Key Technology of Embedded System Implementation for Software-based CNC System

The software-based computer numerical control(CNC)system includes three types of tasks: periodic real-time tasks,aperiodic real-time tasks,and non-real-time tasks.The tasks are characterized by concurrency,hybridization,and correlation,which make system implementation difficult.The conventional scheduling algorithm can not meet the demands of system implementation in the software-based CNC system completely.The uncertainty factors when running real-time tasks affect control performance by degrading manufacturing accuracy as a result of system resource and processor use restrictions.To address the technical difficulty of embedded system implementation,a novel fuzzy feedback scheduling algorithm based on output jitter of key real-time tasks for a software-based CNC system is proposed.Time characteristics,such as sampling jitter,input-output jitter,and non-schedulability are discussed,followed by quantification through simulations of the impact of time characteristics on manufacturing accuracy.On the basis of this research,the scheduler architecture is designed,and then the algorithm table is calculated.When the system resource changes,the key periodic real-time tasks meet their deadlines by means of dynamically adjusting the task period.The simulated results show that the machining precision rises by an order of magnitude for the proposed scheduler in resource-constrained software-based CNC systems.Moreover,unlike conventional feedback scheduling methods,the algorithm in this paper does not rely on the availability of task execution times and is easy to implement while incurring only a small overhead.     

面向高可信集群计算的能量有效任务分配

为解决集群计算系统的失效和高能耗问题,提出了一种灵活的高可信集群计算任务调度框架.该框架基于动态电压调整、任务恢复执行和完美接纳控制机制,设计了一种可靠性感知和能量感知的实时任务全局分配算法.结合局部松驰回收机制,在维持任务可靠性目标的情况下,该算法可进一步降低系统能耗和任务拒绝率.实验表明,该算法在能量节省、可靠性和任务拒绝率方面具有优越性.     

软数控系统混合任务两级调度策略

针对软数控混合任务调度,提出一种两级结构调度策略：对实时周期性任务采用时间触发,实时突发性任务则采用事件触发。建立混合任务模型并定义相关概念,给出调度策略的架构,并对调度算法、任务可调度性及时标间隔进行深入研究。将提出的两级调度策略应用到基于Windows CE.NET的软数控系统中,分析软数控系统结构和任务划分。最后,对调度策略进行试验验证,结果表明该方法能保证混合任务的确定性,从而提高软数控系统的性能。     

优先约束的混合实时任务动态调度算法

为了对较大规模问题在短时间内给出满意的解并调度随机到达的非周期任务,提出了一种动态混合调度算法。在第一个截止期限错失时刻,通过分析系统的运行情况,推导出具有优先约束的实时任务可调度的充分条件。在系统运行前,判定周期任务的可调度性,预分配足够的处理机。当非周期任务到达系统时,在保证周期任务可调度的前提下重新给周期任务和非周期任务分配处理机。该算法具有多项式时间复杂性,适合解决较大规模的多处理机调度问题。实验结果表明,该算法有效提高了处理机的利用率和非周期任务的接收率。     

一种非周期软实时系统的动态调度方法

本文介绍了一种针对非周期软实时系统的动态调度方法。该方法以DM调度算法为基本调度算法，把非周期软实时系统看作一个多优先级排队系统，根据不同优先级的任务的队列长度来动态调整系统的参数。该方法能在统计意义上确保系统的实时性，同时又能兼顾系统的QoS需求。实例表明该方法能提高系统的实际利用率和降低系统的时限错过率，是一种有效的载荷管理方法。     

1553B总线上消息的实时调度

为了优化1553B总线传输性能,降低总线上消息传输的延迟时间,讨论了周期消息和非周期消息混合传输情况下总线上的消息调度策略。首先,借鉴周期任务的调度模型对周期消息进行建模,提出了改进的速率单调消息调度算法。然后,利用排队论建立非周期消息的M/M/1排队模型,定量分析了1553B总线的平均响应时间和总线利用率等时间性能参数,并对非周期消息的延迟时间进行优化,推导出总线最优服务率和最小平均延迟时间的计算公式,给出了非周期消息的调度算法。最后,对上述算法在消息混合传输下的可调度性进行了验证。实验结果表明,在总线利用率达96%时,混合消息的平均响应时间为0.713ms。在消息混合传输的情况下,非周期消息的平均响应时间和M/M/1排队模型下理想的非周期响应时间偏差不超过10%。上述算法时间响应特性良好,能够保证周期消息和非周期消息的实时调度。     

