基于实时Linux平台的CNC系统研究与实现
摘要
数控系统是数控产品的核心技术之一，数控系统的实时性、稳定性直接影响着数控产品的性能。当前，市场上已有的数控系统大都基于DOS或Windows／NT系统，而这两种操作系统都不能很好的用于工业控制。Linux操作系统具有真正的多任务、源代码全开放、极佳的稳定性、优秀的内存管理以及强大的网络功能等特性，使其经改造后能很好的满足数控系统的平台需求。本论文以实时Linux和工业PC机为软、硬件平台，以C语言、Gnome／Gtk＋库以及Gcc编译器为开发工具，进行了计算机数控系统的研究和开发。论文主要内容包括：
1．从数控系统的实时性、稳定性和开放性等方面，分析了现有PC化数控系统支撑平台的不足，讨论了基于实时Linux平台开发CNC系统的优势；
2．研究了在Linux平台上实现实时控制的途径，并采用RTLinux内核对Linux进行实时化改造；
3．构造了LINUXCNC系统的结构，分析了该系统的优点和开放性，并在实时化后的Linux平台上进行原理样机系统的开发。
CNC Systems are the most important parts of CNC products. The realtime and stability of CNC systems are the most important performance. Currently, Most CNC systems in the market are based on DOS or Windows/NT. Unfortunately, neither of them is suitable for industrial control. Linux has many advantages, such as true multi-masks, open source codes, good stability, excellent ram management and strong network function, which make it a good choice for CNC systems, hi this paper, a CNC system is researched and developed based on real time Linux and industrial personal computer with C language, Gnome/Gtk+ lib and Gcc compiler. The main contents of the paper include:
1. Disadvantages of current platforms for CNC systems based on PC are analyzed and advantages of CNC systems based on realtime Linux are discussed from such sides as real time, stability and open performance.
2. Several approaches to realize real-time control based on Linux are investigated and RTLinux is used to get a real time Linux kernel.
3. An open Architecture of LINUXCNC is implemented, the advantages and open characteristics of the system are analyzed, also, the development of the system on real time Linux is introduced.
1．从数控系统的实时性、稳定性和开放性等方面，分析了现有PC化数控系统支撑平台的不足，讨论了基于实时Linux平台开发CNC系统的优势；
2．研究了在Linux平台上实现实时控制的途径，并采用RTLinux内核对Linux进行实时化改造；
3．构造了LINUXCNC系统的结构，分析了该系统的优点和开放性，并在实时化后的Linux平台上进行原理样机系统的开发。
CNC Systems are the most important parts of CNC products. The realtime and stability of CNC systems are the most important performance. Currently, Most CNC systems in the market are based on DOS or Windows/NT. Unfortunately, neither of them is suitable for industrial control. Linux has many advantages, such as true multi-masks, open source codes, good stability, excellent ram management and strong network function, which make it a good choice for CNC systems, hi this paper, a CNC system is researched and developed based on real time Linux and industrial personal computer with C language, Gnome/Gtk+ lib and Gcc compiler. The main contents of the paper include:
1. Disadvantages of current platforms for CNC systems based on PC are analyzed and advantages of CNC systems based on realtime Linux are discussed from such sides as real time, stability and open performance.
2. Several approaches to realize real-time control based on Linux are investigated and RTLinux is used to get a real time Linux kernel.
