1　總體結(jié)構(gòu)及實現(xiàn)方法
1.1　軟件的總體結(jié)構(gòu)
　　CNC系統(tǒng)常常作為一個獨立的過程控制單元用于工業(yè)自動化生產(chǎn)過程中，因此它的系統(tǒng)軟件必須完成管理和控制兩大功能。CNC系統(tǒng)是由軟件和硬件組成的，硬件為軟件的運行提供支持環(huán)境。由于硬件和軟件在邏輯上是等價的，由硬件完成的工作原則上也可以由軟件完成。因此軟件的結(jié)構(gòu)取決于軟件和硬件的分工，也取決于軟件本身的工作性質(zhì)。根據(jù)目前該系統(tǒng)的設(shè)計，下位機只負(fù)責(zé)位置伺服控制，因此上位機負(fù)責(zé)其余的管理工作和控制工作。
　　數(shù)控軟件的總體結(jié)構(gòu)可以設(shè)計成六層，即輸入層，譯碼層，刀補層，協(xié)調(diào)層，監(jiān)控層，設(shè)備驅(qū)動層。輸入層是數(shù)控程序。譯碼層將數(shù)控指令解釋成為數(shù)控系統(tǒng)的內(nèi)部數(shù)據(jù)格式。刀補層進行刀具補償。協(xié)調(diào)層將指令分解到數(shù)控系統(tǒng)的各個功能部件。如數(shù)控指令翻譯、輔助功能設(shè)備控制和運動控制。監(jiān)控層對于系統(tǒng)當(dāng)前的狀態(tài)和當(dāng)前指令的合法性進行檢驗。設(shè)備驅(qū)動層直接實現(xiàn)對系統(tǒng)功能部件的控制。
　　在該數(shù)控系統(tǒng)的軟件中，采用了前后臺型的結(jié)構(gòu)形式，前臺程序即實時中斷程序完成全部的實時功能（包括協(xié)調(diào)層、監(jiān)控層、設(shè)備驅(qū)動層），主要是插補功能和系統(tǒng)診斷功能、I/O處理等。后臺程序的主要功能是插補前的準(zhǔn)備功能及調(diào)度管理（包括輸入層、譯碼層、刀補層），具體地講，是數(shù)控程序輸入、譯碼、刀具補償、顯示及上述任務(wù)之間的調(diào)度管理功能。后臺程序是一個循環(huán)運行程序，在運行過程中，前臺程序（中斷服務(wù)程序）不斷插入，共同完成零件加工任務(wù)。而位置伺服的任務(wù)主要由下位機完成。
　　在譯碼層和刀補層中，我們采用多任務(wù)調(diào)度的方式協(xié)調(diào)系統(tǒng)的工作，進行優(yōu)化后可以最充分地利用系統(tǒng)的資源。加工程序由上位機進行譯碼、刀具補償、速度處理后，得到刀具中心的插補指令數(shù)據(jù)，上位機將這些插補指令數(shù)據(jù)和其它的指令數(shù)據(jù)以固定格式存放于一緩沖區(qū)中，每次中斷發(fā)生時，上位機根據(jù)這些指令數(shù)據(jù)進行相應(yīng)的處理，如果存在插補指令則實時計算出插補數(shù)據(jù)，并且送入下位機，下位機從緩沖區(qū)根據(jù)這些數(shù)據(jù)控制相應(yīng)軸的電機動作。當(dāng)上位機中的一幀指令數(shù)據(jù)被讀完后，在插補間隙自動計算出新的插補指令數(shù)據(jù)，填入緩沖區(qū)。

    在上位機的內(nèi)存中設(shè)置若干個插補緩沖區(qū)，用標(biāo)志字指示當(dāng)前數(shù)據(jù)塊的位置，引導(dǎo)下位機讀取當(dāng)前指令數(shù)據(jù)。當(dāng)下位機進行控制時，上位機不斷進行預(yù)插補計算，直至所有插補緩沖區(qū)填滿為止，當(dāng)接收到下位機的中斷信號后，上位機進行實時的插補計算，并且將數(shù)據(jù)送到下位機。采用這樣方式能夠最充分地利用上位機CPU的時間，真正實現(xiàn)并行實時工作。
1.2　軟件的具體實現(xiàn)方法
1.2.1　軟件的運行環(huán)境和開發(fā)環(huán)境
　　采用Microsoft Windows 3.1作為開發(fā)環(huán)境，采用Borland C++ 3.1作為編程語言。
1.2.2　具體實現(xiàn)方法
　　啟動畫面的修改
　　在Windows啟動時，會出現(xiàn)一幅帶有Microsoft標(biāo)志的啟動畫面，但作為專用數(shù)控系統(tǒng)，我們希望能用自己的啟動畫面代替該啟動畫面，顯示具有數(shù)控系統(tǒng)標(biāo)志的啟動畫面。方法如下：
　　方法一：
　　（a） 創(chuàng)建一幅BMP圖，再它壓縮成RLE文件，命名為CNC.RLE；
　　（b） 執(zhí)行下面的命令形成新的WIN模塊：COPY/B WINF +VGALOGO.LGO+CNC.RLE
　　（c） 重新啟動Windows，可看到新的啟動畫面。
　　方法二：
　　（a） 編制一個DOS下顯示圖形的程序，圖形可以是任意格式（*.bmp，*.gif，*.jpg等均可），選擇自己需要并且喜歡的圖形作為啟動標(biāo)志；
　　（b） 編制一個批處理文件，將圖形顯示程序放在前面，將Windows的啟動命令Win/B放在后面（/B選擇項使啟動標(biāo)志不出現(xiàn)）；
　　（c） 用生成的批處理文件代替原來的Windows的啟動命令，運行即可。
