软件中断程序的配置步骤

2.3　数控系统的软件结构

1．概述

CNC装置由软件和硬件组成，硬件为软件的运行提供了支持环境，CNC软件是为实现CNC系统各项功能而编制的专用软件，又称系统软件。CNC系统是一个专用的实时多任务系统，CNC装置通常作为一个独立的过程控制单元用于工业自动化生产中。因此，它的系统软件包括管理软件和控制软件两大部分。系统的管理部分包括：输入、I／O处理、通信、显示、诊断以及加工程序的编制管理等程序。系统的控制部分包括：译码、刀具补偿、速度处理、插补和位置控制等软件，如图2-10所示。

图2-10　CNC系统软件框图

数控系统的基本功能由上面这些功能子程序实现。这是任何一个计算机数控系统所必须具备的，功能增加，子程序就增加。不同的系统软件结构中对这些子程序的安排方式不同，管理方式也不同。在单微处理器数控系统中，常采用前后台型的软件结构和中断型的软件结构。在多微处理器数控系统中将微处理器作为一个功能单元利用上面的思想构成相应的软件结构类型。多CPU数控装置中，各个CPU分别承担一定的任务，它们之间的通信依靠共享总线和共享存储器进行协调。在子系统较多时，也可采用相互通信的方法。无论何种类型的结构，CNC装置的软件结构都具有多任务并行处理和多重实时中断的特点。

数控加工时，CNC装置要完成许多任务，如图2-10所示中给出的CNC装置的软件任务分解图，反映了它的多任务性。多数情况下CNC系统软件的管理软件和控制软件两大部分经常是同时工作的，即所谓的并行处理。例如，为使操作人员能及时地了解CNC装置的工作状态，管理软件中的显示模块必须与控制软件同时运行。当在插补加工运行时，管理软件中的零件程序输入模块必须与控制软件同时运行。而当控制软件运行时，其本身的一些处理模块也必须同时运行，例如，为了保证加工过程的连续性，即刀具在各程序之间不停刀，译码、刀具补偿和速度处理模块必须与插补模块同时运行，而插补程序又必须与位置控制程序同时进行。在系统软件的控制下，CNC装置对输入的加工程序自动进行处理并发出相应的控制指令，使机床加工工件。

软件任务的并行处理关系如图2-11所示，加工控制时必须同步显示系统的有关状态、位置控制与I/O控制同步处理，并始终伴随着故障诊断功能，控制本身的插补、位置控制、预处理之间的并行处理，其中，双向箭头表示两个模块之间有并行处理关系。

图2-11　CNC系统的任务并行处理

数控系统控制软件常采用两种结构：一种是前后台型结构，另一种是中断型结构。

2．前后台型软件

对于前后台型软件划分为两类，一类是与机床控制直接相关的实时控制部分，其构成了前台程序，它是系统的核心，完成全部的实时功能，实现与机床动作直接相关的控制任务，如插补、位置控制、机床相关逻辑控制（PLC控制）、面板扫描等，前台程序又称实时中断服务程序，它以一定周期定时发生，中断周期—般小于10ms。另一类是循环执行的主程序，称为后台程序（又称背景程序），完成一些实时性要求不高的功能，如译码、数据处理和管理程序等，管理软件和插补准备在这里完成。后台程序运行中，中断程序不断插入与后台程序相配合，共同完成零件加工任务。前后台程序的结合构成了CNC装置的系统软件。

如图2-12所示为前后台型结构软件工作示意图，各实时控制任务按优先级排队，按时间先后顺序执行，每个任务都有严格的时间限制。程序一经启动，经过一段时间的初始化程序后，便进入背景程序循环，同时开放定时中断，每隔一段时间发生一次中断，执行一次实时中断服务程序，执行完后又返回背景程序，如此循环往复，共同完成全部数控功能。这种软件结构一般适合单微处理器集中式控制，对微处理器性能要求较高。

如图2-13所示为前后台软件结构中，实时中断程序与背景程序的关系图。

图2-12　前后台型结构软件工作示意图

图2-13　实时中断程序与背景程序的关系

3．中断型结构

中断型软件结构的特点是除了初始化程序之外，整个系统软件的各种任务模块分别安排在不同级别的中断服务程序中，各中断程序的优先级别各不相同，级别高的可以打断级别低的，整个系统本身就是一个大的中断系统，其管理的功能主要通过各级中断服务程序之间的相互通信来解决。如表2-1所示为FANUC6系统的中断型软件结构，将控制程序共分成为11级中断程序，其中10级中断级别最高，0级中断级别最低。位置控制被安排在级别较高的中断程序中，其原因是刀具运功的实时性要求最高，CNC装置必须提供及时的服务。CRT显示级别最低，在不发生其他中断的情况下才进行显示。

表2-1　数控系统中断型软件的结构

在单微处理器数控系统中，常采用前后台型的软件结构和中断型的软件结构。在多微处理器数控系统中将微处理器作为一个功能单元，利用上面的思想构成相应的软件结构类型。