地对实时系统的可调度性进行分析，并解决了实时系统传统开发方法中存在功能和性能相脱节的问题。文中以CNC的自动操作为例介绍了CNC多任务实时可调度性分析的过程。最后对本文所开发出的CNCUML模型在我们自行研制的数控测试平台上进行了仿真验证。该平台采用嵌入式单板计算机通过PC104总线和基于DSP的运动控制卡/IO卡进行实时通信的主从式结构。运行于嵌入式单板计算机上的操作系统采用WINDOWSCE.NET实时操作系统。这种结构的CNC相比传统的CNC在硬件模块化、可重用性、可靠性、实时性、系统成本等方面都有着明显的改善。

关 键 词： 实时嵌入式系统 开放式结构 计算机数控系统 统一建模语言 模型驱动 可调度性分析

分 类 号： [TP342.3 TP311.51 TG659]

领　　域： [自动化与计算机技术] [自动化与计算机技术] [自动化与计算机技术] [自动化与计算机技术] [金属学及工艺]