面向软数控系统的混合任务调度算法

为减小因软数控混合任务不确定性而引起的加工误差,提出了面向软数控的模糊反馈调度算法和两级结构的调度策略.在分析软数控任务划分和任务模型的基础上,研究了软数控模糊反馈调度算法的结构,并推导出调度算法表.通过对比仿真试验表明:不采用模糊反馈调度,加工误差达11.9%;采用模糊反馈调度,加工误差最大值仅为1.04%.给出了两级调度策略的架构,并对调度算法、任务可调度性及时标间隔进行了研究.所提出的两级调度策略已应用到基于Windows CE.NET的软数控系统中,实测任务运行状态显示,实时任务具有很好的确定性.仿真试验和具体实施的结果表明,提出的两种算法能满足软数控系统的个性化实时应用.     

基于DSP的高速液压控制器研究

针对高速液压伺服系统的特点,介绍一种高性能的液压控制器的设计方法.其中系统硬件主处理芯片采用了高性能的TMS320LF2407 DSP芯片,软件采用了自适应模糊PID控制.在实际应用中,DSP能很好实现实时控制算法,使得伺服控制实现系统的实时控制,满足系统高精度的要求.     

基于异构多核处理器的嵌入式数控系统研究

针对传统嵌入式数控系统性能差、可扩展性差、人机界面不友好等特点,结合异构多核技术和现场总线技术的优点,提出并开发了一种基于异构处理器和现场总线技术的嵌入式数控系统。该数控系统运行在异构多核处理器之上,通过在不同的处理器核心上同时运行通用系统和实时系统,采用静态划分的方式将数控系统内部的任务分配到不同的处理器核心上,使用现场总线技术实现嵌入式数控系统与伺服电机之间的连接,简化数控系统与伺服驱动器之间的连线。实验证明,开发的数控系统具有良好的实时性和扩展性,验证了设计的合理性。     

基于ARM的数控雕刻机硬件平台设计

介绍一种基于ARM9处理器内核、16位总线的四轴运动控制雕刻机的硬件平台设计方案。硬件部分选用MCX314作为数控装置电机驱动芯片,能够达到精确控制的目的,使雕刻机实现高精度、高效率的雕刻加工。同时,采用S3C2410负责外围逻辑电路的管理、后台任务的实现,使系统具有低功耗、低价位、体积小和效率高等特点。硬件平台采用模块化设计。极大地方便了系统的维护和井级。     

TTCAN网络调度平台的设计优化

TTCAN是近几年发展起来并广泛应用于汽车以及其它一般工业控制系统的实时传输协议~([1]).分析了TTCAN网络平台对于周期性消息及非周期性消息的调度策略,分别对其进行改进,并通过遗传算法对系统矩阵周期调度表进行优化,之后利用Simulink中的Stateflow工具针对一般工业控制系统建立了TTCAN网络调度仿真平台,并对仿真平台进行优化,优化后的仿真平台较好地提高了网络系统带宽利用率,增大了总线通信量,降低了各传感器节点周期性消息的响应时间和非周期性消息的延时时间,从而改善了网络平台的通信实时性能.     

