组件化可重构嵌入式数控系统实施关键技术研究

发布时间：2017-07-07 23:03

  本文关键词：组件化可重构嵌入式数控系统实施关键技术研究

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【摘要】：现代高性能数控系统朝着嵌入式开放式体系结构的方向发展。在这种趋势下,由于嵌入式数控系统本身的强实时性要求,系统设计的复杂性日益增强,系统开发的难度亦越来越大。本论文针对传统数控系统开发方法存在的系统测试滞后、可靠性难以保证、可重用性差、开发效率低等问题,在对组件化模型集成设计开发方法深入研究的基础上,提出了组件化软件框架结构,数控系统组件设计方法,模型到代码的实现框架。论文的研究主要包含以下内容:针对嵌入式数控系统的领域特性、组件交互关系和系统需求,提出了面向嵌入式数控系统的“连接管理复合功能块容器”软件架构方法,阐述了该关键架构中事件连接管理单元、数据连接管理单元和功能块容器的结构及机理。该架构以事件驱动的触发机制为基础,基于先入先出的事件队列进行事件调度,解决了并发事件执行下的事件丢失现象,保证了事件传输的完整性;数据处理过程借助基于数据共享连接的数据管理单元,保证了数据的准确性,并避免产生死锁现象。根据数控系统基本功能块组件设计准则和数控系统的领域特点,研究了数控系统的基本功能组件分类;根据功能块模型组件的特点和执行行为特点,构建了其代码生成模板,提出了基于元数据的模板扩展和部分赋值演化的代码生成方法,实现了组件模型到代码的映射;以多段连续螺纹插补算法组件为研究对象,验证了组件实现过程的可行性。系统代码的自动化生成是基于模型集成框架的软件设计平台的关键之一。根据系统层次化结构需求,提出了一种面向嵌入式数控系统领域模型的分步重构的代码实现方法;在基础上,总结模型代码生成过程的一般共性,结合分步重构的实现方法,设计了数控领域模型代码生成的实现框架——ENCCGF;为此,研究得到一套框架模板和映射算法。论文以硬质合金PCB微型铣刀开槽机控制系统和车床数控系统为实施对象,对所提出的架构方法及实现机制进行了验证。在数控领域图形化建模环境中构建了数控系统应用模型,采用本文设计的代码生成工具和组件自动生成工具实现了系统源代码的自动生成。论文对数控系统的功能和性能进行了测试,验证了代码自动生成的数控系统的可行性;通过比较两个系统功能和结构上的异同,验证了前述软件架构及实现机制的可重用性和快速重构性,为基于组件化模型驱动的数控系统的开发提供安全、快速和有效的实施方案,对于快速构建可靠的数控系统开发平台具有重要的理论意义及实用价值。
【关键词】：数控系统 模型集成框架 组件 软件框架 可重构 代码生成
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG659
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-12
• 第一章 绪论12-27
• 1.1 可重构嵌入式数控系统概述12-15
• 1.1.1 数控系统发展趋势12-13
• 1.1.2 可重构数控系统介绍13-14
• 1.1.3 可重构数控系统开发面临的挑战14-15
• 1.2 可重构嵌入式数控系统开发方法15-18
• 1.2.1 组件化开发方法15-16
• 1.2.2 基于模型的系统设计方法16-18
• 1.3 组件化模型集成开发方法18-22
• 1.3.1 特定领域建模语言（DSML）及其支持工具的研究18-19
• 1.3.2 模型验证及其支持技术研究19-20
• 1.3.3 代码实现技术的研究20-22
• 1.4 软件框架22-25
• 1.5 本文的研究内容25-27
• 第二章 组件化的可重构嵌入式数控系统软件框架研究27-44
• 2.1 模型集成嵌入式数控系统设计开发方法27-29
• 2.2 基于连接管理的组件化嵌入式数控系统软件框架29-41
• 2.2.1 嵌入式数控系统功能组件定义30-31
• 2.2.2 组件间交互机制31-33
• 2.2.3 软件框架实现结构33-39
• 2.2.4 功能块与外部环境或存储空间交互39-41
• 2.3 支撑软件框架的目标平台结构41-42
• 2.3.1 设计原则41
• 2.3.2 分层目标平台结构41-42
• 2.4 软件框架特性42-43
• 2.4.1 完整性42-43
• 2.4.2 数据准确性43
• 2.4.3 实时性43
• 2.4.4 可重构性43
• 2.5 本章小结43-44
• 第三章 基于IEC61499 的数控系统组件代码实现研究44-72
• 3.1 基于IEC 61499 的嵌入式数控系统基本功能组件建立44-48
• 3.1.1 数控系统基本功能组件开发要求45-46
• 3.1.2 基于领域分析的数控系统功能块的分类46-48
• 3.2 基本功能组件类型代码生成48-59
• 3.2.1 基于模板的代码实现48-50
• 3.2.2 总体实现过程50-51
• 3.2.3 模板设计51-59
• 3.3 功能块组件算法的实现59-71
• 3.3.1 多段连续螺纹算法59-68
• 3.3.2 螺纹算法代码实现68-71
• 3.3.3 螺纹功能组件模型71
• 3.4 本章总结71-72
• 第四章 嵌入式数控系统代码实现框架研究72-89
• 4.1 代码实现框架72-75
• 4.1.1 总体设计思想72-73
• 4.1.2 嵌入数控系统领域建模代码生成器的实现过程框架（ENCCGF）73-75
• 4.2 目标平台代码的产生75-79
• 4.2.1 目标平台模板设计及实现76-77
• 4.2.2 实时操作系统层任务配置77-79
• 4.3 软件框架可变点产生79-83
• 4.3.1 事件连接管理单元实现80-82
• 4.3.2 数据连接管理单元实现82
• 4.3.3 功能组件实例容器实现82-83
• 4.4 可执行功能块库的选择方法83-86
• 4.4.1 复合功能块组件分解84-85
• 4.4.2 基本组件类型选择算法85
• 4.4.3 实例说明85-86
• 4.5 编译连接处理86-87
• 4.6 代码生成器的实现87-88
• 4.7 本章小结88-89
• 第五章 嵌入式数控系统开发与验证89-115
• 5.1 硬质合金PCB微型铣刀开槽机控制系统——CNC240089-98
• 5.1.1 模型建立91-93
• 5.1.2 系统代码实现93-97
• 5.1.3 系统验证97-98
• 5.2 车床数控系统98-110
• 5.2.1 数控系统需求98
• 5.2.2 数控系统硬件平台介绍98-99
• 5.2.3 车床数控系统领域模型构建99-102
• 5.2.4 车床数控系统代码实现102-107
• 5.2.5 车床数控系统集成测试107-110
• 5.3 可重构性验证110-114
• 5.3.1 可重构性验证110-113
• 5.3.2 讨论113-114
• 5.4 本章小结114-115
• 结论与展望115-117
• 参考文献117-124
• 攻读博士学位期间取得的研究成果124-126
• 致谢126-127
• 附件127

【参考文献】

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本文编号：532124