3. An open Architecture of LINUXCNC is implemented, the advantages and open characteristics of the system are analyzed, also, the development of the system on real time Linux is introduced.
引文
[1] 蔡德聪．工业控制计算机实时操作系统．北京：清华大学出版社，1999
[2] 叶伯生．计算机数控系统原理、编程与操作．武汉：华中理工大学出版社，1999
[3] 毕承恩．丁乃建．现代数控机床．北京：机械工业出版社，1991
[4] 彭炎午．计算机数控(CNC)系．西安：西北工业大学出版社，1988
[5] 任玉田，焦振学，王宏甫．机床计算机数控技术．北京：北京理工大学出版社， 1996
[6] 范俊广．数控机床及其应用．北京：机械工业出版社，1993
[7] 王润孝，秦现生．机床数控原理与系统．西安：西北工业大学出版社．，1997
[8] 刘爱林，肖跃加，韩明，黄树槐．基于WIN95／NT的开放式数控系统．机械与电子，1999，4
[9] 雷勇，叶佩青，王忠华．基于RTLinux的开放式数控系统研究．
[10] 陈宇，熊光泽，刘锦德，李允．基于Linux的硬实时计算．计算机科学，2000(27)，17-19
[11] Arthur Griffith.GNOME/GTK+Programming Bible.北京：电子工业出版社，2000，12
[12] EriC Harlow.Developing Linux Applications with GTK+and GDK.北京：电子工业出版社，2000，1
[13] 纪纯杰，贺晓能．Linux内核分析及常见问题解答．北京：人民邮电出版社，2000
[14] 胡皓．X Window实务应用，北京：人民邮电出版社，2000，10
[15] 熊清平，孙联胜，刘延巍，周云飞．CNC实时多任务软件系统．机械与电子，1997(3)，20-22
[16] 鲍忠贵．Linux操作系统中断与I／O设备驱动程序设计与实现．飞行器测控学报，2000(19)，81-85
[17] 黄晓勇，张侃谕，周兆明，陈超．GUI平台的开放式体系CNC系统研究与开发．机械与电子，1998(1)，27-29
[18] 崔汉锋，韩世强．高性能CNC系统中实时多任务处理．华中理工大学学报，1993(2)，89-94
[19] 郭晋峰．RTLinux的原理及其实时程序开发．微型机与应用，2001(4)，8-10
[20] 周德俭，吴兆华，陈子辰．使用PC的开放式计算机数控系统——CNC的发展新动向．机电一体化，1997(1)，14-17
[21] Linux应用与开发丛书编委会．Red Hat Linux 6.1技术大全．北京：希望电子出版社，2000，4
[22] Linux技术丛书编委会．Linux开发者指南．北京：希望电子出版社，2000，8
[23] 汤姆·斯旺．深入学习：GNU C++ for Linux编程技术．北京：电子工业出版社，2000，9
[24] John Goerzen．Linux编程宝典．北京：电子工业出版社，2000，10
[25] 夏一民，罗军，邓胜兰．实时Linux操作系统初探．计算机应用研究，2001(1)，45-48
[26] 李方敏，李仁发，叶澄清．实时Linux操作系统的研究与设计．湘潭矿业学院学报，2000(3)，71-75
[27] 袁臻，李新民．实时Linux的研究与实现．计算机应用研究，2000(11)，28-29
[28] 金西，黄汪．Linux小型化技术．计算机工程，2001(1)，18-20
[29] 曹计昌，余隽．关于提高Linux核心实时处理能力的讨论．计算机应用，2001(1)，75-77
[30] 杨佳．用Linux编写设备的驱动程序．PC SHOPPER，2000(11)，203-205
[31] 周祖德，魏仁选，陈幼平．开放式控制系统的现状、趋势与对策．中国机械工程．
[32] 唐文虎，童劲松，蔡建国．基于CORBA的DNC系统的实现．组合机床与自动化加工技术，1999，24-28
[33] 姚习武，朱志红，田文超．Windows平台下数控代码解释系统的研究与实践．机械设计与制造工程，1999(3)，24-26
[34] 张春晓，游有鹏．基于LINUX的小型CNC系统研究与开发．南京航空航天大学第三届研究生学术会议论文集，187-190
[35] 刘爱林，肖跃加，韩明，黄树槐．基于WIN95／NT的开放式数控系统．机械与电子，1999(4)，32-34
[36] 候方．基于COM规范的开放式数控系统设计与实现．南京航空航天大学：硕士学位论文，2001，3
[37] 林奕鸿，李小力．开放式数控系统的构造、界面与协议．中国机械工程，1998(9)，22-24
[38] 张洁，罗欣．一种基于开放式结构的数控加工系统．机械与电子，1999(3)，27-29
[39] 陈文远，张云，王文，陈子辰．基于工业PC的数控系统软件的设计与实现．机电一体化论文集，1997，98-99
[40] 周延佑．国产数控系统的特点和机床数控改造的迫切性．制造技术与机床，1999(6)，6-9
[41] 鲍忠贵．Linux操作系统中断与I／O设备驱动程序设计与实现．飞行器测控学报，2000(2)，81-85
[42] Surya Kommareddy, Yamazaki Kazuo, Kagawa Yoshihito. PC-BASED OPEN ARCHITECTURE SERVO CONTROLLER FOR CNC MACHINING.
[43] Victor Yodaiken. RTLinux white paper, http://www.rtlinux, org/documents
[44] Victor Yodaiken. The RTLinux manifesto. http://www. rtlinux. org
[45] Barabanov M, Yodaiken V. Real-time Linux. Linux Journal, 1997 (Feb.)
[46] Balaji S. KURT: The KU Real-time Linux.
[47] Mantegazza P, Biaochi E. Introducing the Real Time Application Interface(RTAI) for Linux.
[48] Wang Yu-chung, Lin Kwei-jay. Implementing a General Real-time Schedling Framework in the RED-linux Real-time Kernel.