基于Windows95／NT环境的软件芯片式CNC的研究

通过对Windows95／NT加以改进,使其适应CNC系统的强实时性的要求,按照CNC系统任务的实时性要求的不同,把它们分为严格实时性任务,准实时性任务和非实时性任务,并提出了相应的调度策略,以关键区作为数控芯片之间的数据传输的桥梁,在关键区中对数据进行排队。这种方法可以用来提高数控系统的性能和对系统的调度策略进行优化。     

基于遗传算法的网络控制系统调度优化研究

网络控制系统NCS(Networked Control system)是基于网络的分布式控制系统,具有强实时性。结合控制网络的实时调度与系统控制性能,应用单调速率RM(Rate Monotonic)方法对一组周期性的网络控制传输任务进行调度,采用遗传算法实现NCS的调度优化,同时满足了网络传输的优化调度与控制系统传输误差最小化的要求,提高了网络控制系统的性能,最后给出了优化实例。     

网络控制系统中信息调度的研究进展

由于网络带宽的限制以及控制系统的时限要求，网络控制系统的性能不仅取决于控制算法的设计，而且取决于网络信息的调度，以实现各个网络节点资源分配。文中综述了网络控制系统中信息调度的研究进展，主要内容：首先比较了单处理器的任务调度与网络控制系统的信息调度；介绍了单处理器的RM和EDF两种实时调度算法以及多处理器的调度算法；讨论了调度的单独设计和调度与控制的共同设计；最后探讨了若干待解决的问题及发展趋势。     

基于进给速度引导曲线的参数曲线实时插补器

设计了一种基于进给速度引导曲线的参数曲线实时插补器,给出了进给速度引导曲线的B-样条曲线生成方法。该方法在数控加工之前,通过建立进给速度引导曲线,来取代参数曲线实时插补进给速度规划的前瞻处理。实验表明,采用这种基于速度引导曲线的参数曲线实时插补器后,实时计算任务少,可以获得良好的伺服轴进给速度平滑效果和实时插补性能。     

Worst-case response time of aperiodc message in WorldFIP and its improvement in real-time capability

How to support real-time traffic of aperiodic messages using WorldFIP is investigated in this paper. Transmission of aperiodic message within WorldFIP is a very complicated procedure because it is concerned with left time in a microcycle and must successively experience three different stages, indicating, identifying, and transmitting aperiodic message. This paper presents an integrated approach to analyze the worst-case responding time (WCRT) of aperiodic message, through integrating transmission of periodic message and these three stages of aperiodic message together. To decrease pessimistic factors in WCRT of aperiodic message, priority of aperiodic message is considered. Detail analysis of the WCRT of aperiodic message indicates that the current scheduling method cannot effectively utilize priority to guarantee important aperiodic messages. Then improved scheduling methods, one adding priority and another adjusting the schedule table, are proposed. The improved methods are finally validated by case studies.     

基于现场总线的可重构数控系统的研究

在研究开放式可重构数控的基础上,构建了基于先进精简指令集微处理器和运动控制芯片的数控平台,提高了系统的集成度和稳定性,实现了生产过程的数字化与高速高精。基于现场可编程门阵列器件的硬件可重构设计,避免了资源浪费,实现了柔性制造。为解决因数控系统信息交互密集而产生的实时性、可靠性等差的问题,在对现场总线时间特性分析的基础上,开发了基于现场总线的开放式数控系统。最后,通过在机床数控系统中的应用,验证了方案的可行性和高效性。     

基于Windows NT与实时扩展的开放式数控系统的研究

为了提高数控系统的开放性和运行效率,提出一种基于Windows NT及实时扩展的开放式数控系统架构及其实现方法.在该架构中,实时性弱的任务在通用PC中运行,而实时性强的运动控制任务则分布在伺服驱动器中完成.通用PC和伺服驱动器之间用现场总线进行通讯.系统软件采用模块化设计,各模块之间的通信被抽象和统一为接口,使系统软件具有良好的开放性和可扩展性.     

异构无线传感器网络中基于POMDP的实时调度算法

针对异构无线传感器网络节点性能存在差异和易受环境影响的特点,提出一种基于部分可观察Markov决策过程(partially observable markov decision process,POMDP)的实时休眠调度算法,使用状态转移函数和观察函数表示系统完成用户请求任务中存在的环境噪声和传输冲突等不确定性,使用回报函数表示采用不同调度策略对异构网络感知准确度和能量消耗的影响,采用基于当前信念点的在线求解算法求取最优策略。仿真结果表明:该算法能够平衡数据准确性与能量消耗,延长网络生存时间。