多线程技术解决开放式数控系统实时性能的应用

1 引言    

    实时性是数控系统一项重要的性能指标。
    在IPC（Industrial Personal Computer ）+运动控制器构成的开放式数控系统开发平台上，虽然这种主从式结构，确保了运动控制指令在运动控制器内高速、实时的被执行，但在PC机上，仍需要完成诸如实时显示、预处理计算、系统状态监控等许多任务。为了保证系统的实时性能，拟采用多线程技术，通过多任务并行处理的方式，提高系统实时性。
    本开发平台采用IPC+运动控制器模式的开放式数控系统，主要的运动控制由固高公司的GT400-SV通用运动控制器完成。它提供C语言函数库GT400sv.lib和Windows动态连接库GT400.dll，能够实现复杂的控制功能[2]。数控系统的开发是将这些控制函数与自己控制系统所需的数据处理、界面显示、用户接口等应用程序模块集成在一起，建造符合特定应用要求的控制系统。

2 进程与线程以及多线程技术

    Windows操作系统既支持多进程，又支持多线程。一个进程就是应用程序的一个实例，一次执行过程也就是调入内存准备执行的程序，包括当前执行的应用程序的执行代码和程序执行相关的一些环境信息。每个进程拥有整台计算机的资源，无须知道其他进程在计算机中的信息。通常每个进程至少有一个线程在执行所属地址空间中的代码，该线程称为主线程。如果该主线程运行结束，系统将自动清除进程及其他地址空间。
    线程是进程内部执行的路径，是操作系统分配CPU时间的基本实体，是程序运行的最小单位。每个进程都由主线程开始进行应用程序的执行。线程由一个堆栈、CPU寄存器的状态和系统调用列表中的一个入口组成。每个进程可以包含一个以上的线程，这些线程可以同时独立地执行进程地址空间中的代码，共享进程中的所有资源。
    Windows系统分配处理器时间的最小单位是线程，系统不停地在各个线程之间切换。在PC机中，同一时间只有一个线程在运行。通常系统为每个线程划分的时间片很小（ms级别），这样快速系统的实时性就有了保障[3]。
    要实现多线程编程，可建立辅助线程（worker Thread）和用户界面线程（User Interface Thread）。辅助线程主要用来执行数控程序、坐标显示、动态仿真和数据预处理;用户界面线程用来处理用户的输入，响应用户产生的事件和消息。

3 数控系统实时性分析

3.1 线程的实时性
    数控系统需要完成的任务有很多，这些任务中，优先级的要求级别不一样。据此，可以利用Windows系统的多任务、抢占式的特点和多线程技术将各个任务分给不同的线程，并赋予各个线程不同的优先级，当高优先级的线程执行时，即实时性要求高的任务需要执行时，可以自动地终止其他线程的工作转而执行这一线程[4]。通过这一方法，可以实现数控系统所要求的实时性。

3.2 辅助线程创建
    本开发系统中所创建的辅助线程可大致划分如下：
（1）坐标显示线程
    在手动脉冲面板、电动控制面板和增量控制面板中，可实时显示X、Y、Z三个运动轴的坐标。这样可使操作人员直观看到三轴的实际坐标。实时性要求较低，所以使用最低优先级：Lowest Normal。
（2）图形显示线程
    图像显示线程用于在动态仿真面板中执行图形绘制的指令。通过图形显示，操作者可以在动态仿真的同时，对人机界面进行操作。这一线程实时性要求较低，等级为：Blow Normal。
（3）IO状态控制线程
    此线程用于检测由系统输入的各个离散量，以及从数控程序得到的指令来输出机床各离散量的状态。此线程优先级比前两线程高，等级为：Normal。

本文关键字：技术  数控  多线程  机床，应用领域 - 机床