　　多任務(wù)調(diào)度的實現(xiàn)
　　在我們的數(shù)控系統(tǒng)中，為了實現(xiàn)多個任務(wù)之間的協(xié)調(diào)與管理，我們采用非搶先式的多任務(wù)調(diào)度和多緩沖區(qū)的方式實現(xiàn)了對于實時性不強的任務(wù)（數(shù)控程序輸入、譯碼、刀具補償、顯示等）的調(diào)度，其具體實現(xiàn)方法是：
　　（a） 規(guī)定每個任務(wù)優(yōu)先級計算方法（優(yōu)先級為非固定的）；
　　（b） 建立任務(wù)隊列，排列當(dāng)前需要完成的任務(wù)，此隊列不考慮優(yōu)先級；
　　（c） 在每個任務(wù)周期，計算每個任務(wù)的優(yōu)先級，執(zhí)行優(yōu)先級最高的任務(wù)；
　　（d） 將每次任務(wù)執(zhí)行的結(jié)果存儲在多個緩沖區(qū)中，然后可以執(zhí)行下一個同類任務(wù)。
　　在數(shù)控系統(tǒng)中，顯示的任務(wù)優(yōu)先級始終是最低的，而其它的任務(wù)的優(yōu)先級則是變動的。通過變動各個任務(wù)的優(yōu)先級進行協(xié)調(diào)，雖然每次都執(zhí)行的是優(yōu)先級最高的任務(wù)，但實際上各個任務(wù)都會得到執(zhí)行，在沒有其它任務(wù)的情況下顯示，也可以得到執(zhí)行。
　　多緩沖區(qū)的實現(xiàn)方法
　　為了協(xié)調(diào)多個任務(wù)之間的運行，在軟件中建立多個數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，具體的實現(xiàn)方法是：
　　（a） 為多緩沖區(qū)分配內(nèi)存，建立指向當(dāng)前緩沖區(qū)的讀、寫指針，構(gòu)成一個環(huán)形多緩沖區(qū)；
　　（b） 為每塊內(nèi)存設(shè)置一個標(biāo)志位，作為對各緩沖區(qū)進行操作的判斷依據(jù)；
　　（c） 每讀一個緩沖區(qū)，對該緩沖區(qū)設(shè)置已讀標(biāo)志，當(dāng)前讀指針向前移動一個緩沖區(qū)；
　　（d） 每寫一個緩沖區(qū)，對該緩沖區(qū)設(shè)置已寫標(biāo)志，當(dāng)前寫指針向前移動一個緩沖區(qū)；
　　（e） 對于當(dāng)前操作未結(jié)束的緩沖區(qū)，設(shè)置正在操作標(biāo)志，禁止其它操作。
　　采用這種方法，將系統(tǒng)中必須在單個插補周期內(nèi)完成的運算“均化”在多個插補周期內(nèi)完成，有效地利用了CPU的計算時間，提高了系統(tǒng)的工作效率。
　　Windows環(huán)境下的中斷的實現(xiàn)
　　Windows是一種非獨占式的多任務(wù)系統(tǒng)，應(yīng)用程序通過應(yīng)用程序隊列來接收輸入，然后消息循環(huán)從應(yīng)用程序隊列中獲取輸入消息，并把它發(fā)送給相應(yīng)的窗口。在這種工作模式下，實現(xiàn)實時控制較為困難。然而，從另外一個角度看，用戶的鍵盤、鼠標(biāo)及定時器輸入都是硬件中斷，而Windows提供的設(shè)備驅(qū)動程序?qū)嶋H上是中斷服務(wù)程序。由于實際加工對于實時性的要求很高，因此必須采用中斷的方式實現(xiàn)實時性強的任務(wù)。由于中斷可以在任何時刻發(fā)生，而不限于使用設(shè)備的應(yīng)用程序運行期間，所以中斷服務(wù)程序必須在固定代碼段中。在大框架EMS內(nèi)存配置中，只有一種類型的代碼才能保證任何時刻均可用來進行此類中斷服務(wù)，這種類型的代碼就是動態(tài)連接庫（DLL）的固定代碼段中的代碼。在保證可靠性的前提下，必須采用DLL來實現(xiàn)中斷。在我們的系統(tǒng)中采用DLL實現(xiàn)了硬件中斷，運行可靠。
　　替換系統(tǒng)外殼，成為專用系統(tǒng)
　　Windows中Progman.exe是Windows的外殼，是Windows的重要組成部分，但并不是Windows中的必備成分，每個用戶都可以編制自己的外殼程序。由于數(shù)控系統(tǒng)與生產(chǎn)設(shè)備直接連接，用戶常常希望數(shù)控系統(tǒng)是一個專用系統(tǒng)，另外，Windows本身是一個多任務(wù)系統(tǒng)，同時執(zhí)行多個應(yīng)用程序可能會發(fā)生程序間的沖突，因此，有必要對Windows 進行改造，改造方法很簡單，采用數(shù)控軟件代替Windows的“Shell”——Progman.exe，這樣，Windows啟動后直接運行數(shù)控軟件，在用戶的操作中，感受不到Windows的存在，同時避免了應(yīng)用程序之間的軟硬件的沖突。
2　后語
　　以PC為基礎(chǔ)的CNC是NC技術(shù)發(fā)展的必然趨勢，它保證了CNC的基礎(chǔ)軟硬件隨PC技術(shù)的而不斷更新，使NC技術(shù)緊跟PC技術(shù)的發(fā)展，可直接應(yīng)用PC的發(fā)展成果，這對節(jié)省開發(fā)費用、縮短開發(fā)周期具有重要的意義。