[49] Ori Promentaz . The Linux Kernel Module Programmming Guide. http://www.linuxdoc.org, 1999
[2] 叶伯生．计算机数控系统原理、编程与操作．武汉：华中理工大学出版社，1999
[3] 毕承恩．丁乃建．现代数控机床．北京：机械工业出版社，1991
[4] 彭炎午．计算机数控(CNC)系．西安：西北工业大学出版社，1988
[5] 任玉田，焦振学，王宏甫．机床计算机数控技术．北京：北京理工大学出版社， 1996
[6] 范俊广．数控机床及其应用．北京：机械工业出版社，1993
[7] 王润孝，秦现生．机床数控原理与系统．西安：西北工业大学出版社．，1997
[8] 刘爱林，肖跃加，韩明，黄树槐．基于WIN95／NT的开放式数控系统．机械与电子，1999，4
[9] 雷勇，叶佩青，王忠华．基于RTLinux的开放式数控系统研究．
[10] 陈宇，熊光泽，刘锦德，李允．基于Linux的硬实时计算．计算机科学，2000(27)，17-19
[11] Arthur Griffith.GNOME/GTK+Programming Bible.北京：电子工业出版社，2000，12
[12] EriC Harlow.Developing Linux Applications with GTK+and GDK.北京：电子工业出版社，2000，1
[13] 纪纯杰，贺晓能．Linux内核分析及常见问题解答．北京：人民邮电出版社，2000
[14] 胡皓．X Window实务应用，北京：人民邮电出版社，2000，10
[15] 熊清平，孙联胜，刘延巍，周云飞．CNC实时多任务软件系统．机械与电子，1997(3)，20-22
[16] 鲍忠贵．Linux操作系统中断与I／O设备驱动程序设计与实现．飞行器测控学报，2000(19)，81-85
[17] 黄晓勇，张侃谕，周兆明，陈超．GUI平台的开放式体系CNC系统研究与开发．机械与电子，1998(1)，27-29
[18] 崔汉锋，韩世强．高性能CNC系统中实时多任务处理．华中理工大学学报，1993(2)，89-94
[19] 郭晋峰．RTLinux的原理及其实时程序开发．微型机与应用，2001(4)，8-10
[20] 周德俭，吴兆华，陈子辰．使用PC的开放式计算机数控系统——CNC的发展新动向．机电一体化，1997(1)，14-17
[21] Linux应用与开发丛书编委会．Red Hat Linux 6.1技术大全．北京：希望电子出版社，2000，4
[22] Linux技术丛书编委会．Linux开发者指南．北京：希望电子出版社，2000，8
[23] 汤姆·斯旺．深入学习：GNU C++ for Linux编程技术．北京：电子工业出版社，2000，9
[24] John Goerzen．Linux编程宝典．北京：电子工业出版社，2000，10
[25] 夏一民，罗军，邓胜兰．实时Linux操作系统初探．计算机应用研究，2001(1)，45-48
[26] 李方敏，李仁发，叶澄清．实时Linux操作系统的研究与设计．湘潭矿业学院学报，2000(3)，71-75
[27] 袁臻，李新民．实时Linux的研究与实现．计算机应用研究，2000(11)，28-29
[28] 金西，黄汪．Linux小型化技术．计算机工程，2001(1)，18-20
[29] 曹计昌，余隽．关于提高Linux核心实时处理能力的讨论．计算机应用，2001(1)，75-77
[30] 杨佳．用Linux编写设备的驱动程序．PC SHOPPER，2000(11)，203-205
[31] 周祖德，魏仁选，陈幼平．开放式控制系统的现状、趋势与对策．中国机械工程．
[32] 唐文虎，童劲松，蔡建国．基于CORBA的DNC系统的实现．组合机床与自动化加工技术，1999，24-28
[33] 姚习武，朱志红，田文超．Windows平台下数控代码解释系统的研究与实践．机械设计与制造工程，1999(3)，24-26
[34] 张春晓，游有鹏．基于LINUX的小型CNC系统研究与开发．南京航空航天大学第三届研究生学术会议论文集，187-190
[35] 刘爱林，肖跃加，韩明，黄树槐．基于WIN95／NT的开放式数控系统．机械与电子，1999(4)，32-34
[36] 候方．基于COM规范的开放式数控系统设计与实现．南京航空航天大学：硕士学位论文，2001，3
[37] 林奕鸿，李小力．开放式数控系统的构造、界面与协议．中国机械工程，1998(9)，22-24
[38] 张洁，罗欣．一种基于开放式结构的数控加工系统．机械与电子，1999(3)，27-29
[39] 陈文远，张云，王文，陈子辰．基于工业PC的数控系统软件的设计与实现．机电一体化论文集，1997，98-99
[40] 周延佑．国产数控系统的特点和机床数控改造的迫切性．制造技术与机床，1999(6)，6-9
[41] 鲍忠贵．Linux操作系统中断与I／O设备驱动程序设计与实现．飞行器测控学报，2000(2)，81-85
[42] Surya Kommareddy, Yamazaki Kazuo, Kagawa Yoshihito. PC-BASED OPEN ARCHITECTURE SERVO CONTROLLER FOR CNC MACHINING.
[43] Victor Yodaiken. RTLinux white paper, http://www.rtlinux, org/documents
[44] Victor Yodaiken. The RTLinux manifesto. http://www. rtlinux. org
[45] Barabanov M, Yodaiken V. Real-time Linux. Linux Journal, 1997 (Feb.)
[46] Balaji S. KURT: The KU Real-time Linux.
[47] Mantegazza P, Biaochi E. Introducing the Real Time Application Interface(RTAI) for Linux.
[48] Wang Yu-chung, Lin Kwei-jay. Implementing a General Real-time Schedling Framework in the RED-linux Real-time Kernel.
[49] Ori Promentaz . The Linux Kernel Module Programmming Guide. http://www.linuxdoc.org, 1999