基于模型驅(qū)動開發(fā)方法的開放式結(jié)構(gòu)計算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的研究.pdf

1、二十一世紀(jì)的制造業(yè)所面對的快速多變的市場環(huán)境，產(chǎn)品上市周期的大為縮短，用戶需求的個性化、多樣化等等，這無疑給制造業(yè)帶來前所未有的壓力和競爭。作為制造業(yè)的基礎(chǔ)關(guān)鍵設(shè)備——數(shù)控機(jī)床在一定程度上決定著我國制造業(yè)的水平，而數(shù)控機(jī)床的中樞控制系統(tǒng)——計算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)(CNC)的性能又直接影響甚至決定著數(shù)控機(jī)床的綜合性能。在制造業(yè)面臨激烈的競爭和壓力的同時，科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展、經(jīng)濟(jì)發(fā)展的日益全球化也給制造業(yè)帶來了新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。為此，本文確立了利用最

2、新的計算機(jī)軟硬件技術(shù)開發(fā)新一代的開放式結(jié)構(gòu)CNC的研究目標(biāo)，以改變現(xiàn)有封閉式體系結(jié)構(gòu)CNC難以適應(yīng)快速多變的市場需求?！　”疚脑趯y(tǒng)一建模語言(UML)的體系結(jié)構(gòu)、建模理論的研究基礎(chǔ)之上，結(jié)合傳統(tǒng)的軟件迭代開發(fā)生命周期模型，構(gòu)建了面向?qū)ο蟮腃NC模型驅(qū)動快速開發(fā)過程。全文以此過程為主線，將CNC的軟件開發(fā)分為分析、設(shè)計、實現(xiàn)和測試四個階段，并以CNC的手動操作為例，采用實時嵌入式系統(tǒng)建模工具Rhapsody(R)，詳細(xì)介紹了模型驅(qū)動開

3、發(fā)方法在CNC軟件開發(fā)中的具體應(yīng)用。該過程同樣可應(yīng)用于采用主從式結(jié)構(gòu)的其它類型控制器的開發(fā)。模型驅(qū)動開發(fā)方法的率先應(yīng)用將CNC軟件開發(fā)的抽象層次由傳統(tǒng)的代碼層提升到了模型層，以使開發(fā)者可以更加專注于所要解決的領(lǐng)域問題，而不是繁鎖的程序代碼，實現(xiàn)了在模型層就可以對系統(tǒng)功能進(jìn)行測試和驗證；由UML模型所自動生成的代碼是基于實時框架技術(shù)的可以高效地運行于目標(biāo)平臺的代碼，并且模型與代碼之間可以保持自動關(guān)聯(lián)，因而不但解決了傳統(tǒng)系統(tǒng)模型與系統(tǒng)實現(xiàn)之

4、間往往存在脫節(jié)的問題，每次迭代開發(fā)的生命周期也大為降低，對所開發(fā)出的軟件的質(zhì)量有著必要的保障。采用模型驅(qū)動開發(fā)方法，本文通過多次迭代開發(fā)出經(jīng)過單元測試的運動控制器、輔助設(shè)備控制器、數(shù)控代碼檢查器、數(shù)控代碼解釋器等單元UML模型。然后通過系統(tǒng)集成測試將這些單元集成起來，完成了一個具有軟件模塊化、可裁剪、可重用、跨平臺、易維護(hù)、可根據(jù)用戶需求進(jìn)行動態(tài)重配置的開放式結(jié)構(gòu)CNCUML模型。通過運用UML2.0中新增的組合類、狀態(tài)圖繼承、端口和語

5、義更加精確化的接口(細(xì)分為供給型和需求型)等建模元素，使得該模型在跨平臺應(yīng)用時可以實現(xiàn)高度重用，例如在Win98/2k、WindowsCE.NET兩種平臺下應(yīng)用時，只有兩個和硬件相關(guān)的類不能直接重用，其它的模型元素經(jīng)過平臺相關(guān)的編譯之后都可以直接重用，同時對系統(tǒng)的擴(kuò)展或維護(hù)也可以很方便地直接在模型設(shè)計層進(jìn)行。在對UML實時建模和實時調(diào)度相關(guān)理論研究的基礎(chǔ)之上，本文首次基于CNCUML模型對CNC的相關(guān)實時任務(wù)進(jìn)行了可調(diào)度性分析。其方法為

6、，首先使用UML實時特征文件包中的構(gòu)造型、標(biāo)簽值將所要進(jìn)行可調(diào)度性分析的實時任務(wù)相關(guān)屬性(Qos：QualityofService)在CNCUML模型中標(biāo)識出來。然后通過VBA(VisualBasicApplication)將CNCUML模型與實時可調(diào)度性分析工具RapidRMATM有機(jī)結(jié)合的方式，可調(diào)度性分析結(jié)果可以自動反饋至CNCUML模型中。這種方式的應(yīng)用可以在實時系統(tǒng)的分析、設(shè)計、系統(tǒng)實現(xiàn)后等多個階段很容易地對實時系統(tǒng)的可調(diào)度性

7、進(jìn)行分析，并解決了實時系統(tǒng)傳統(tǒng)開發(fā)方法中存在功能和性能相脫節(jié)的問題。文中以CNC的自動操作為例介紹了CNC多任務(wù)實時可調(diào)度性分析的過程。最后對本文所開發(fā)出的CNCUML模型在我們自行研制的數(shù)控測試平臺上進(jìn)行了仿真驗證。該平臺采用嵌入式單板計算機(jī)通過PC104總線和基于DSP的運動控制卡/IO卡進(jìn)行實時通信的主從式結(jié)構(gòu)。運行于嵌入式單板計算機(jī)上的操作系統(tǒng)采用WindowsCE.NET實時操作系統(tǒng)。這種結(jié)構(gòu)的CNC相比傳統(tǒng)的CNC在硬件模塊